YSZ-50型聲頻振動鉆機的研制

吳 浩，陸衛星，任曉飛，趙曉冬，劉寶林

（1.中國煤炭地質總局第二勘探局，河北涿州072750;2.中國地質大學〈北京〉，北京 100083）

YSZ-50型聲頻振動鉆機的研制

吳 浩1，陸衛星1，任曉飛1，趙曉冬1，劉寶林2

（1.中國煤炭地質總局第二勘探局，河北涿州072750;2.中國地質大學〈北京〉，北京 100083）

聲頻振動鉆進技術是近年來發展較快的新型鉆探技術，主要利用聲頻振動頭產生的高頻振動力，引起鉆柱系統的共振，并帶來土體的局部液化，實現快速鉆進和高質量地質取樣。主要介紹了YSZ-50型聲頻振動鉆機的結構設計、主要技術參數和特點以及取樣試驗。

聲頻振動鉆探技術;高頻振動;YSZ-50型聲頻振動鉆機;振動器;地質取樣

1 概述

傳統淺層地質取樣方法包括壓入法、沖入法、回轉擊入法等［1］。壓入法是利用機械或液壓油缸的靜壓力鉆進取樣，由于受給進力的限制，一般取樣深度不超過10 m。擊入法靠落錘自重擊打取樣鉆具進行取樣，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，且該法容易對地質樣品造成壓縮。回轉擊入法采用泥漿進行正/反循環鉆進取樣，鉆深可達50～100 m，但泥漿容易進入樣品，破壞樣品的原狀性。這些傳統地質取樣方法都容易對土體造成不同程度的擾動和污染，難以獲取原狀、真實的地質樣品，迫切需要開發新型的鉆探取樣技術和設備。

聲頻振動鉆探技術（sonic drilling technology）是近年來發展速度較快的新型鉆探取樣技術，它利用振動頭內對稱分布的偏心塊（軸）的高速旋轉，產生150～200 Hz的高頻振動力，屬于聲音頻率范圍（20～20000 Hz），輔以回轉力和靜壓力，三者結合在一起使鉆頭切入土層或軟巖，加深鉆孔（見圖1）。當振動體與鉆柱的自振頻率疊合時，產生共振及駐波，將極大的能量直接傳遞給鉆頭（見圖2）［2］。另外高頻振動使鉆頭排開前進路徑上的物質，甚至引起周圍土粒的局部液化（見圖3）。上述三者的綜合作用可實現快速鉆進和高質量取樣，通常鉆孔深度為120 m，巖土樣品直徑為100 ～300 mm［3］。

20世紀四五十年代，美國和蘇聯最早開始聲頻振動鉆探技術的研究［3，4］。20世紀90年代，荷蘭投入巨資和人力開展實用化研發工作，取得初步效果，21世紀初開始生產樣機并進行生產性試驗。2005～2007年，日本、加拿大、美國開始與荷蘭合作研發聲頻振動鉆機，進展迅速。國內對該技術的研究起步較晚，2005年中國地質大學（北京）得到科技部國際合作項目支持，2007年研發成功我國首臺聲頻振動鉆機樣機，設計振動深度30 m［5］。經初步試驗，基本實現聲頻振動取樣要求，但仍需改進。在此基礎上，2010年7月5日中國煤炭地質總局第二勘探局與中國地質大學（北京）簽訂合作協議，進行振深50 m鉆機的設計。2011年8月9日，兩家聯合研制成功YSZ-50型聲頻振動鉆機，經工業性生產試驗，達到設計指標，填補了國內聲頻振深50 m的淺層特種勘探取樣鉆機領域的空白。

圖1 高頻振動力的產生

圖2 駐波的產生

圖3 土體的局部液化

2 鉆機結構

YSZ-50型聲頻振動鉆機由聲頻振動頭、桅桿及給進系統、底盤及履帶行走機構、動力系統、液壓系統和操作臺組成（見圖4）。

2.1 聲頻振動頭

聲頻振動頭是YSZ-50型聲頻振動鉆機的核心裝置，可實現振動、回轉、振動+回轉3種鉆進方式，主要由回轉馬達、安裝座、振動器、安全托板4部分組成（見圖5）。

圖4 YSZ-50型聲頻振動鉆機

圖5 聲頻振動頭

回轉馬達采用低速大扭矩馬達，轉速可在0～200 r/min之間無級調速，扭矩達2433 N·m，適合于多種鉆探工藝。安裝座聯接回轉馬達與振動器，既作為回轉馬達的安裝座，又作為懸掛振動器的承載體。

振動器由對稱分布的2個偏心軸組成，偏心軸由進口高速液壓馬達（稱振動馬達）驅動，最大轉速可達12000 r/min，即最大振動頻率200 Hz，兩根偏心軸轉速相同、轉向相反。經過短暫的運轉之后，能很快的達到自同步振動［5］，但為了更好地保證兩根偏心軸的完全同步，在振動馬達相反側加裝了同步帶、同步輪的強制同步機構（見圖6）。

圖6 強制同步機構

安全托板起到防止振動器突然掉落而造成安全事故的作用。振動器的高頻振動通過2根隔振銷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 桅桿及給進系統

鉆機桅桿由起塔油缸、給進油缸、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，方管長約5.0 m，起塔油缸用于將桅桿體立起和放倒，給進油缸和動滑輪組成油缸鏈條倍速給進機構，給進行程3.5 m。滑移油缸可使桅桿體滑移落地，提高了鉆機工作的穩定性。

2.3 底盤及履帶行走機構

底盤與履帶行走機構采用分體結構。底盤由矩形框架和4個液壓支腿組成，矩形框架由槽鋼和方管焊接組成。底盤的一側布置鉆機的動力系統與操作臺，另一側布置駕駛臺、液壓油箱和柴油箱。中間部分是桅桿支架和起塔油缸。底盤的四角安裝支腿油缸，用于支撐和平衡鉆機。采用橡膠履帶，履帶行走馬達采用國產IKY2.52.5-1600型液壓馬達，行走速度2～4 km/h，爬坡角度30°。

2.4 液壓系統

液壓系統主要由液壓泵、液壓馬達、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，液壓系統采用多泵-多系統，液壓泵為雙聯泵，排量分別為100 mL/r和28 mL/r，主泵驅動油路和輔泵驅動油路，形成2個液壓油路，共用過濾器和液壓油箱，油箱容積420 L。夾持器選用黃海機械廠全液壓動力頭巖心鉆機用液壓夾持器，外形緊湊、夾持鉆桿牢固，提高了鉆進工作的安全性。液壓系統原理見圖7。

圖7 液壓系統原理圖

主泵驅動油路由負載敏感變量泵、HPV三聯閥、HPV兩聯閥（均為負載敏感換向閥）、2個振動馬達、回轉馬達、給進油缸和履帶行走馬達組成，HPV三聯閥控制振動馬達、回轉馬達和給進油缸，HPV兩聯閥控制履帶行走馬達。主泵的輸出壓力可以根據負載壓力的變化隨時調節，同時流量可以通過負載敏感多路閥上的節流功能來調節，減少了系統能量損失。

振動馬達選用F11系列Parker高速馬達，額定排量為4.9 mL/r，最大持續輸入流量63 L/min。在系統工作壓力21 MPa、總效率0.8的情況下，2個振動馬達的輸出功率35.3 kW。選用GM2-630型回轉馬達，額定排量623 mL/r，最大輸出扭矩2433 N·m，振動+回轉鉆進時最高輸出轉速200 r/min，最大持續輸入流量124.6 L/min，在系統工作壓力21 MPa、總效率0.8的情況下，其輸出功率39.2 kW。

輔泵驅動油路由排量28 mL/r的恒壓變量泵、4個支腿油缸、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，可減少立起桅桿時的液壓沖擊和晃動［6］。

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，有效減少提鉆輔助時間的消耗，提高了鉆進效率。回油背壓的存在可使給進速度更加穩定，使鉆速對鉆壓的波動影響較小，從而減少對鉆頭切削刃上的動載作用，延長鉆頭壽命。

2個液壓油路的設置使聲頻振動頭、桅桿及給進系統、底盤及履帶行走機構等各系統均能在額定負荷條件下獨立工作，有效地減少液壓系統的發熱和能量損失，提高各系統工作的穩定性。

3 主要技術參數和特點

3.1 主要技術參數

YSZ-50型聲頻振動鉆機技術參數為:振動深度50 m，給進行程3500 mm，振動頻率0～200 Hz，伸縮行程250 mm，最大激振力140 kN，柴油機功率131 kW，動力頭轉速0～200 r/min，行走速度2～4 km/h，動力頭扭矩0～2433 N·m，系統工作壓力21 MPa，最大起拔力62 kN，最大加壓力31 kN，鉆機質量5500 kg，運輸狀態外形尺寸為5540 mm×2200 mm×2320 mm。

3.2 主要特點

YSZ-50型全液壓聲頻振動鉆機專門針對淺層特種勘探取樣工程領域設計，具有以下主要特點:

（1）全液壓驅動、采用負載敏感控制系統，高效節能。

（2）配備0～200 Hz的聲頻振動頭，可實現振動、回轉、振動+回轉3種鉆進方式，鉆進速度快，處理孔內事故能力強。廣泛應用于環境鉆探、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域，同時還適用于第四系松散軟地層的鉆探取樣。

（3）取樣質量高，取樣完整，取樣率高達94%以上;樣品原狀性好，無擾動、無污染;樣品直徑大，代表性強;取樣范圍廣，可實現在砂層、塊石、卵礫石層、粘土層中取樣。

（4）施工過程中不使用泥漿，有效降低了環境污染，符合國家環保政策。

（5）配有低速大扭矩回轉馬達，可實現0～200 r/min之間無級調速，扭矩達2433 N·m，適用于多種鉆探工藝。

（6）鉆機給進行程3.5 m，減少了輔助工作時間，提高了鉆進效率。

（7）桅桿可滑移落地，提高了鉆機工作的穩定性。

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

（9）結構緊湊，模塊化設計，易于拆裝和維護。

（10）儀表齊全，便于操控，利于判斷鉆進情況。

（11）鉆機設計選用標準件、通用零部件，提高了設計的標準化、通用化程度，便于產品系列化。

4 取樣試驗

4.1 試驗區概況

試驗區位于中國煤炭地質總局第二勘探局煤炭部地質機械研制廠停車場，場地范圍為太行山沖積平原，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 試驗使用的配套機具

地質鉆桿外徑50 mm，壁厚6.5 mm，總長55 m，定尺長3 m，每根重18.1 kg，包括2根2 m長鉆桿;取樣鉆具外徑89 mm，壁厚4.5 mm，長度1.5 m和3 m各1個;取樣鉆具接頭1個;薄壁取土鉆頭外徑89 mm，2個;聲頻振動頭主軸接頭5個;鉆桿與鉆具轉換接頭5個。

4.3 試驗情況

鉆進取樣試驗從2011年11月2日到2011年11月5日，總共4天，施工臺時約25 h。全部采用振動鉆進方式，共鉆進取樣23回次，鉆進深度50.2 m，累計取樣長度47.4 m。取樣率為94.4%，通過現場錄制的4個鉆進視頻，整理出不同地層深度下的機械鉆速見表1。

表1 機械鉆速

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

圖8 1.2 m粉土連續樣品

圖9 砂、卵礫石連續樣品

4.4 鉆機需改進之處

通過試驗，發現該鉆機存在以下需改進之處:

（1）加大支腿油缸規格，考慮在支腿上增加吊裝位置;

（2）改用液壓集成塊，使液壓系統外觀更顯緊湊;

（3）桅桿背板偏薄，剛度不夠，產生變形;

（4）換成工程鉆機用的夾持器;

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

（6）改用止推墊圈，鎖緊隔振銷軸螺栓;

（7）加厚柴油機外罩;

（8）取樣管里增加內襯管，提高取樣質量。

5 結論

樣機調試和工業性試驗表明，YSZ-50型聲頻振動鉆機的各項技術參數達到了設計要求，獲得了較好的鉆進速度和取樣效果，填補了國內聲頻振深50 m的淺層特種勘探取樣鉆機領域的空白，具有較好的市場推廣應用前景。

［1］ 鄢泰寧，孫友宏，彭振斌，等.巖土鉆掘工程學［M］.湖北武漢:中國地質大學出版社，2001.

［2］ 葉成明，李小杰，劉迎娟.淺析聲波鉆進技術［J］.勘察科學技術，2007，（5）:30.

［3］ 吳光琳.聲波鉆進技術的發展及其應用［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2004，31（3）:39-41.

［4］ 史海岐，劉寶林.聲頻振動鉆機及其液壓系統的設計［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2007，34（7）:44-46.

［5］ 毛志新.聲頻振動鉆探技術研究［D］.北京:中國地質大學（北京），2007.

［6］ 張培豐，賈紹寬，朱文鑒，等.TGSD-50型聲頻振動取樣鉆機的研制［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，中國煤炭地質總局第二勘探局，地質工程專業，碩士，從事鉆探工程和巖土工程的項目開發和教學工作，河北省涿州市范陽西路50號，wuh1984@126.com。