張 燕

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川成都 611734)

聲波鉆進(jìn)振動(dòng)器的結(jié)構(gòu)原理淺析

張 燕

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川成都 611734)

聲波鉆進(jìn)技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的不斷改進(jìn)發(fā)展,取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,目前在國(guó)外得到廣泛應(yīng)用。為加快我國(guó)聲波鉆進(jìn)技術(shù)研究進(jìn)展,對(duì)國(guó)外用于聲波鉆進(jìn)的三種振動(dòng)器的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了分析。

聲波鉆進(jìn);振動(dòng)器;結(jié)構(gòu);原理

0 引言

聲波鉆進(jìn)是一種新型鉆探技術(shù)方法,它把高頻振動(dòng)力、回轉(zhuǎn)力和壓力三者結(jié)合在一起,使鉆頭鉆入土層或軟巖進(jìn)行鉆探或其它鉆孔工程。國(guó)外自 20世紀(jì) 70年代研制成功適用于鉆進(jìn)的小功率振動(dòng)器(100 HP)后,80年代在美國(guó)的環(huán)境鉆探工作中,由于其鉆進(jìn)速度快、巖心樣品保真度高、鉆進(jìn)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生二次污染,得到廣泛應(yīng)用。90年代以后,經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)和多方面的應(yīng)用試驗(yàn),聲波鉆進(jìn)技術(shù)日趨成熟。鉆探工作量不斷增加,出現(xiàn)了許多聲波鉆進(jìn)承包商,如美國(guó)的 Boart Longyear公司環(huán)境鉆探部、Bowser-Morner公司、Prosonic公司、加拿大的 sonic Drilling公司等。聲波鉆進(jìn)設(shè)備制造商也較多,如美國(guó)的 Versa-Drill國(guó)際公司、Acker Drill公司、Gus Pech制造公司、加拿大的 Sonic Drill公司、日本的利根公司等。目前,除美國(guó)外,聲波鉆進(jìn)技術(shù)在加拿大、荷蘭、非洲、澳大利亞、圭亞那和亞洲等國(guó)家和地區(qū)得到應(yīng)用。應(yīng)用范圍包括地質(zhì)勘探、水文水井鉆進(jìn)、滑坡勘察與治理、地?zé)岵膳O(shè)備安裝、地震爆破孔施工等幾乎所有的鉆探領(lǐng)域。在我國(guó),聲波鉆進(jìn)還屬于空白。

聲波鉆進(jìn)的關(guān)鍵設(shè)備是聲波鉆進(jìn)頭,也就是振動(dòng)器。振動(dòng)器能夠產(chǎn)生縱向正弦壓力波,該正弦壓力波傳遞到與鉆頭連接的鉆桿上。當(dāng)振動(dòng)與鉆桿的自然諧振頻率疊合時(shí),就會(huì)產(chǎn)生共振。此時(shí)鉆桿的作用就像飛輪或彈簧一樣,把極大的能量直接傳給鉆頭。振動(dòng)器產(chǎn)生的高頻振動(dòng)頻率可以調(diào)節(jié),頻率通常為 50～185 Hz。目前,國(guó)外聲波鉆進(jìn)振動(dòng)器產(chǎn)生正弦壓力波的方式已經(jīng)知道有 3種類型:機(jī)械式振動(dòng)器、液壓式振動(dòng)器、壓電式振動(dòng)器。

1 機(jī)械式振動(dòng)器

(1)采用直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械振動(dòng)的聲波鉆機(jī)的例子見(jiàn) R.Roussy的 2個(gè)相關(guān)美國(guó)專利 5027908和5409070,Roussy設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是:一個(gè)馬達(dá)通過(guò)一對(duì)帶花鍵的齒輪連接和驅(qū)動(dòng)水平軸,水平軸借助于帶花鍵連接、具有球形末端的第二根軸與轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄連接,一對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄驅(qū)動(dòng)一對(duì)偏心滾輪反向旋轉(zhuǎn),每個(gè)滾輪裝在圓柱形腔體中,反向旋轉(zhuǎn)的偏心滾輪的不平衡力形成垂直軸和鉆桿的上下振動(dòng)。

(2)美國(guó)專利 730628是機(jī)械式振動(dòng)器的另一個(gè)例子,圖 1為聲波鉆進(jìn)頭的正視圖,圖中 1是聲波鉆進(jìn)頭,2是聲波鉆進(jìn)頭的上帽形蓋,在殼體的右上方是旋轉(zhuǎn)樞軸的驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 3,4、5、6、7是外殼形狀,8是下帽形蓋,9是外部管線,殼體的左邊為潤(rùn)滑油泵10,11是油管,而聲波振動(dòng)器驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 12位于殼體的頂端。

圖 2是從圖 1中提取出的正弦發(fā)生器和心軸的縱向剖視圖。圖 3是圖 2沿 5-5線的橫向斷面圖。其設(shè)計(jì)特點(diǎn)是:振動(dòng)力通過(guò)正弦波或振動(dòng)波發(fā)生器69作用于心軸 30。如圖 2、圖 3所示,正弦波發(fā)生器包括:第一對(duì)偏重塊 70、72;第二對(duì)偏重塊 74、76。每個(gè)偏心重塊具有通孔 78,通孔 78造成偏心以實(shí)現(xiàn)重塊的不平衡。每個(gè)偏重塊還具有外圓周面 80,外圓周面 80是一段軸頸用于承受來(lái)自軸承 82的旋轉(zhuǎn)負(fù)載,而軸承 82安裝在正弦發(fā)生器 84外殼的軸承蓋 83中,以便支撐偏重塊。因此,偏重塊承受了來(lái)自軸承 82的相對(duì)于軸承蓋的旋轉(zhuǎn)負(fù)荷。如圖 3所示,第一對(duì)偏重塊 70與 72同軸于 A1,而第二對(duì)偏重塊 74、76繞同一根軸 A2旋轉(zhuǎn),A1與 A2垂直相交。它們還與心軸的軸線A3相交。

圖1 聲波鉆進(jìn)頭的正視圖

圖2 正弦發(fā)生器和心軸的縱向剖視圖

圖3 圖2沿5-5線的橫向斷面圖

第一對(duì)偏重塊 70和 72在其帶齒 89的末端都有一個(gè)圓錐面 88,而齒 89沿著整個(gè)錐形面 88擴(kuò)展。第二對(duì)偏重塊 74、76也有一個(gè)錐形面 90,90比88要短些并帶有相對(duì)較短的齒 92。與齒 89嚙合的較短的齒 92最靠近心軸 30的軸線。螺旋傘齒輪94包括與齒 89嚙合的齒 95。螺旋傘齒輪 94承受來(lái)自軸承 96的旋轉(zhuǎn)負(fù)載,軸承 96安裝在連接器 66上。軸承 96的外圈通過(guò)連接器 66內(nèi)徑上的凸緣97定位,而內(nèi)圈的定位是通過(guò)軸承止動(dòng)鎖緊螺栓 98旋入螺旋傘齒輪94的外徑來(lái)保證的。因此,螺旋傘齒輪 94旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)偏重塊 70和 72相對(duì)于心軸 30旋轉(zhuǎn),偏重塊 70和 72又依次通過(guò)齒 89和 92帶動(dòng)偏重塊 74和 76的旋轉(zhuǎn)。正弦發(fā)生器 84在上部和底部有潤(rùn)滑油 (圖中未顯示)直接噴射到偏重塊的齒輪齒面上。這 4個(gè)偏心塊的外殼83由螺栓(圖中未顯示)緊固在正弦發(fā)生器外殼 84上,且具有用來(lái)潤(rùn)滑軸承的潤(rùn)滑油通道。

在鉆進(jìn)作業(yè)中,螺旋傘齒輪 94由驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 12 (圖 1)驅(qū)動(dòng)。由于螺旋傘齒輪 94與偏重塊 70、72相嚙合,因此螺旋傘齒輪旋轉(zhuǎn)也帶動(dòng)偏重塊 70和72旋轉(zhuǎn)。由于偏重塊 70、72與偏重塊 74、76連接,偏重塊 74、76也被帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。值得注意的是,后者與 70、72的旋轉(zhuǎn)方向是相反的。另外螺旋傘齒輪94不是與 74、76直接嚙合,因此,這些偏重塊反向旋轉(zhuǎn)并相對(duì)與軸承蓋 83旋轉(zhuǎn),從而形成一個(gè)反作用力的振動(dòng)系統(tǒng)。振動(dòng)是通過(guò)心軸 30傳遞給鉆入地層中的鉆桿和鉆頭的(圖中未顯示)。

機(jī)械式振動(dòng)器是目前聲波鉆進(jìn)廣泛采用的振動(dòng)器,這種振動(dòng)器存在摩擦問(wèn)題,而且具有較高的機(jī)械載荷作用在組件上。

2 液壓式振動(dòng)器

液壓式振動(dòng)器是為了解決機(jī)械式振動(dòng)器存在的問(wèn)題而出現(xiàn)的,美國(guó)專利 7234537就是這類振動(dòng)器的一個(gè)例子,該專利于 2007年由美國(guó)專利局公開(kāi)。

圖 4是液壓式聲波鉆進(jìn)頭的示意圖,1是聲波鉆進(jìn)頭,它位于地面 2上,圓筒 3的上端是壓重物4,工作活塞 5在圓筒 3的內(nèi)腔中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。工作活塞 5與活塞桿 6相連,活塞桿 6的一端 6a伸入壓重物 4的內(nèi)腔 4a中,液體密封 8位于 4a中,保證在圓筒 3的內(nèi)腔和周圍環(huán)境之間的密封?；钊麠U 6a的另一端延伸穿過(guò)密封圈 9,9裝在圓筒 3的內(nèi)腔末端,以保證工作活塞 5之下的圓筒 3的內(nèi)腔孔與周圍環(huán)境之間的密封?；钊麠U 6在地面 2與鉆桿 11連接。

圖4 液壓式聲波鉆進(jìn)示意圖

圖5 圓筒中活塞的截面圖(活塞處于中間位置)

圖 5是圓筒中活塞的截面圖,其設(shè)計(jì)特點(diǎn)是:圓筒腔體中包括接通高壓液流的進(jìn)入通道 12和孔13,腔體中還包括第一排出通道 14和排出口 15、第二排出通道 16和排出口 17;工作活塞 5包括第一液流通道20,20與活塞5的軸向表面中的開(kāi)口21連通,20沿著活塞 5軸向延伸到活塞 5的環(huán)槽脊 23中的出口 22處;開(kāi)口 21偏離活塞 5的縱向中心;活塞 5還包括第二液流通道 25,25的一端與活塞 5的軸向表面中的開(kāi)口 26連通,另一端延伸到活塞 5的環(huán)槽脊 28中的出口 27處;開(kāi)口 26和開(kāi)口 21等距離、相對(duì)偏離活塞 5的縱向中心。

圓筒腔體中還具有一個(gè)調(diào)節(jié)孔 36,它通過(guò)通道37在活塞 5的上下方與腔體 38連通,調(diào)節(jié)活塞 40可在調(diào)節(jié)孔 36中自由往復(fù)運(yùn)動(dòng),密封圈 41安裝在活塞 40的兩端,防止液流流過(guò)密封圈。

鉆進(jìn)時(shí),液流在壓力下被輸送到入口 13并進(jìn)入通道 12,通道 12環(huán)繞圓筒腔體壁 360°延伸。當(dāng)活塞處于圖 6位置時(shí),如箭頭所示壓力液流將進(jìn)入第一液流通道 20,通過(guò)出口 22進(jìn)入腔體 38。在此位置出口通道 17被關(guān)閉,而出口通道 14開(kāi)啟,值得注意的是無(wú)論何時(shí)活塞上下的腔體 38保持與通道 37連同,從而連同孔 36。

圖 6 圓筒中活塞的截面圖(活塞處于上行位置)

液流壓力將作用在活塞的環(huán)槽脊 23上,使活塞向箭頭A-A所示方向運(yùn)動(dòng),隨著活塞的上行,將關(guān)閉第一液流通道 20的進(jìn)入通道 12,還將關(guān)閉腔體38的出口 14。當(dāng)活塞上行一段距離時(shí),第一液流通道 20、開(kāi)口 21關(guān)閉,還將關(guān)閉腔體 38的出口 14,活塞之上腔體 38中的液流將由通道 37流入孔 36中。液流壓力將作用在調(diào)節(jié)活塞 40的上端面,活塞 40向箭頭所示方向運(yùn)動(dòng),使腔體 38中的壓力得以釋放,預(yù)防在活塞之上腔體 38中形成過(guò)大的壓力,使活塞 5完成其沖程。

隨著活塞 5沿著圖 6箭頭 A-A所示方向運(yùn)動(dòng),第二液流通道 25的開(kāi)口 26將與入口 12連通,液流在壓力下流過(guò)第二液流通道 25和開(kāi)口 27進(jìn)入活塞之上腔體 38中?；钊恢鄙闲兄钡降竭_(dá)圖 7所示位置,在這一階段,經(jīng) 38、27進(jìn)入第二液流通道25的液流壓力將作用在活塞 5上使其返回開(kāi)始第二次循環(huán)。

圖7 圓筒中活塞的截面圖(活塞處于下行位置)

如圖 6、圖 7所示,活塞 5的往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)力將作用在鉆桿上,振動(dòng)與鉆桿的自然諧振頻率疊合時(shí),就會(huì)產(chǎn)生共振,把極大的能量直接傳給鉆頭,實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)。

3 壓電式振動(dòng)器

專利合作條約組織頒布的專利WO/2001/ 083933是壓電式振動(dòng)器的一個(gè)例子。

壓電式聲波振動(dòng)器由金屬 -壓電陶瓷 -金屬組成,就象夾心三明治,通過(guò)螺栓把它們緊壓在一起,它可在非常寬的溫度范圍內(nèi)工作。在高電壓作用下,壓電式振動(dòng)器產(chǎn)生振動(dòng),并通過(guò)一機(jī)構(gòu)使振動(dòng)增強(qiáng),該振動(dòng)力作用在鉆桿上,使鉆桿產(chǎn)生共振,把共振形成的極大的能量直接傳給鉆頭。

4 結(jié)語(yǔ)

目前,國(guó)外聲波鉆機(jī)廣泛采用的是機(jī)械式振動(dòng)器,這類振動(dòng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,存在摩擦及機(jī)械負(fù)荷大等問(wèn)題。近兩年出現(xiàn)的液壓式振動(dòng)器結(jié)構(gòu)比機(jī)械式簡(jiǎn)單,克服了機(jī)械式振動(dòng)器存在的問(wèn)題,是聲波鉆進(jìn)振動(dòng)器的新的發(fā)展方向。壓電式振動(dòng)器專利早在2001年就已公布,但至今未見(jiàn)到用于聲波鉆進(jìn)的實(shí)例,還處于探索階段。

[1] 葉成明,李小杰,劉迎娟.淺析聲波鉆進(jìn)技術(shù)[J].勘察科學(xué)技術(shù),2007,(5):29-31.

[2] Lange James,Smith Brian.Sonic Drilling Head[P].美國(guó)專利: US730628,2003-08-12.

[3] Garrick Ross Jehusson,Christchurch.Sonic Drilling[P].美國(guó)專利:US7234537,2007-06-26.

[4] Bar2Cohen,Yoseph,etc.Smart2ultrasonic/Sonic Drilling/Corer [P].專利合作條約組織:WO/2001/083933,2001-11-08.

Analysis on the Structure Principle of Son ic Drill ing Vibrator

ZHANG Yan(The Institute of Exploration Technology, CAGS,Chengdu Sichuan 611734,China)

Sonic drilling technology has made considerable progress through improving and developing in several decades and iswidely applied abroad.Analysiswasmade on the structure principle of 3 types of vibrator used for sonic drilling a2 broad to speed up the reseach progress of sonic drilling in China.

sonic drilling;vibrator;structure;principle

P634.3

A

1672-7428(2010)07-0077-04

2010-02-25

張燕(1960-),女(漢族),四川人,中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所高級(jí)工程師,探礦工程專業(yè),從事科研和情報(bào)信息工作,四川省成都市郫縣成都現(xiàn)代工業(yè)港(北區(qū))港華路139號(hào)。