YSZ-50型声频振动钻机的研制

吴 浩，陆卫星，任晓飞，赵晓冬，刘宝林

（1.中国煤炭地质总局第二勘探局，河北涿州072750;2.中国地质大学〈北京〉，北京 100083）

YSZ-50型声频振动钻机的研制

吴 浩1，陆卫星1，任晓飞1，赵晓冬1，刘宝林2

（1.中国煤炭地质总局第二勘探局，河北涿州072750;2.中国地质大学〈北京〉，北京 100083）

声频振动钻进技术是近年来发展较快的新型钻探技术，主要利用声频振动头产生的高频振动力，引起钻柱系统的共振，并带来土体的局部液化，实现快速钻进和高质量地质取样。主要介绍了YSZ-50型声频振动钻机的结构设计、主要技术参数和特点以及取样试验。

声频振动钻探技术;高频振动;YSZ-50型声频振动钻机;振动器;地质取样

1 概述

传统浅层地质取样方法包括压入法、冲入法、回转击入法等［1］。压入法是利用机械或液压油缸的静压力钻进取样，由于受给进力的限制，一般取样深度不超过10 m。击入法靠落锤自重击打取样钻具进行取样，但受落锤自重和落距限制，取样深度也较浅，一般在30 m以浅，且该法容易对地质样品造成压缩。回转击入法采用泥浆进行正/反循环钻进取样，钻深可达50～100 m，但泥浆容易进入样品，破坏样品的原状性。这些传统地质取样方法都容易对土体造成不同程度的扰动和污染，难以获取原状、真实的地质样品，迫切需要开发新型的钻探取样技术和设备。

声频振动钻探技术（sonic drilling technology）是近年来发展速度较快的新型钻探取样技术，它利用振动头内对称分布的偏心块（轴）的高速旋转，产生150～200 Hz的高频振动力，属于声音频率范围（20～20000 Hz），辅以回转力和静压力，三者结合在一起使钻头切入土层或软岩，加深钻孔（见图1）。当振动体与钻柱的自振频率叠合时，产生共振及驻波，将极大的能量直接传递给钻头（见图2）［2］。另外高频振动使钻头排开前进路径上的物质，甚至引起周围土粒的局部液化（见图3）。上述三者的综合作用可实现快速钻进和高质量取样，通常钻孔深度为120 m，岩土样品直径为100 ～300 mm［3］。

20世纪四五十年代，美国和苏联最早开始声频振动钻探技术的研究［3，4］。20世纪90年代，荷兰投入巨资和人力开展实用化研发工作，取得初步效果，21世纪初开始生产样机并进行生产性试验。2005～2007年，日本、加拿大、美国开始与荷兰合作研发声频振动钻机，进展迅速。国内对该技术的研究起步较晚，2005年中国地质大学（北京）得到科技部国际合作项目支持，2007年研发成功我国首台声频振动钻机样机，设计振动深度30 m［5］。经初步试验，基本实现声频振动取样要求，但仍需改进。在此基础上，2010年7月5日中国煤炭地质总局第二勘探局与中国地质大学（北京）签订合作协议，进行振深50 m钻机的设计。2011年8月9日，两家联合研制成功YSZ-50型声频振动钻机，经工业性生产试验，达到设计指标，填补了国内声频振深50 m的浅层特种勘探取样钻机领域的空白。

图1 高频振动力的产生

图2 驻波的产生

图3 土体的局部液化

2 钻机结构

YSZ-50型声频振动钻机由声频振动头、桅杆及给进系统、底盘及履带行走机构、动力系统、液压系统和操作台组成（见图4）。

2.1 声频振动头

声频振动头是YSZ-50型声频振动钻机的核心装置，可实现振动、回转、振动+回转3种钻进方式，主要由回转马达、安装座、振动器、安全托板4部分组成（见图5）。

图4 YSZ-50型声频振动钻机

图5 声频振动头

回转马达采用低速大扭矩马达，转速可在0～200 r/min之间无级调速，扭矩达2433 N·m，适合于多种钻探工艺。安装座联接回转马达与振动器，既作为回转马达的安装座，又作为悬挂振动器的承载体。

振动器由对称分布的2个偏心轴组成，偏心轴由进口高速液压马达（称振动马达）驱动，最大转速可达12000 r/min，即最大振动频率200 Hz，两根偏心轴转速相同、转向相反。经过短暂的运转之后，能很快的达到自同步振动［5］，但为了更好地保证两根偏心轴的完全同步，在振动马达相反侧加装了同步带、同步轮的强制同步机构（见图6）。

图6 强制同步机构

安全托板起到防止振动器突然掉落而造成安全事故的作用。振动器的高频振动通过2根隔振销轴上的减振弹簧予以消除，减振弹簧采用金属橡胶材料。

2.2 桅杆及给进系统

钻机桅杆由起塔油缸、给进油缸、滑移油缸、桅杆体和链条组成，桅杆体采用300 mm×300 mm×6 mm的方管，方管长约5.0 m，起塔油缸用于将桅杆体立起和放倒，给进油缸和动滑轮组成油缸链条倍速给进机构，给进行程3.5 m。滑移油缸可使桅杆体滑移落地，提高了钻机工作的稳定性。

2.3 底盘及履带行走机构

底盘与履带行走机构采用分体结构。底盘由矩形框架和4个液压支腿组成，矩形框架由槽钢和方管焊接组成。底盘的一侧布置钻机的动力系统与操作台，另一侧布置驾驶台、液压油箱和柴油箱。中间部分是桅杆支架和起塔油缸。底盘的四角安装支腿油缸，用于支撑和平衡钻机。采用橡胶履带，履带行走马达采用国产IKY2.52.5-1600型液压马达，行走速度2～4 km/h，爬坡角度30°。

2.4 液压系统

液压系统主要由液压泵、液压马达、油缸、液压阀、液压油箱、夹持器等组成，采用三合一冷却器冷却液压油，液压系统采用多泵-多系统，液压泵为双联泵，排量分别为100 mL/r和28 mL/r，主泵驱动油路和辅泵驱动油路，形成2个液压油路，共用过滤器和液压油箱，油箱容积420 L。夹持器选用黄海机械厂全液压动力头岩心钻机用液压夹持器，外形紧凑、夹持钻杆牢固，提高了钻进工作的安全性。液压系统原理见图7。

图7 液压系统原理图

主泵驱动油路由负载敏感变量泵、HPV三联阀、HPV两联阀（均为负载敏感换向阀）、2个振动马达、回转马达、给进油缸和履带行走马达组成，HPV三联阀控制振动马达、回转马达和给进油缸，HPV两联阀控制履带行走马达。主泵的输出压力可以根据负载压力的变化随时调节，同时流量可以通过负载敏感多路阀上的节流功能来调节，减少了系统能量损失。

振动马达选用F11系列Parker高速马达，额定排量为4.9 mL/r，最大持续输入流量63 L/min。在系统工作压力21 MPa、总效率0.8的情况下，2个振动马达的输出功率35.3 kW。选用GM2-630型回转马达，额定排量623 mL/r，最大输出扭矩2433 N·m，振动+回转钻进时最高输出转速200 r/min，最大持续输入流量124.6 L/min，在系统工作压力21 MPa、总效率0.8的情况下，其输出功率39.2 kW。

辅泵驱动油路由排量28 mL/r的恒压变量泵、4个支腿油缸、起塔油缸、滑移油缸、夹持器油缸组成。该油路由九联换向阀控制。所有油缸均带有液压锁，可使油缸锁定在任意位置，从而保证夹持器的夹持力、动力头输出轴与钻孔轴线的同心、桅杆的垂直度。起塔油缸加装了平衡阀，可减少立起桅杆时的液压冲击和晃动［6］。

给进油缸采用了主泵、辅泵合流的措施，可以增加给进和提升的速度，有效减少提钻辅助时间的消耗，提高了钻进效率。回油背压的存在可使给进速度更加稳定，使钻速对钻压的波动影响较小，从而减少对钻头切削刃上的动载作用，延长钻头寿命。

2个液压油路的设置使声频振动头、桅杆及给进系统、底盘及履带行走机构等各系统均能在额定负荷条件下独立工作，有效地减少液压系统的发热和能量损失，提高各系统工作的稳定性。

3 主要技术参数和特点

3.1 主要技术参数

YSZ-50型声频振动钻机技术参数为:振动深度50 m，给进行程3500 mm，振动频率0～200 Hz，伸缩行程250 mm，最大激振力140 kN，柴油机功率131 kW，动力头转速0～200 r/min，行走速度2～4 km/h，动力头扭矩0～2433 N·m，系统工作压力21 MPa，最大起拔力62 kN，最大加压力31 kN，钻机质量5500 kg，运输状态外形尺寸为5540 mm×2200 mm×2320 mm。

3.2 主要特点

YSZ-50型全液压声频振动钻机专门针对浅层特种勘探取样工程领域设计，具有以下主要特点:

（1）全液压驱动、采用负载敏感控制系统，高效节能。

（2）配备0～200 Hz的声频振动头，可实现振动、回转、振动+回转3种钻进方式，钻进速度快，处理孔内事故能力强。广泛应用于环境钻探、岩土工程钻探、水文水井钻探、物探爆破孔和浅层地源热泵孔施工等诸多领域，同时还适用于第四系松散软地层的钻探取样。

（3）取样质量高，取样完整，取样率高达94%以上;样品原状性好，无扰动、无污染;样品直径大，代表性强;取样范围广，可实现在砂层、块石、卵砾石层、粘土层中取样。

（4）施工过程中不使用泥浆，有效降低了环境污染，符合国家环保政策。

（5）配有低速大扭矩回转马达，可实现0～200 r/min之间无级调速，扭矩达2433 N·m，适用于多种钻探工艺。

（6）钻机给进行程3.5 m，减少了辅助工作时间，提高了钻进效率。

（7）桅杆可滑移落地，提高了钻机工作的稳定性。

（8）自行走履带式底盘，爬坡能力强，搬迁移位灵活，能适应多种环境下的施工要求。

（9）结构紧凑，模块化设计，易于拆装和维护。

（10）仪表齐全，便于操控，利于判断钻进情况。

（11）钻机设计选用标准件、通用零部件，提高了设计的标准化、通用化程度，便于产品系列化。

4 取样试验

4.1 试验区概况

试验区位于中国煤炭地质总局第二勘探局煤炭部地质机械研制厂停车场，场地范围为太行山冲积平原，海拔22～61 m，第四系地层，以粘性土、粉土、砂土及卵石为主。

4.2 试验使用的配套机具

地质钻杆外径50 mm，壁厚6.5 mm，总长55 m，定尺长3 m，每根重18.1 kg，包括2根2 m长钻杆;取样钻具外径89 mm，壁厚4.5 mm，长度1.5 m和3 m各1个;取样钻具接头1个;薄壁取土钻头外径89 mm，2个;声频振动头主轴接头5个;钻杆与钻具转换接头5个。

4.3 试验情况

钻进取样试验从2011年11月2日到2011年11月5日，总共4天，施工台时约25 h。全部采用振动钻进方式，共钻进取样23回次，钻进深度50.2 m，累计取样长度47.4 m。取样率为94.4%，通过现场录制的4个钻进视频，整理出不同地层深度下的机械钻速见表1。

表1 机械钻速

从表1可以看出，粘土层的钻进速度较快，而砂土层的钻进速度较慢，砂卵石层的钻进速度更慢，但仍能钻穿并完整取样。平均机械钻速2.88 m/min，能够连续完整的取出地下样品（见图8、9）。

图8 1.2 m粉土连续样品

图9 砂、卵砾石连续样品

4.4 钻机需改进之处

通过试验，发现该钻机存在以下需改进之处:

（1）加大支腿油缸规格，考虑在支腿上增加吊装位置;

（2）改用液压集成块，使液压系统外观更显紧凑;

（3）桅杆背板偏薄，刚度不够，产生变形;

（4）换成工程钻机用的夹持器;

（5）联轴器围挡箱体改用16Mn材料，并作退火处理，避免焊接引起的应力集中，箱体底板应作探伤检测，防止出现缺陷;

（6）改用止推垫圈，锁紧隔振销轴螺栓;

（7）加厚柴油机外罩;

（8）取样管里增加内衬管，提高取样质量。

5 结论

样机调试和工业性试验表明，YSZ-50型声频振动钻机的各项技术参数达到了设计要求，获得了较好的钻进速度和取样效果，填补了国内声频振深50 m的浅层特种勘探取样钻机领域的空白，具有较好的市场推广应用前景。

［1］ 鄢泰宁，孙友宏，彭振斌，等.岩土钻掘工程学［M］.湖北武汉:中国地质大学出版社，2001.

［2］ 叶成明，李小杰，刘迎娟.浅析声波钻进技术［J］.勘察科学技术，2007，（5）:30.

［3］ 吴光琳.声波钻进技术的发展及其应用［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2004，31（3）:39-41.

［4］ 史海岐，刘宝林.声频振动钻机及其液压系统的设计［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2007，34（7）:44-46.

［5］ 毛志新.声频振动钻探技术研究［D］.北京:中国地质大学（北京），2007.

［6］ 张培丰，贾绍宽，朱文鉴，等.TGSD-50型声频振动取样钻机的研制［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），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

吴浩（1984-），男（汉族），江苏徐州人，中国煤炭地质总局第二勘探局，地质工程专业，硕士，从事钻探工程和岩土工程的项目开发和教学工作，河北省涿州市范阳西路50号，wuh1984@126.com。