声频振动钻机液压系统设计与研究

2012年12月第40卷第23期机床与液压MACHINE TOOL ＆HYDRAULICS Dec．2012Vol.40No.23DOI ：10．3969/j.issn.1001－3881.2012.23.020收稿日期：2011－12－19基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目（51004086）；教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20100022120003）；中央高校基本业务费资助项目（2011YYL119）作者简介：王瑜（1979—），男，博士，讲师，主要从事钻探与钻井装备、液压技术方面的研究。

E －mail ：wangyu203@ 。

声频振动钻机液压系统设计与研究王瑜1，2，刘宝林1，2，周琴1，2，胡远彪1，2，吴浩3(1.中国地质大学(北京)工程技术学院，北京100083;2.国土资源部深部地质钻探技术重点实验室，北京100083;3.中国煤田地质总局第二勘探局，河北涿州072750)摘要：声频振动钻进技术是一种新型、高效的沉积层钻进技术。

基于虚拟样机技术设计了声频振动钻机总体设计方案，在此基础上开发了液压驱动系统，并对该系统的基本结构、工作原理进行详细分析。

制造了该钻机的实物样机，对钻机液压系统进行现场测试，为声频振动钻进技术与声频振动设备的开发提供了参考。

关键词：声频振动钻机；液压系统中图分类号：TH137.7文献标识码：A文章编号：1001－3881（2012）23－076－4Design and Study for Hydraulic System of Sonic Vibration DrillerWANG Yu 1，2，LIU Baolin 1，2，ZHOU Qin 1，2，HU Yuanbiao 1，2，WU Hao 3（1.School of Engineering and Technology ，China University of Geosciences ，Beijing 100083，China ；2.Key Laboratory on Deep Geodrilling Technology of the Ministry of Land and Resources ，Beijing 100083，China ；3.The Second Exploration Bureau ，CNACG ，Zhuozhou Hebei 072750，China ）Abstract ：Sonic vibration drilling is an advanced and highly efficient drilling technology in deposition layer．A kind of sonic dril-ler virtual prototype driven by the dual-hydraulic motor was developed based on virtual prototype technology．The hydraulic system of the sonic vibration driller was designed ，and the structure and working principle of the sonic vibration driller were analyzed．The physi-cal prototype of the sonic vibration driller and its hydraulic system were manufactured in factory ，and the in-situ test was successful．It proves that the design scheme of the sonic vibration driller and its hydraulic system are feasibly ，and the sonic drilling method has great development prospect．Keywords ：Sonic vibration driller ；Hydraulic system声频振动钻机是一种新型高效的振动钻进装备［1－3］，它克服了旋转式钻机［4－6］需要泥浆护壁易产生污染［7－8］的缺点，利用液压系统驱动马达［9－11］，产生高频的激振力在无水状态下振动钻进取样［12］，可获得保真度好、无扰动的层状样品，特别适合于土层、砂土层、砾石层等松散地层，且具有价格较低、操作简单、钻进效率高的特点。

声频振动钻机主传动采用全液压式，钻机传动平稳、噪声低、钻进能力强、过载保护好。

振动频率与功率可无级、自动调整，以适应不同工况［13］。

由于声频振动钻机各个机构均采用液压传动的方式，因此液压系统是钻机最重要的组成部分，是钻机设计的关键所在。

作者根据声频钻机工况特点，设计了声频振动钻机的主要方案及其液压驱动系统，并进行了现场调试与实验，为声频振动钻进技术和钻进设备的开发提供了参考依据。

1钻机总体设计1.1声频振动钻进基本原理图1声频振动基本原理图声频振动钻进的基本原理如图1所示，将两个沿声频振动器中心对称布置的偏心轴沿相反方向高速旋转产生的高频机械振动（150 200Hz ）传到钻杆，通过调整振动频率与钻杆的固有频率相一致，从而引起钻杆的共振，进而带动钻具及钻头振动。

高频振动引起钻具周围土壤以及钻头端部土壤的局部液化，减少了土壤与钻具之间摩擦力以及钻头端部土壤的承载力，在静钻压作用下钻头及钻具能快速贯入地层。

因振动器产生的振动频率（通常在50 150Hz 之间）属于人耳能感觉得到的较低声波振动范围，所以称之为声频振动钻进。

1.2声频振动钻机总体方案设计声频振动钻机是实施声频振动钻进技术的关键设备，其总体方案设计如图2所示，由底盘部分、桅杆部分、动力头与液压驱动系统4个部分组成。

动力头由高速液压马达驱动，提供声频激振力；桅杆提供声频激振器上下运动的轨道，其内部设置的起升液缸提供钻进钻压与起拔力；液压系统由柴油机驱动，是声频振动钻机的动力来源；而底盘则是将各种部件集成在上面，为钻机的主要操作和辅助操作提供平台。

图2声频振动钻机虚拟样机2液压回路设计声频振动钻机设计目标为振动钻进深度50m ，回转钻进深度150m ，系统主压力为21MPa ，系统主要完成振动钻进、回转、振动头提升与下放、夹持、桅杆起落、钻机支撑、行走等操作，要求液压系统简单、效率更高、执行动作平稳可靠、系统可操纵性强。

为完成整机设计目标，提高系统利用效率，声频振动钻机液压系统采用开式系统，包括1个主油路和2个辅助油路。

主油路主要是完成钻机的振动、回转、起升等动作，以满足成孔作业的要求；辅助回路主要完成钻机在作业前的桅杆支撑、支腿升降、桅杆起落，以及钻机作业时的夹持、液压绞车等辅助动作。

由于钻机行走需要较大的流量，2个行走马达单独设置为1个辅助回路。

2.1动力头振动动力头振动是声频振动钻机最关键的动作，通过2个液压马达分别驱动2根偏心轴作反向高速旋转，使整个振动体带动钻杆振动进行钻进或取样作业。

如图3所示，动力头振动系统为开式系统，振动系统产生的最大激振力达到18kN ，激振频率最高达到200Hz 。

变量泵输出流量通过阀块平分给2个高速液压马达，由于两马达旋转方向相反，故连接的两个液压马达的进、出油口正好相反；两液压马达的回油合流后通过冷却器流回油箱，两马达的泄油口也合流后直接回油箱。

动力头振动主要使用了负载敏感技术，其主控制阀采用负载敏感比例多路换向阀，实现旋转动力头的振动。

钻探过程中，随着钻深的增加，负载不断增加，负载敏感控制能使泵的输出压力和流量自动适应负载需求，使液压功率与系统达到最佳匹配要求，从而减少系统发热［14］，大幅度提高液压系统效率。

将负载敏感控制应用于液压钻机时，为保证正常工作，泵的输出压力只能与最高的负载压力相适应，即负载敏感只能在最高负载回路上起作用［15］，也就是一般情况下在系统的振动动力回路起作用，对其他负载压力较低的回路采用压力补偿，以使阀口压差继续保持定值。

2.2动力头回转声频振动钻机动力头回转系统主要是通过动力头上的马达旋转带动钻柱旋转以处理孔中事故，或者在振动钻进过程中马达缓慢回转防止钻杆受振动脱扣，以及振动、回转的联合钻进过程中。

动力头的回转回路如图3所示。

负载敏感阀驱动控制柱塞式低速大扭矩液压马达，直接驱动钻柱回转，通过负载敏感阀手柄的操作，可控制回转马达的转速与扭矩。

低速大扭矩液压马达具有径向尺寸小、运动部件少、传动效率高、液压马达运动件磨损小、噪声低、可靠性高等优点。

图3动力头振动与回转回路·77·第23期王瑜等：声频振动钻机液压系统设计与研究回转马达工作在振动钻进工况下时，振动马达为负载敏感泵的主要负载，回转马达转速很低，约为30 100r /min ，其旋转方向与钻杆螺纹旋紧方向相同，避免由于振动使钻杆脱落造成事故，同时，钻柱缓慢旋转有利于井筒稳定。

当孔底出现事故时，可停止振动，或者降低振动频率，提高回转马达功率，转动钻杆，进行事故处理，此时回转负载为主要负载，此负载直接反馈到负载变量泵上，回转马达的扭矩反映了钻机处理事故的能力，其最大扭矩可达2300N ·m 。

对于振动—回转联合钻进工况，其总功率为钻进功率，最大负载则由负载敏感阀调节决定。

2.3动力头进给动力头进给系统的主要作用是钻进时施加钻压、起钻操作、下钻操作、事故时的起拔操作等。

图4中的动力头进给液压缸，进给系统采用开式系统，由恒压泵供油，最大起拔力为62kN ，最大加压力为31kN。

图4动力头进给与辅助回路动力头进给回路采用三位六通换向阀控制进给液压缸，提升时液缸无杆腔进油，进入液压缸的流量由普通节流阀控制，方便简洁，而液压缸的压力则由调压阀控制，两种液压阀均为旋钮式，安装在操作台下方，可方便操作工操作，同时，为减小操作时的液动力，选择平衡式流量阀。

为了增大起拔工况下的流量，从多路阀单独引一路合流，增加起拔功率。

2.4钻机履带行走声频振动钻机工作环境恶劣，主要在野外工作，该钻机采用履带行走系统驱动。

履带行走系统采用开式系统，由于钻机行走与振动两个动作不可能同时发生，可在主回路上增加两联负载敏感阀分别驱动左、右行走液压马达。

负载敏感阀感应行走负载升降，并及时通过负载敏感口（LS 口）传递到变量泵使其输出流量随之升降，而压力由于与恒压泵相通，故一直保持稳定。

需要拐弯时，控制两联负载敏感阀一大一小，则底盘形成转向力矩，可实现转弯操作。

直行时，若左右行走驱动液压马达负载不同，则负载敏感阀内部压力补偿阀使其输入口压力保持一致，且阀芯节流孔两端压差不变，因此通过负载敏感阀的流量保持不变，左右马达维持速度平衡［16］。