声频振动钻机液压系统设计与研究.pdf

2 0 1 2年 1 2月 第4 0卷 第 2 3期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAUL I CS De c ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 3 ． 0 2 0 声频振动钻机液压系统设计与研究 王瑜 ，刘宝林 ，周琴 ，胡远彪 ，吴浩 1 ．中国地质大学 北京工程技术学院，北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ．国土资源部深部地质钻探技术重点实验室，北京 1 0 0 0 8 3 ； 3 ．中国煤 田地质 总局第二勘探局 ，河北涿州 0 7 2 7 5 0 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T H1 3 7 ． 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 3 0 7 6 4 De s i g n a n d S t u d y f o r Hy d r a u l i c S y s t e m o f S o n i c Vi b r a t i o n Dr i l l e r WA N G Y u r， L I U B a o l i n ． 一 ， Z HO U Q i n ，H U Y u a n b i a o ， 一 ， WU Ha o 1 ． S c h o o l o f E n g i n e e r i n g a n d T e c h n o l o g y ， C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ． K e y L a b o r a t o r y o n D e e p G e o d r i l l i n g T e c h n o l o gy o f t h e M i n i s t r y o f L a n d a n d R e s o u r c e s ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 3 ． T h e S e c o n d E x p l o r a t i o n B u r e a u ． C N A C G， Z h u o z h o u H e b e i 0 7 2 7 5 0 ，C h i n a Ab s t r a c t S o n i c v i b r a t i o n d ri l l i n g i s a n a d v an c e d a n d h i g h l y e ff i c i e n t d r i l l i n g t e c h n o l o g y i n d e p o s i t i o n l a y e r ．A k i n d o f s o n i c d r i l l e r v i r t u a l p r o t o ty p e d ri v e n b y t h e d u al h y d r a u l i c mo t o r w a s d e v e l o p e d b ase d o n v i r t u al p rot o t y p e t e c h n o l o g y ．T h e h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e s o n i c v i b r a t i o n d ri l l e r W as d e s i g n e d，a n d t h e s t r u c t u r e an d wo r k i n g p rin c i p l e o f t h e s o n i c v i b r a t i o n d ri l l e r we r e a n aly z e d ．Th e p h y s i c a l p r o t o t yp e o f t h e s o n i c v i b r a t i o n d ri l l e r a n d i t s h y d r a u l i c s y s t e m we r e ma n u f a c t u r e d i n f a c t o r y ，a n d t h e i n s i t u t e s t w a s s u c c e s s f u 1 ．I t p r o v e s t h a t t h e d e s i g n s c h e me o f t h e s o n i c v i b r a t i o n d ri l l e r a n d i t s h y dra u l i c s y s t e m a r e f e a s i b l y ，a n d t h e s o n i c d r i ll i n g me t h o d h as g r e a t d e v e l o p me n t pr o s p e c t ． Ke y wo r d s S o n i c v i b r a t i o n d ri l l e r ；Hy d r a u l i c s y s t e m 声频振 动钻机是一种新型高效的振动钻进装 备 。 ” ，它克服了旋转式钻机 “ 需要泥浆护壁易产 生污染 的缺点，利用液压系统驱动马达 ，产 生高频的激振力在无水状态下振动钻进取样 ，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 。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 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 1 5 0～ 2 0 0 H z 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。 器 图 1 声频振动基本原理 图 收稿 日期 2 0 1 1 1 21 9 基金项 目国家 自然科学基金青年基金资助项 目 5 1 0 0 4 0 8 6 ；教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项 目 2 0 1 0 0 0 2 2 1 2 0 0 0 3 ；中央高校基本业务费资助项目 2 0 1 1 Y Y L 1 1 9 作者简介王瑜 1 9 7 9 一 ，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。Em a i l w a n g y u 2 0 3 c u g b ． e d u ． c n 。 第 2 3期 王瑜 等 声频振动钻机液压系统设计与研究 7 7 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 5 0～1 5 0 H z 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 5 0 m， 回转钻进深度 1 5 0 m，系统主压力为 2 1 MP a ，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，以满足成孑 L 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 l 8 k N，激振频率最高达到 2 0 0 H z 。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 ，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 ，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。 转 马达 图3 动力头振动与回转回路 7 8 机床与液压 第 4 0卷 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 3 0～ 1 0 0 r ／ ra i n ，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 2 3 0 0 N m。对于振动一回转联合钻进工况 ，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 6 2 k N，最大加压力为 3 1 k N 动力头进 给液压缸 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 L s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 。在行走马达 回 路上设置液压锁，可避免在爬坡时，因能力不足而造 成钻机倒行，引起马达损坏和人身事故。 图 5 履带行走 回路 2 ． 5 其他设计及回路 其他系统包括液压油冷却系统、桅杆起升系统 、 夹持系统、显示系统等。液压系统冷却是钻机液压系 统主要问题之一，声频振动钻机工作时，长时间处于 高负荷状态，因此液压系统发热量大。除利用负载敏 感系统提高系统效率，减少发热外，还采取了设置回 油冷却器和加大油箱容积的办法。经过样机试验，常 温下液压 系统在 5 3℃即达 到热平衡 。 桅杆起升系统、夹持系统由恒压泵控制供油，利 用多路阀控制 ，保证了在钻机工作时，主系统与辅助 系统之间的相对独立性，可保证主系统的功率需要。 在 主系统 、辅助系统 、振动马达 、回转 马达 、起升液 压缸等位置均设置了液压表，监控液压系统的压力情 第 2 3期 王瑜 等声频振动钻机液压系统设计与研究 7 9 况 ，以便操作 工和维修工进行液压系统的状态诊断 。 3安装与调试 安装液压系统时，需对管道、接头、液压元件等 进行循环冲洗，以保证液压系统的清洁度要求。安装 完成后，按照液压组装图进行详细检查，将各液压阀 处于初始位置。启动液压泵低速运转，排尽系统中空 气，检查液压系统的密封状况，并逐步完成各个动作 的空载实验、负载实验、可靠性实验等。 图 6为液压系统调试现场图片。经过调试，液压 系统各部分动作正常，系统可靠，系统的各个参数稳 定 ，达到了设 计要求 。2 0 1 1年 1 1月初在 河北涿 州进 行了工业化钻进实验，共振动钻进 2 3回次，钻进深 度 5 O ． 2 m，累计取样长度 4 7 ． 4 m，液压系统工作可 靠、结构紧凑 ，钻进效率高，达到了设计目标。 图6 声频振动钻机液压系统调试 4结 论 声频振动钻机作为一种新型的振动设备 ，具有效 率高、能耗低、应用广等优点，具有广 阔的发展前 景。完成了声频振动钻机总体设计方案 ，设计了液压 驱动系统，并完成了钻机及其液压系统样机的安装、 调试工作。通过现场的工业化实验 ，钻机及其液压系 统性能可靠，实现了液压系统各动作 ，达到了设计要 求 ，证明液压系统设计可行 ，为声频振动钻机的进一 步开发与优化提供了参考。 参考文献 【 1 】 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 ， 2 0 0 4 3 3 9 4 1 ． 【 2 】A R G Y L E N a n c y ． T h e O ri g i n s o f S o n i c [ J ] ． G e o D r i l l i n g I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 0 6 1 2 8 1 7 ． 【 3 】R O U S S Y R ． T h e D e v e l o p m e n t o f S o n i c D ri l l i n g T e c h n o l o g y [ J ] ． G e 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