王 瑜 劉寶林 周 琴 胡遠彪 高明帥

中國地質大學（北京）國土資源部深部地質鉆探技術重點實驗室，北京，100083

0 引言

液壓鉆機是進行能源勘探、環(huán)境取樣［1］、工程勘察、水井建設等工程的關鍵設備，廣泛用于煤礦采煤工作面瓦斯抽放孔、注水孔、探水孔、防突孔［2］、救援孔等的鉆進，以及地表淺層的鉆進取樣。目前使用廣泛的是旋轉式鉆機［3］，該鉆機一般需要泥漿配合鉆進，以防止燒鉆，并利用泥漿黏性護住井壁［4－5］，但泥漿的化學成分往往對樣品的擾動較大，且回轉鉆進方法在松散地層的鉆進速度較振動鉆進方法鉆進速度慢。

聲頻鉆進技術使用液壓驅動鉆進、無需泥漿［6］，是一種高效的新型振動鉆進技術［7－9］，目前，這一技術在國內尚屬空白［10］。本文分析了聲頻振動鉆進技術的工作原理，基于虛擬樣機技術設計了一種基于液壓馬達驅動的雙偏心慣性軸的聲頻振動鉆機，在虛擬樣機模擬分析的基礎上，制造了聲頻振動鉆機的實物樣機，對樣機的性能進行了測試，并進行了現(xiàn)場鉆進取樣實驗。

1 聲頻振動鉆進原理與特點

1.1 聲頻振動鉆進原理

雙偏心軸驅動的聲頻振動鉆進技術基本原理如圖1所示，激振器上安裝的兩個高速的液壓馬達分別驅動兩根質量為m的偏心軸形成偏心系統(tǒng)，偏心距為e，兩偏心系統(tǒng)以ω的角速度作高速旋轉，運動方向相反，當兩偏心系統(tǒng)初相位和轉速完全相等時，其產生的橫向力相互抵消，而在縱向（鉆桿軸向）上的合力得到加強，為兩個偏心系統(tǒng)產生的激振力之和，即軸向的激振力為

圖1 聲頻振動鉆進原理

當激振器的激振與鉆柱自然諧振頻率疊合時產生共振，振動的能量通過鉆桿傳遞到孔底，在高頻的激振能量作用下，鉆頭周圍的土壤被液化，鉆頭便高速排開周圍土壤進行鉆進；同時，在鉆桿內部裝有塑料的內管取樣筒，當鉆桿鉆進時，地層土壤進入取樣筒，鉆桿起到保護孔壁的作用，避免使用泥漿，使樣品遭到化學侵蝕，土壤也因此保持了高度的層狀關系。

1.2 聲頻振動鉆進特點

聲頻振動鉆進技術使用雙液壓馬達驅動偏心部分，以人耳能聽見的50～200Hz的頻率進行振動鉆進，由于不使用任何泥漿，故對樣品和環(huán)境沒有任何污染，能夠真正獲得連續(xù)的、非擾動的柱狀樣品；由于在鉆進過程中，鉆柱不回轉，或者僅作極低速旋轉以防止松扣，所以使得鉆柱與孔壁之間的摩擦阻尼大為減小，節(jié)省了動力輸出［11］。高頻的振動使土壤局部液化，鉆進速度快，比常規(guī)的鉆探方法速度快2～3倍，鉆探成本降低30%～60%，是一種高效、環(huán)保的新型鉆進技術。

聲頻振動鉆機目前在國外已經成功應用于地質勘探、淺層地熱開發(fā)、礦山救援、環(huán)境取樣、土壤修復、地震勘探、排水工程、炮彈探測、地基工程、礦產取樣、考古取樣、路基取樣、淺海取樣、靜力觸探、水井建設等領域［12］，特別是聲頻振動鉆進技術無需使用水，在干旱缺水地區(qū)、松散地層等工況條件下具有不可替代的優(yōu)勢［13］。

2 聲頻振動鉆機設計

2.1 鉆機整體技術方案

聲頻振動鉆機是實施聲頻振動鉆進技術的關鍵設備，在聲頻振動鉆進操作過程中必須具備提供向下的激振力與鉆壓、處理事故的向上起拔力，以及行走等輔助操作的能力。聲頻振動鉆機設計目標為振動鉆深50m。聲頻振動鉆機包括激振器、液壓系統(tǒng)、桅桿以及底盤支撐系統(tǒng)等四大部分。激振器由高速液壓馬達驅動，提供聲頻激振力，它是聲頻振動鉆機最關鍵的部分；桅桿提供聲頻激振器上下運動的軌道，其內部設置的起升液壓缸提供鉆進鉆壓與起拔力；液壓系統(tǒng)由柴油機驅動，是聲頻振動鉆機的動力來源；而底盤則將各種部件集成在上面，為鉆機的主要操作和輔助操作提供平臺。

利用虛擬樣機技術，在Solidwork2010環(huán)境下，根據鉆機各零部件的物理信息及其幾何信息建立三維模型，定義零部件間的連接關系并對機械系統(tǒng)進行虛擬裝配，形成的聲頻振動鉆機的虛擬樣機如圖2所示。在裝配的過程中，進行各部分的裝配分析，確定整體與各部分尺寸，防止零部件之間的干涉，并且設定一定的虛擬環(huán)境對聲頻鉆機激振器、桅桿等其他關鍵部件進行動力學分析、強度分析，在設計初期便可以發(fā)現(xiàn)問題［14－15］，而且可以直接修改缺陷，對聲頻振動鉆機進行整體改進，形成最優(yōu)設計方案。虛擬樣機技術在聲頻振動鉆機開發(fā)中的應用縮短了開發(fā)周期［16］，大大提高了設計質量和效率。

圖2 基于虛擬樣機技術的聲頻振動鉆機

2.2 聲頻激振器

聲頻激振器是聲頻振動鉆機最關鍵的設備，聲頻激振器主要包括回轉馬達、閥塊、支撐架、隔振器、偏心部分、振動體以及鉆桿接頭等部分，如圖3所示。

圖3 聲頻激振器虛擬樣機

馬達高速旋轉產生上下方向（鉆桿軸線方向）的自激振能量，帶動左右兩個偏心部分振動體振動，由隔振器將振動體與支撐架隔開，減少振動，以免振動傳遞到非振動部分。支撐架的上方裝有回轉馬達，以滿足聲頻振動鉆進過程中的緩慢旋轉以防止鉆桿脫扣。閥塊的主要作用是對進入兩個振動馬達、回轉馬達中的流量進行分配，同時將馬達回油進行合流，并保證泄油通道暢通。激振器振動時，整個振動體以50～200Hz的頻率作振動，通過鉆桿接頭傳遞到鉆桿上，并傳播到孔底。激振器整體安裝在桅桿上，通過桅桿內部的加壓油缸的控制，使鉆頭一直保持一定的鉆壓進行鉆進。激振器鉆桿接頭為中空結構，作為預備的泥漿循環(huán)通道，以適應某些需要使用回轉鉆進的特殊場合。

2.3 聲頻振動液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)為聲頻振動、進給以及起升桅桿、鉆機行走、液壓支腿等輔助動作提供動力，并對動作進行控制。為達到設計目標，提高液壓系統(tǒng)使用效率，聲頻振動鉆機的液壓系統(tǒng)采用了1個主油路和1個輔助油路的開式系統(tǒng)，系統(tǒng)工作壓力為21MPa。

圖4所示為聲頻振動鉆機液壓原理，主油路Ⅰ采用了負載敏感變量泵和負載敏感多路比例換向閥6的油路系統(tǒng)、驅動振動馬達和回轉馬達1以及兩個行走馬達2。由于鉆機在進行作業(yè)操作時，行走馬達并不工作，因此保證了作為主要動作的振動和低速回轉的流量要求。主系統(tǒng)多路閥采用摩擦定位和壓力補償，具有良好的線性輸出特性以及在不同流量和負載作用下的工作獨立性。帶有負載的敏感泵和多路閥組成的控制回路能根據負載的壓力反饋自動調節(jié)系統(tǒng)流量，使不同鉆深所需要的功率與液壓系統(tǒng)的輸出功率相匹配，減少系統(tǒng)能量損失和系統(tǒng)發(fā)熱。

圖4 聲頻振動鉆機液壓原理圖

輔助油路Ⅱ采用恒壓泵和多路閥8驅動桅桿起升液壓缸3、液壓支腿液缸4以及進給液壓缸5動作。起升液壓缸3和液壓支腿液缸4均設置液壓鎖，以保證液壓缸能夠長時間進行保壓。進給液壓缸設置了節(jié)流閥9進行激振器提升和下放時的速度控制，壓力閥10則控制進給液壓缸工作壓力，以控制鉆進時的鉆壓要求。

主回路和輔助回路的回油合流后，經冷卻器、過濾器進入油箱。液壓系統(tǒng)主輔泵采用雙聯(lián)泵，由康明斯渦輪增壓柴油機進行驅動，柴油機配置三重冷卻器為液壓油、渦輪廢氣、柴油機冷卻水同時進行冷卻，保證了液壓系統(tǒng)溫升可控，液壓系統(tǒng)簡單、穩(wěn)定可靠。

3 聲頻振動鉆機實驗

聲頻振動鉆進中的振動能量來自激振器，而鉆桿則傳遞振動的能量，通過鉆桿將振動與土壤之間的相互作用建立起聯(lián)系。在開發(fā)過程中，對聲頻激振器的能量產生效果和振動鉆進效果進行了實驗。

3.1 激振器振動能量測試

激振器在振動時，周期性地輸出上下方向（鉆桿方向）的激振力，通過對振動體振動的加速度和振動體質量進行測試，即可測定聲頻振動輸出的能量。測試系統(tǒng)硬件采用美國NI公司的USB－6210即插即拔型高速數據采集卡，利用Lab－View2009編寫聲頻振動虛擬儀器測試軟件系統(tǒng)，測試系統(tǒng)具有采集參數設置、數據實時顯示、數據文件保存、數據濾波等功能。測試系統(tǒng)運行平臺為ThinkPad T410便攜式計算機，采集數據精度達16位，最高采樣速率為250Hz，高速的硬件配置為數據采集提供可靠保證，測試現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 激振器測試現(xiàn)場

測試傳感器采用朗斯LC0123型加速度計，測量范圍為－500g～500g，通過調理器后輸出信號為±5V，數據采集采用雙通道差分輸出。圖6為數據采集頻率為3000Hz，液壓馬達轉速達到12 000r／min時所實測的振動體加速度曲線。從曲線上可以看出，此轉速下聲頻激振器輸出最大加速度約為200g，振動加速度輸出振動規(guī)律穩(wěn)定，基本呈現(xiàn)正弦關系，考慮到振動體質量約為90kg，不帶鉆桿空載時，輸出激振力約17.6kN，為鉆進提供了足夠的能量。

圖6 振動體激振加速度曲線

3.2 鉆進現(xiàn)場測試

鉆機裝配成功后，2011年11月初在中國煤田地質總局的配合下，在河北涿州地表沉積層進行了現(xiàn)場鉆進與取樣實驗，實驗中采用外徑為50mm的普通地質鉆桿，取心筒直徑為108mm。實驗實際取心回次為23次，鉆進47m，穿越多個交替的粘土層、砂層、礫石層，最大取樣長度達到取樣筒長度（3m），總體取樣率達到90%以上，部分取心回次取心率最低也達到63%，礫石層中最大的鵝卵石直徑達到了80mm，部分礫石被排開或者切斷。

實驗過程中，雙偏心軸驅動的聲頻振動鉆進速度快，最大鉆速達0.31m／s，取樣效率高、鉆進能力強，實際鉆進過程中沒有使用任何水或泥漿，樣品地層分界明顯，地質信息完整，達到了聲頻振動鉆機設計的目標。

4 結語

本文采用虛擬樣機技術，開發(fā)了基于雙偏心慣性軸的聲頻振動鉆機的虛擬樣機與實物樣機，在此基礎上開展了聲頻振動室內實驗研究，以及現(xiàn)場鉆進實驗研究。實驗證明：基于液壓馬達驅動的雙偏心慣性軸的聲頻振動鉆進技術可行，鉆進速度快、取樣無擾動、質量高，鉆進振動能量密度大，無水鉆進過程環(huán)保、高效。在干旱缺水地區(qū)、松散地層等工況條件下具有不可替代的作用，在資源和環(huán)境問題日益受到重視的今天具有良好的發(fā)展前景。

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