YSZ-50型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)的研制

吳 浩，陸衛(wèi)星，任曉飛，趙曉冬，劉寶林

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

YSZ-50型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)的研制

吳 浩1，陸衛(wèi)星1，任曉飛1，趙曉冬1，劉寶林2

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

聲頻振動(dòng)鉆進(jìn)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展較快的新型鉆探技術(shù)，主要利用聲頻振動(dòng)頭產(chǎn)生的高頻振動(dòng)力，引起鉆柱系統(tǒng)的共振，并帶來(lái)土體的局部液化，實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)和高質(zhì)量地質(zhì)取樣。主要介紹了YSZ-50型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主要技術(shù)參數(shù)和特點(diǎn)以及取樣試驗(yàn)。

聲頻振動(dòng)鉆探技術(shù);高頻振動(dòng);YSZ-50型聲頻振動(dòng)鉆機(jī);振動(dòng)器;地質(zhì)取樣

1 概述

傳統(tǒng)淺層地質(zhì)取樣方法包括壓入法、沖入法、回轉(zhuǎn)擊入法等［1］。壓入法是利用機(jī)械或液壓油缸的靜壓力鉆進(jìn)取樣，由于受給進(jìn)力的限制，一般取樣深度不超過(guò)10 m。擊入法靠落錘自重?fù)舸蛉鱼@具進(jìn)行取樣，但受落錘自重和落距限制，取樣深度也較淺，一般在30 m以淺，且該法容易對(duì)地質(zhì)樣品造成壓縮?；剞D(zhuǎn)擊入法采用泥漿進(jìn)行正/反循環(huán)鉆進(jìn)取樣，鉆深可達(dá)50～100 m，但泥漿容易進(jìn)入樣品，破壞樣品的原狀性。這些傳統(tǒng)地質(zhì)取樣方法都容易對(duì)土體造成不同程度的擾動(dòng)和污染，難以獲取原狀、真實(shí)的地質(zhì)樣品，迫切需要開(kāi)發(fā)新型的鉆探取樣技術(shù)和設(shè)備。

聲頻振動(dòng)鉆探技術(shù)（sonic drilling technology）是近年來(lái)發(fā)展速度較快的新型鉆探取樣技術(shù)，它利用振動(dòng)頭內(nèi)對(duì)稱(chēng)分布的偏心塊（軸）的高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生150～200 Hz的高頻振動(dòng)力，屬于聲音頻率范圍（20～20000 Hz），輔以回轉(zhuǎn)力和靜壓力，三者結(jié)合在一起使鉆頭切入土層或軟巖，加深鉆孔（見(jiàn)圖1）。當(dāng)振動(dòng)體與鉆柱的自振頻率疊合時(shí)，產(chǎn)生共振及駐波，將極大的能量直接傳遞給鉆頭（見(jiàn)圖2）［2］。另外高頻振動(dòng)使鉆頭排開(kāi)前進(jìn)路徑上的物質(zhì)，甚至引起周?chē)亮５木植恳夯ㄒ?jiàn)圖3）。上述三者的綜合作用可實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)和高質(zhì)量取樣，通常鉆孔深度為120 m，巖土樣品直徑為100 ～300 mm［3］。

20世紀(jì)四五十年代，美國(guó)和蘇聯(lián)最早開(kāi)始聲頻振動(dòng)鉆探技術(shù)的研究［3，4］。20世紀(jì)90年代，荷蘭投入巨資和人力開(kāi)展實(shí)用化研發(fā)工作，取得初步效果，21世紀(jì)初開(kāi)始生產(chǎn)樣機(jī)并進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)。2005～2007年，日本、加拿大、美國(guó)開(kāi)始與荷蘭合作研發(fā)聲頻振動(dòng)鉆機(jī)，進(jìn)展迅速。國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究起步較晚，2005年中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）得到科技部國(guó)際合作項(xiàng)目支持，2007年研發(fā)成功我國(guó)首臺(tái)聲頻振動(dòng)鉆機(jī)樣機(jī)，設(shè)計(jì)振動(dòng)深度30 m［5］。經(jīng)初步試驗(yàn)，基本實(shí)現(xiàn)聲頻振動(dòng)取樣要求，但仍需改進(jìn)。在此基礎(chǔ)上，2010年7月5日中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第二勘探局與中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）簽訂合作協(xié)議，進(jìn)行振深50 m鉆機(jī)的設(shè)計(jì)。2011年8月9日，兩家聯(lián)合研制成功YSZ-50型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)，經(jīng)工業(yè)性生產(chǎn)試驗(yàn)，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)聲頻振深50 m的淺層特種勘探取樣鉆機(jī)領(lǐng)域的空白。

圖1 高頻振動(dòng)力的產(chǎn)生

圖2 駐波的產(chǎn)生

圖3 土體的局部液化

2 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

YSZ-50型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)由聲頻振動(dòng)頭、桅桿及給進(jìn)系統(tǒng)、底盤(pán)及履帶行走機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和操作臺(tái)組成（見(jiàn)圖4）。

2.1 聲頻振動(dòng)頭

聲頻振動(dòng)頭是YSZ-50型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)的核心裝置，可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)、回轉(zhuǎn)、振動(dòng)+回轉(zhuǎn)3種鉆進(jìn)方式，主要由回轉(zhuǎn)馬達(dá)、安裝座、振動(dòng)器、安全托板4部分組成（見(jiàn)圖5）。

圖4 YSZ-50型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)

圖5 聲頻振動(dòng)頭

回轉(zhuǎn)馬達(dá)采用低速大扭矩馬達(dá)，轉(zhuǎn)速可在0～200 r/min之間無(wú)級(jí)調(diào)速，扭矩達(dá)2433 N·m，適合于多種鉆探工藝。安裝座聯(lián)接回轉(zhuǎn)馬達(dá)與振動(dòng)器，既作為回轉(zhuǎn)馬達(dá)的安裝座，又作為懸掛振動(dòng)器的承載體。

振動(dòng)器由對(duì)稱(chēng)分布的2個(gè)偏心軸組成，偏心軸由進(jìn)口高速液壓馬達(dá)（稱(chēng)振動(dòng)馬達(dá)）驅(qū)動(dòng)，最大轉(zhuǎn)速可達(dá)12000 r/min，即最大振動(dòng)頻率200 Hz，兩根偏心軸轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相反。經(jīng)過(guò)短暫的運(yùn)轉(zhuǎn)之后，能很快的達(dá)到自同步振動(dòng)［5］，但為了更好地保證兩根偏心軸的完全同步，在振動(dòng)馬達(dá)相反側(cè)加裝了同步帶、同步輪的強(qiáng)制同步機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖6）。

圖6 強(qiáng)制同步機(jī)構(gòu)

安全托板起到防止振動(dòng)器突然掉落而造成安全事故的作用。振動(dòng)器的高頻振動(dòng)通過(guò)2根隔振銷(xiāo)軸上的減振彈簧予以消除，減振彈簧采用金屬橡膠材料。

2.2 桅桿及給進(jìn)系統(tǒng)

鉆機(jī)桅桿由起塔油缸、給進(jìn)油缸、滑移油缸、桅桿體和鏈條組成，桅桿體采用300 mm×300 mm×6 mm的方管，方管長(zhǎng)約5.0 m，起塔油缸用于將桅桿體立起和放倒，給進(jìn)油缸和動(dòng)滑輪組成油缸鏈條倍速給進(jìn)機(jī)構(gòu)，給進(jìn)行程3.5 m。滑移油缸可使桅桿體滑移落地，提高了鉆機(jī)工作的穩(wěn)定性。

2.3 底盤(pán)及履帶行走機(jī)構(gòu)

底盤(pán)與履帶行走機(jī)構(gòu)采用分體結(jié)構(gòu)。底盤(pán)由矩形框架和4個(gè)液壓支腿組成，矩形框架由槽鋼和方管焊接組成。底盤(pán)的一側(cè)布置鉆機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)與操作臺(tái)，另一側(cè)布置駕駛臺(tái)、液壓油箱和柴油箱。中間部分是桅桿支架和起塔油缸。底盤(pán)的四角安裝支腿油缸，用于支撐和平衡鉆機(jī)。采用橡膠履帶，履帶行走馬達(dá)采用國(guó)產(chǎn)IKY2.52.5-1600型液壓馬達(dá)，行走速度2～4 km/h，爬坡角度30°。

2.4 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要由液壓泵、液壓馬達(dá)、油缸、液壓閥、液壓油箱、夾持器等組成，采用三合一冷卻器冷卻液壓油，液壓系統(tǒng)采用多泵-多系統(tǒng)，液壓泵為雙聯(lián)泵，排量分別為100 mL/r和28 mL/r，主泵驅(qū)動(dòng)油路和輔泵驅(qū)動(dòng)油路，形成2個(gè)液壓油路，共用過(guò)濾器和液壓油箱，油箱容積420 L。夾持器選用黃海機(jī)械廠全液壓動(dòng)力頭巖心鉆機(jī)用液壓夾持器，外形緊湊、夾持鉆桿牢固，提高了鉆進(jìn)工作的安全性。液壓系統(tǒng)原理見(jiàn)圖7。

圖7 液壓系統(tǒng)原理圖

主泵驅(qū)動(dòng)油路由負(fù)載敏感變量泵、HPV三聯(lián)閥、HPV兩聯(lián)閥（均為負(fù)載敏感換向閥）、2個(gè)振動(dòng)馬達(dá)、回轉(zhuǎn)馬達(dá)、給進(jìn)油缸和履帶行走馬達(dá)組成，HPV三聯(lián)閥控制振動(dòng)馬達(dá)、回轉(zhuǎn)馬達(dá)和給進(jìn)油缸，HPV兩聯(lián)閥控制履帶行走馬達(dá)。主泵的輸出壓力可以根據(jù)負(fù)載壓力的變化隨時(shí)調(diào)節(jié)，同時(shí)流量可以通過(guò)負(fù)載敏感多路閥上的節(jié)流功能來(lái)調(diào)節(jié)，減少了系統(tǒng)能量損失。

振動(dòng)馬達(dá)選用F11系列Parker高速馬達(dá)，額定排量為4.9 mL/r，最大持續(xù)輸入流量63 L/min。在系統(tǒng)工作壓力21 MPa、總效率0.8的情況下，2個(gè)振動(dòng)馬達(dá)的輸出功率35.3 kW。選用GM2-630型回轉(zhuǎn)馬達(dá)，額定排量623 mL/r，最大輸出扭矩2433 N·m，振動(dòng)+回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)最高輸出轉(zhuǎn)速200 r/min，最大持續(xù)輸入流量124.6 L/min，在系統(tǒng)工作壓力21 MPa、總效率0.8的情況下，其輸出功率39.2 kW。

輔泵驅(qū)動(dòng)油路由排量28 mL/r的恒壓變量泵、4個(gè)支腿油缸、起塔油缸、滑移油缸、夾持器油缸組成。該油路由九聯(lián)換向閥控制。所有油缸均帶有液壓鎖，可使油缸鎖定在任意位置，從而保證夾持器的夾持力、動(dòng)力頭輸出軸與鉆孔軸線的同心、桅桿的垂直度。起塔油缸加裝了平衡閥，可減少立起桅桿時(shí)的液壓沖擊和晃動(dòng)［6］。

給進(jìn)油缸采用了主泵、輔泵合流的措施，可以增加給進(jìn)和提升的速度，有效減少提鉆輔助時(shí)間的消耗，提高了鉆進(jìn)效率?；赜捅硥旱拇嬖诳墒菇o進(jìn)速度更加穩(wěn)定，使鉆速對(duì)鉆壓的波動(dòng)影響較小，從而減少對(duì)鉆頭切削刃上的動(dòng)載作用，延長(zhǎng)鉆頭壽命。

2個(gè)液壓油路的設(shè)置使聲頻振動(dòng)頭、桅桿及給進(jìn)系統(tǒng)、底盤(pán)及履帶行走機(jī)構(gòu)等各系統(tǒng)均能在額定負(fù)荷條件下獨(dú)立工作，有效地減少液壓系統(tǒng)的發(fā)熱和能量損失，提高各系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

3 主要技術(shù)參數(shù)和特點(diǎn)

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

YSZ-50型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)為:振動(dòng)深度50 m，給進(jìn)行程3500 mm，振動(dòng)頻率0～200 Hz，伸縮行程250 mm，最大激振力140 kN，柴油機(jī)功率131 kW，動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速0～200 r/min，行走速度2～4 km/h，動(dòng)力頭扭矩0～2433 N·m，系統(tǒng)工作壓力21 MPa，最大起拔力62 kN，最大加壓力31 kN，鉆機(jī)質(zhì)量5500 kg，運(yùn)輸狀態(tài)外形尺寸為5540 mm×2200 mm×2320 mm。

3.2 主要特點(diǎn)

YSZ-50型全液壓聲頻振動(dòng)鉆機(jī)專(zhuān)門(mén)針對(duì)淺層特種勘探取樣工程領(lǐng)域設(shè)計(jì)，具有以下主要特點(diǎn):

（1）全液壓驅(qū)動(dòng)、采用負(fù)載敏感控制系統(tǒng)，高效節(jié)能。

（2）配備0～200 Hz的聲頻振動(dòng)頭，可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)、回轉(zhuǎn)、振動(dòng)+回轉(zhuǎn)3種鉆進(jìn)方式，鉆進(jìn)速度快，處理孔內(nèi)事故能力強(qiáng)。廣泛應(yīng)用于環(huán)境鉆探、巖土工程鉆探、水文水井鉆探、物探爆破孔和淺層地源熱泵孔施工等諸多領(lǐng)域，同時(shí)還適用于第四系松散軟地層的鉆探取樣。

（3）取樣質(zhì)量高，取樣完整，取樣率高達(dá)94%以上;樣品原狀性好，無(wú)擾動(dòng)、無(wú)污染;樣品直徑大，代表性強(qiáng);取樣范圍廣，可實(shí)現(xiàn)在砂層、塊石、卵礫石層、粘土層中取樣。

（4）施工過(guò)程中不使用泥漿，有效降低了環(huán)境污染，符合國(guó)家環(huán)保政策。

（5）配有低速大扭矩回轉(zhuǎn)馬達(dá)，可實(shí)現(xiàn)0～200 r/min之間無(wú)級(jí)調(diào)速，扭矩達(dá)2433 N·m，適用于多種鉆探工藝。

（6）鉆機(jī)給進(jìn)行程3.5 m，減少了輔助工作時(shí)間，提高了鉆進(jìn)效率。

（7）桅桿可滑移落地，提高了鉆機(jī)工作的穩(wěn)定性。

（8）自行走履帶式底盤(pán)，爬坡能力強(qiáng)，搬遷移位靈活，能適應(yīng)多種環(huán)境下的施工要求。

（9）結(jié)構(gòu)緊湊，模塊化設(shè)計(jì)，易于拆裝和維護(hù)。

（10）儀表齊全，便于操控，利于判斷鉆進(jìn)情況。

（11）鉆機(jī)設(shè)計(jì)選用標(biāo)準(zhǔn)件、通用零部件，提高了設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化程度，便于產(chǎn)品系列化。

4 取樣試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第二勘探局煤炭部地質(zhì)機(jī)械研制廠停車(chē)場(chǎng)，場(chǎng)地范圍為太行山?jīng)_積平原，海拔22～61 m，第四系地層，以粘性土、粉土、砂土及卵石為主。

4.2 試驗(yàn)使用的配套機(jī)具

地質(zhì)鉆桿外徑50 mm，壁厚6.5 mm，總長(zhǎng)55 m，定尺長(zhǎng)3 m，每根重18.1 kg，包括2根2 m長(zhǎng)鉆桿;取樣鉆具外徑89 mm，壁厚4.5 mm，長(zhǎng)度1.5 m和3 m各1個(gè);取樣鉆具接頭1個(gè);薄壁取土鉆頭外徑89 mm，2個(gè);聲頻振動(dòng)頭主軸接頭5個(gè);鉆桿與鉆具轉(zhuǎn)換接頭5個(gè)。

4.3 試驗(yàn)情況

鉆進(jìn)取樣試驗(yàn)從2011年11月2日到2011年11月5日，總共4天，施工臺(tái)時(shí)約25 h。全部采用振動(dòng)鉆進(jìn)方式，共鉆進(jìn)取樣23回次，鉆進(jìn)深度50.2 m，累計(jì)取樣長(zhǎng)度47.4 m。取樣率為94.4%，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)錄制的4個(gè)鉆進(jìn)視頻，整理出不同地層深度下的機(jī)械鉆速見(jiàn)表1。

表1 機(jī)械鉆速

從表1可以看出，粘土層的鉆進(jìn)速度較快，而砂土層的鉆進(jìn)速度較慢，砂卵石層的鉆進(jìn)速度更慢，但仍能鉆穿并完整取樣。平均機(jī)械鉆速2.88 m/min，能夠連續(xù)完整的取出地下樣品（見(jiàn)圖8、9）。

圖8 1.2 m粉土連續(xù)樣品

圖9 砂、卵礫石連續(xù)樣品

4.4 鉆機(jī)需改進(jìn)之處

通過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該鉆機(jī)存在以下需改進(jìn)之處:

（1）加大支腿油缸規(guī)格，考慮在支腿上增加吊裝位置;

（2）改用液壓集成塊，使液壓系統(tǒng)外觀更顯緊湊;

（3）桅桿背板偏薄，剛度不夠，產(chǎn)生變形;

（4）換成工程鉆機(jī)用的夾持器;

（5）聯(lián)軸器圍擋箱體改用16Mn材料，并作退火處理，避免焊接引起的應(yīng)力集中，箱體底板應(yīng)作探傷檢測(cè)，防止出現(xiàn)缺陷;

（6）改用止推墊圈，鎖緊隔振銷(xiāo)軸螺栓;

（7）加厚柴油機(jī)外罩;

（8）取樣管里增加內(nèi)襯管，提高取樣質(zhì)量。

5 結(jié)論

樣機(jī)調(diào)試和工業(yè)性試驗(yàn)表明，YSZ-50型聲頻振動(dòng)鉆機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，獲得了較好的鉆進(jìn)速度和取樣效果，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)聲頻振深50 m的淺層特種勘探取樣鉆機(jī)領(lǐng)域的空白，具有較好的市場(chǎng)推廣應(yīng)用前景。

［1］ 鄢泰寧，孫友宏，彭振斌，等.巖土鉆掘工程學(xué)［M］.湖北武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2001.

［2］ 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）:30.

［3］ 吳光琳.聲波鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2004，31（3）:39-41.

［4］ 史海岐，劉寶林.聲頻振動(dòng)鉆機(jī)及其液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2007，34（7）:44-46.

［5］ 毛志新.聲頻振動(dòng)鉆探技術(shù)研究［D］.北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），2007.

［6］ 張培豐，賈紹寬，朱文鑒，等.TGSD-50型聲頻振動(dòng)取樣鉆機(jī)的研制［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2011，38（1）:35-38，70.

Development of YSZ-50 Sonic Drilling Rig

WU Hao1，LU Wei-xing1，REN Xiao-fei1，ZHAO Xiao-dong1，LIU Baolin2（1.The Second Exploration Bureau of China National Administration of Coal Geology，Zhuozhou Hebei 072750，China;2.China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

Sonic drilling technology is a newly developed drilling technique.High frequency vibration generated by the sonic head is mainly used to produce the resonance of the drilling string system and the liquefaction of soil layers，then fast drilling and geotechnical sampling of high quality are realized.The structure design，main technical parameters，the features and sampling test of the YSZ-50 sonic drilling rig are introduced in this paper.

sonic drilling technology;high frequency vibration;YSZ-50 sonic drilling rig;oscillator;geotechnical sampling

P634.3+1

A

1672-7428（2012）01-0009-05

2011-12-08

吳浩（1984-），男（漢族），江蘇徐州人，中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第二勘探局，地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)，碩士，從事鉆探工程和巖土工程的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)和教學(xué)工作，河北省涿州市范陽(yáng)西路50號(hào)，wuh1984@126.com。