聲頻環(huán)保鉆機液壓系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

吳 浩

（1.中國煤炭地質(zhì)總局第二勘探局，河北 涿州 072750；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

改革開放40多年來，我國取得了令世界矚目的發(fā)展成就，但隨之而來的是嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，其中土壤污染問題突出。為了更好地開展土壤調(diào)查及環(huán)境修復(fù)工作，用于環(huán)境調(diào)查取樣的環(huán)保鉆機日益受到國家及行業(yè)的重視，一些地勘裝備制造企業(yè)掀起了對環(huán)保鉆機的研發(fā)熱潮。

聲頻振動環(huán)保鉆機依靠液壓動力頭產(chǎn)生高頻激振力驅(qū)動鉆具克服淺部地層阻力，使鉆具周圍地層發(fā)生局部液化，能夠快速鉆進地層并取樣。由于鉆進過程中不用水、泥漿和空氣等介質(zhì)，綠色環(huán)保，能夠獲取高質(zhì)量的原狀地層樣品，取樣直徑大、鉆進速度快，尤其適合于回填土、粘土、粉土和粉砂等地層，在污染場地調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測井施工、農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查、水域沉積物調(diào)查、巖土工程勘察、地基加固工程和淺層地源熱泵施工等領(lǐng)域得到了應(yīng)用推廣［1-6］。

國外目前已有多家聲頻振動鉆機制造商，如荷蘭SonicSampDrill公司，美國Sonic Drill公司、Geoprobe system公司、Boart longyear公司、Versa-Drill公司、Gus Pech公司，加拿大Sonic Drilling公司以及日本利根公司等。這些公司已經(jīng)生產(chǎn)出了成熟的定型產(chǎn)品。國外聲頻振動鉆機具有如下特點：（1）形成不同深度的系列化產(chǎn)品。（2）鉆機普遍采用機電液一體化技術(shù)，自動化、智能化程度高，如采用自動加接鉆桿技術(shù)減輕了人工勞動強度。有些鉆機采用無線遙控技術(shù)控制鉆機行走和鉆進作業(yè)，提高了鉆機運輸和鉆進過程中的安全性。（3）鉆機的裝載方式多樣化。（4）配套鉆桿鉆具齊全。

國內(nèi)聲頻振動鉆機（見圖1）研制起步較晚，2007年中國地質(zhì)大學(xué)（北京）研制成功我國首臺SDR-100型聲頻振動鉆機（圖1a），設(shè)計深度30 m。鉆機采用3個液壓泵的多泵-多系統(tǒng)，一個負(fù)載敏感變量泵控制鉆機的振動機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、行走機構(gòu)液壓回路，一個恒壓變量泵控制鉆機的給進機構(gòu)、夾持機構(gòu)、桅桿起落機構(gòu)和絞車機構(gòu)液壓回路，一個齒輪泵控制泥漿泵液壓回路，液壓系統(tǒng)較為復(fù)雜，管路聯(lián)接較為繁瑣，缺少液壓支腿控制回路［7］。

圖1 聲頻振動鉆機Fig.1 Sonic drill rig

在此基礎(chǔ)上，2011年中國煤炭地質(zhì)總局第二勘探局與中國地質(zhì)大學(xué)（北京）聯(lián)合研制成功YSZ-50型聲頻振動鉆機（圖1b），設(shè)計深度50 m，最大振動頻率150 Hz，是國內(nèi)首臺鉆進深度達(dá)50 m的聲頻振動鉆機，鉆機液壓系統(tǒng)采用雙泵系統(tǒng)，主泵采用負(fù)載敏感變量泵，控制鉆機的振動機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、行走機構(gòu)，輔泵采用恒壓變量泵，控制鉆機的液壓支腿、桅桿起落機構(gòu)、桅桿滑移機構(gòu)、夾持機構(gòu)，其中給進油缸采用了主泵、輔泵合流的措施，可以增加給進和提升的速度，但該鉆機液壓系統(tǒng)由于在一些回路中沒有加裝平衡閥，導(dǎo)致桅桿起落中發(fā)生顫抖，鉆機液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性有待提高。由于加裝了手動調(diào)速閥和調(diào)壓閥，液壓系統(tǒng)的集成度不高，缺少先導(dǎo)控制技術(shù)，安全性與操控舒適度方面有待提高［8］。

在YSZ-50型聲頻振動鉆機試驗及工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，2015年中國煤炭地質(zhì)總局第二勘探局優(yōu)化改進液壓系統(tǒng)，引入先導(dǎo)控制技術(shù)，研制成功MGD-S50Ⅱ型聲頻振動鉆機（圖1c），對液壓系統(tǒng)功率進行優(yōu)化，提升了液壓系統(tǒng)的集成度和美觀度［9］。

1 50 m聲頻環(huán)保鉆機主要參數(shù)

調(diào)研國外同類型聲頻環(huán)保鉆機的技術(shù)參數(shù)，設(shè)定聲頻振動環(huán)保鉆機的主要技術(shù)參數(shù)如下。

（1）鉆探能力：鉆孔深度50 m，終孔直徑115 mm，鉆桿直徑50 mm。

（2）聲頻動力頭振動參數(shù)：振動頻率0～150 Hz，最大振動力100 kN。

（3）聲頻動力頭回轉(zhuǎn)參數(shù)：轉(zhuǎn)速0～250 r/min，最大扭矩2100 N·m。

（4）給進參數(shù)：給進行程3100 mm，單根鉆桿長度2.0 m，給進力29 kN，給進速度0.1 m/s，提升力64 kN，提升速度0.34 m/s。

（5）行走參數(shù)：行走速度2.5 km/h，牽引力38.1 kN，爬坡能力18°。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計分析

該鉆機采用全液壓驅(qū)動，為完成整機設(shè)計目標(biāo)，簡化液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，鉆機液壓系統(tǒng)采用開式系統(tǒng)，包括1個主油路和1個輔油路。主油路驅(qū)動動力頭的振動、回轉(zhuǎn)、給進、夾持、履帶行走和液壓絞車等動作，主要滿足鉆探取樣作業(yè)的要求。主油路采用負(fù)載敏感控制系統(tǒng)。鉆探過程中，隨著鉆深的增加，負(fù)載不斷增加，負(fù)載敏感控制技術(shù)能使泵的輸出壓力和流量自動適應(yīng)負(fù)載需求，使液壓功率與系統(tǒng)達(dá)到最佳匹配要求，從而減少系統(tǒng)發(fā)熱，大幅提高液壓系統(tǒng)效率［10-13］，主油路液壓原理見圖2。

圖2 主油路液壓原理Fig.2 Hydraulic schematic diagram of the main oil circuit

輔油路驅(qū)動鉆機在作業(yè)前的支腿調(diào)平、桅桿起落和桅桿滑移的輔助動作。輔油路液壓原理見圖3。

圖3 輔油路液壓原理Fig.3 Hydraulic schematic diagram of the auxiliary oil circuit

下面著重分析主油路和輔油路的主要工況。

2.1 動力頭振動

動力頭振動是該鉆機的關(guān)鍵動作，通過2個高速液壓馬達(dá)分別驅(qū)動2根偏心軸作反向高速旋轉(zhuǎn)，使聲頻動力頭帶動鉆桿產(chǎn)生高頻振動進行鉆進或取樣作業(yè)［14］。

高速液壓馬達(dá)的負(fù)載隨著地層的軟硬變化而變化。地層堅硬時，液壓馬達(dá)的負(fù)載增大，需調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)，增大液壓馬達(dá)的流量，增加液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速；地層松軟時，液壓馬達(dá)的負(fù)載減小，需減小液壓馬達(dá)的流量，減小液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。即高速液壓馬達(dá)的流量需要隨著負(fù)載的變化進行調(diào)節(jié)。所以，選用變量泵-定量馬達(dá)的組合方式能夠滿足工況要求［15-16］。

變量泵輸出流量通過閥塊平分給2個高速液壓馬達(dá)，由于2個馬達(dá)旋轉(zhuǎn)方向相反，故連接的兩個液壓馬達(dá)的進、出油口正好相反；2個馬達(dá)的回油合流后通過冷卻器流回油箱，2個馬達(dá)的泄油口也合流后直接回油箱。

2.2 動力頭回轉(zhuǎn)

動力頭回轉(zhuǎn)主要通過動力頭上端安裝的回轉(zhuǎn)馬達(dá)帶動動力頭輸出軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)擰卸鉆桿、處理孔內(nèi)事故、實現(xiàn)回轉(zhuǎn)鉆探工藝以及振動+回轉(zhuǎn)的聯(lián)合鉆探工藝。一般要求有較大扭矩并能無極調(diào)節(jié)，同時能實現(xiàn)正、反方向回轉(zhuǎn)等。因此回轉(zhuǎn)工況常用基本回路有調(diào)壓-限壓回路、換向回路等。本鉆機通過多路閥上的溢流閥來限定回轉(zhuǎn)工況的最大工作負(fù)載?；剞D(zhuǎn)馬達(dá)采用低速大扭矩的擺線馬達(dá)，該馬達(dá)零件少、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕，且轉(zhuǎn)動慣性小、成本低、過濾精度要求不高，適合該鉆機使用［17］。

回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)的負(fù)載同樣隨著地層的軟硬變化而變化，這種工況決定液壓系統(tǒng)也要采用變量泵-定量馬達(dá)的組合方式。

2.3 動力頭給進

對于本鉆機而言，要求給進力能夠無級調(diào)壓，能強力起拔同時兼作升降機構(gòu)。動力頭給進回路采用三位六通換向閥控制給進液壓缸，給進時油缸有桿腔進油，提升時油缸無桿腔進油，油缸上增加了平衡閥，確保給進和提升動作的平穩(wěn)，能夠精準(zhǔn)操控給進和提升動作。

2.4 履帶行走

野外作業(yè)時，實現(xiàn)人機分離駕駛能夠確保操作人員安全，為此設(shè)計采用了有線遙控器控制電磁液壓換向閥來控制底盤行走和轉(zhuǎn)向。履帶底盤采用兩個定量馬達(dá)驅(qū)動，當(dāng)同時供油給底盤左、右馬達(dá)時，實現(xiàn)底盤前、后行走；需要拐彎時，控制兩聯(lián)換向閥開合度的一大一小，則底盤形成轉(zhuǎn)向力矩，實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎動作。

此外，主油路還引入了先導(dǎo)控制技術(shù)，在孔口操作臺處設(shè)置先導(dǎo)控制手柄實現(xiàn)對各聯(lián)液壓閥組的遠(yuǎn)距離控制，具有布線靈活，操作安全的特點。

2.5 輔油路

輔油路完成鉆機在鉆探作業(yè)前的支腿調(diào)平、桅桿起落和桅桿滑移的輔助動作。工況簡單、各動作所需流量恒定，所以選用定量齒輪泵和普通多路換向閥控制，其中桅桿起落過程中，油缸的活塞桿受力復(fù)雜，經(jīng)歷由受壓到受拉的變化過程，需要采用雙向平衡閥來控制桅桿的平穩(wěn)起落，避免桅桿起落過程中發(fā)生抖動現(xiàn)象。

3 液壓系統(tǒng)參數(shù)選擇與計算

3.1 初選系統(tǒng)工作壓力

系統(tǒng)壓力選定的是否合理，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)設(shè)計的合理程度。在液壓系統(tǒng)功率一定的情況下，若系統(tǒng)壓力選得過低，則液壓元件的尺寸和重量就增加；若系統(tǒng)壓力選得較高，則液壓設(shè)備的重量和尺寸會相應(yīng)降低。但系統(tǒng)壓力不能選用過高，高壓力對制造精度要求過高。參考國內(nèi)外同類鉆機參數(shù)并根據(jù)經(jīng)驗，選定鉆機的液壓系統(tǒng)工作壓力為21 MPa［18］。

3.2 計算主油路流量

主油路最大流量q由動力頭振動、動力頭低速回轉(zhuǎn)和動力頭給進（或提升）三者流量之和與履帶行走流量的大小比較來確定。

（1）動力頭振動所需流量q1：

式中：v——高速馬達(dá)排量，mL/r；n——高速馬達(dá)轉(zhuǎn)速，r/min；N——高速馬達(dá)數(shù)量；ηs——損耗系數(shù)，一般取1.2。

設(shè)計采用高速馬達(dá)，排量5 mL/r，轉(zhuǎn)速10800 r/min，2個馬達(dá)，代入式（1），得q1=130 L/min。

（2）動力頭低速回轉(zhuǎn)所需流量q2：

設(shè)計選用國產(chǎn)低速大扭矩馬達(dá)，排量800 mL/r，低速運轉(zhuǎn)時馬達(dá)轉(zhuǎn)速為75 r/min，代入式（1），得q2=60 L/min。

（3）動力頭給進（或提升）所需流量q3：

式中：A——液壓缸無桿腔面積，m2；vmax——液壓缸的最大速度，取18 m/min。

鉆機選用了FYG90/63-1550型給進液壓缸，A取0.0064 m2，提升時所需流量較大，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2），得q3=115.2 L/min。

（4）履帶行走所需流量q4：

根據(jù)履帶行走速度2.5 km/h，計算出單減速機線速度為0.694 m/s。

履帶行走所需流量計算如下：

式中：v——馬達(dá)排量，取51.9 mL/r；i——減速機減速比，取53.706；nj——減速機轉(zhuǎn)速，r/min；vl——減速機線速度，取0.694 m/s；r——驅(qū)動輪半徑，取0.229 m。

將數(shù)據(jù)代入式（3），得q4=160 L/min。

履帶行走所需流量：q4＜q1+q2+q3=305.2 L/min。

故確定主油路總流量：q=305.2 L/min。

3.3 主泵的選型

主泵的流量應(yīng)能夠滿足主油路流量的需求，主泵的壓力能夠隨負(fù)載的變化而變化?；诖?，選用負(fù)載敏感變量泵，這種泵具有高效節(jié)能的優(yōu)點。泵的排量計算如下：

式中：vb——泵的排量，mL/r；nf——發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速，取2000 r/min。

將數(shù)據(jù)代入式（4），得vb=152.6 mL/r，選擇力士樂A11VO190型負(fù)載敏感變量泵，泵的排量和壓力均滿足主油路要求。

3.4 計算主油路功率

主油路功率計算如下：

式中：Δp——壓差，取200 bar；q——流量，取305.2 L/min。

將上述結(jié)果代入式（5），得：P=101.7 kW。

3.4 計算輔油路功率

輔油路最大流量70 L/min，壓差200 bar，代入式（5），計算出輔油路功率為23.3 kW。

3.5 計算發(fā)動機功率

輔油路與主油路不同時工作，輔油路功率比主油路功率小，按主油路確定動力機的總功率，考慮機械損失，計算公式如下：

式中：PD——發(fā)動機功率，kW；P——液壓系統(tǒng)功率，取101.7 kW；η——發(fā)動機效率，取0.95。

計算出發(fā)動機功率為107.1 kW，選用6BTA 5.9-C160型柴油機（功率118 kW），滿足液壓系統(tǒng)功率要求。

4 液壓系統(tǒng)安裝與調(diào)試

4.1 液壓系統(tǒng)安裝

在充分理解液壓系統(tǒng)原理圖的基礎(chǔ)上，按照液壓系統(tǒng)管路圖對液壓系統(tǒng)管路進行安裝。液壓系統(tǒng)管路安裝一般包括如下幾個方面：一是從液壓油箱到液壓泵的管路安裝；二是從液壓泵到液壓閥的管路安裝；三是從液壓閥到各個執(zhí)行元件的管路安裝。圖4為鉆機液壓系統(tǒng)管路安裝的場景。

圖4 液壓系統(tǒng)管路安裝Fig.4 Hydraulic hose installation

4.2 液壓系統(tǒng)調(diào)試

鉆機液壓系統(tǒng)調(diào)試注意事項如下：（1）調(diào)試液壓系統(tǒng)時，要將所有螺栓和管路聯(lián)接都要細(xì)致檢查，避免出現(xiàn)螺栓未擰緊的現(xiàn)象。（2）要將各組液壓閥置于中位，要確保液壓油位高出液壓泵。（3）所有人員必須穿戴好安全防護設(shè)備，所有無關(guān)人員必須離開現(xiàn)場，發(fā)生危險時，任何一人都可叫停。（4）啟動液壓泵低速運轉(zhuǎn)，檢查液壓系統(tǒng)的密封狀況，先低壓、低速完成各個動作的空載調(diào)試，然后逐漸升高發(fā)動機轉(zhuǎn)速、逐漸升高液壓系統(tǒng)工作壓力，遵循逐漸加大負(fù)載和流量的原則，并逐步排盡液壓系統(tǒng)管路中的空氣，最后進行耐壓力試驗和最大負(fù)載試驗。

5 鉆機液壓系統(tǒng)參數(shù)檢測

鉆機制造完成后，委托第三方機構(gòu)對鉆機液壓系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)進行了檢測，檢測結(jié)果見表1。

表1 鉆機主要技術(shù)參數(shù)檢測Table 1 Main parameters of the drill rig

從表1可以看出，鉆機各主要技術(shù)參數(shù)的檢測數(shù)據(jù)均符合設(shè)計要求，各項偏差均在允許范圍之內(nèi)，液壓系統(tǒng)設(shè)計合理。

6 土壤采樣應(yīng)用

6.1 大直徑雙管采樣

中國東部省份對大直徑土壤采樣有較大需求，為此，研制了大直徑塑料管鉆具，分為內(nèi)、外管雙管鉆具，?108 mm外管采用雙線螺紋，為梯形扣，?50 mm內(nèi)管采用雙線螺紋，梯形扣，該套鉆具擰卸速度快。塑料管直徑80 mm，并設(shè)計了專用鉆頭。通過江蘇常州某地塊的調(diào)查項目應(yīng)用來看，這套鉆具能夠獲取大直徑土壤樣品（圖5），1.5 m長度塑料管內(nèi)的采樣質(zhì)量約13 kg，而Geoprobe 7822DT直推式環(huán)保取樣鉆機的最大采樣直徑為52 mm，采樣質(zhì)量約5.4 kg，?80 mm塑料管的采樣量是Geoprobe鉆機采樣量的2.4倍，能夠滿足平行樣、詳查和現(xiàn)場檢測的采樣量需要［19］。

圖5 大直徑塑料管樣品Fig.5 Sampling with the large diameter plastic pipe

6.2 半合管采樣

在北京某廠區(qū)開展了環(huán)境地質(zhì)調(diào)查項目。廠區(qū)場地平整，地表覆蓋草坪，0～1.0 m為回填土，1.0～4.5 m為粉質(zhì)粘土，4.5～6.0 m為粉砂層。

使用50 m聲頻環(huán)保鉆機和?108 mm半合管鉆具，完整、快速地獲取了地層原狀樣品（圖6），得到了業(yè)主的肯定。各地層采樣鉆速和采樣率見表2。

圖6 地層原狀樣品Fig.6 Undisturbed formation sample

表2 不同地層的機械鉆速和采取率Table 2 Drilling rate and recovery in different formation

從表2可以看出，粉質(zhì)粘土層的機械鉆速最快、取樣率最高，而粉砂層的鉆進速度最慢，采樣率最低，回填土的機械鉆速和采取率居中。由此可見，聲頻振動鉆進對于粉質(zhì)粘土地層有更好的鉆進和采樣效果。這是由于粉砂層的地層阻力最大，而粉質(zhì)粘土層的地層阻力最小，回填土層的地層阻力居中的原因。

6.3 復(fù)雜地層采樣

在遇到流砂、卵石等復(fù)雜地層時，單獨采用聲頻振動鉆進工藝，無法獲得有效的進尺和地層樣品。為了解決聲頻環(huán)保鉆機在復(fù)雜地層中的應(yīng)用難題，在鉆機上加裝了泥漿泵和動力頭水龍頭系統(tǒng)，采用振動+回轉(zhuǎn)的復(fù)合鉆進工藝，擴大了鉆機的地層適用范圍。

研制了泥漿泵安裝座，置于底盤后端，選用緊湊型液壓驅(qū)動泥漿泵，置于安裝座上方（圖7）。通過在液壓閥箱中增加一片閥組，從中引出兩根油管接到泥漿泵工作油口，即可驅(qū)動泥漿泵工作。

圖7 泥漿泵組件Fig.7 Mud pump assembly

6.3.1 泥漿泵流量計算

選用泥漿泵主要考慮在回轉(zhuǎn)鉆進時，能夠有效排出巖粉。沖洗液量不足時，巖屑不能及時排出孔底，造成重復(fù)破碎，影響鉆進效率。沖洗液量過大時，又會造成孔壁破壞和巖心破碎，一般沖洗液量的計算公式如下：

式中：Q——沖洗液量，L/min；β——上返速度不均勻系數(shù)，取1.1；D——由最大鉆頭外徑?jīng)Q定的孔徑或最大套管內(nèi)徑，取0.095 m；d——鉆桿外徑，取0.053 m；v——沖洗液上返流速，取0.32 m/s。

代入式（7），得Q=103 L/min，所以選用泥漿泵的泵量為100 L/min。

6.3.2 計算泥漿泵壓力

鉆孔過程中，為了克服沖洗液在循環(huán)系統(tǒng)中遇到的各種阻力，促成沖洗液的循環(huán)流動，沖洗液必須具有一定的壓力能，沖洗液在循環(huán)系統(tǒng)中的壓力損失主要由下式確定：

式中：k——附加阻力系數(shù)；P1——鉆桿內(nèi)的壓力損失；P2——環(huán)狀空間中的壓力損失；P3——接頭中的壓力損失；P4——巖心管和鉆頭中的壓力損失。

按鉆桿長度50 m，鉆桿直徑53 mm，鉆孔直徑95 mm計算，沖洗液量壓力損失P＜2 MPa。

綜上，選用了HDD100/8型泥漿泵。

6.3.3 水龍頭設(shè)計

在動力頭主軸下端安裝了水龍頭，水龍頭由芯軸、水套、水套固定座、密封圈和高壓管等組成（圖8）。水套固定座與動力頭之間采用螺栓聯(lián)接，用于固定水套，防止水套旋轉(zhuǎn)。工作中，動力頭主軸帶動芯軸旋轉(zhuǎn)，水套固定不轉(zhuǎn)，泥漿泵排出的水經(jīng)由高壓管進入水套與芯軸之間的環(huán)空，再經(jīng)鉆桿中部進入孔底，由環(huán)空間隙上返，形成正循環(huán)鉆進工藝。

圖8 動力頭水龍頭Fig.8 Water swivel of the top head

在河北保定某場地，地下15 m處出現(xiàn)流砂地層，利用聲頻環(huán)保鉆機和泥漿泵及水龍頭系統(tǒng)，使用?50 mm鉆桿和?89 mm巖心管，采用振動+回轉(zhuǎn)的復(fù)合鉆進工藝，實現(xiàn)了流砂層取樣（見圖9）。

圖9 流砂層取樣Fig.9 Sampling from the quicksand layer

在上述土壤采樣應(yīng)用過程中，鉆機液壓系統(tǒng)工作穩(wěn)定，安全可靠，液壓管線排布美觀，操控靈活方便，能夠滿足工程應(yīng)用要求。

7 結(jié)語

聲頻環(huán)保鉆機是一種用于土壤采樣調(diào)查的先進勘探裝備，鉆機液壓系統(tǒng)性能穩(wěn)定、操作方便、易于維護保養(yǎng)并便于維修，鉆機在土壤采樣調(diào)查項目中發(fā)揮了積極作用，大直徑采樣效果明顯，優(yōu)于直推式低頻沖擊環(huán)保取樣鉆機。通過改進增設(shè)泥漿泵和水龍頭系統(tǒng)，鉆機還能適合于流砂、卵石層等復(fù)雜地層中鉆進，進一步擴大了地層適用范圍，應(yīng)用前景廣闊。