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          探礦工程在線 > 正文

          聲波鉆進振動器的結構原理淺析

          發布時間:2013年05月17日
          來源:《探礦工程(巖土鉆掘工程)》,2010年第7期

           

          聲波鉆進振動器的結構原理淺析

           

           

          (中國地質科學院探礦工藝研究所,四川成都 611734

           

          摘要聲波鉆進技術經過幾十年的不斷改進發展,取得了長足的進步,目前在國外得到廣泛應用。為加快我國聲波鉆進技術研究進展,對國外用于聲波鉆進的三種振動器的結構原理進行了分析。

          關鍵詞:聲波鉆進;振動器;結構;原理

           

          0  引言

          聲波鉆進是一種新型鉆探技術方法,它把高頻振動力、回轉力和壓力三者結合在一起,使鉆頭鉆入土層或軟巖進行鉆探或其它鉆孔工程。國外自20世紀70年代研制成功適用于鉆進的小功率振動器(100Hp)后,80年代在美國的環境鉆探工作中,由于其鉆進速度快、巖心樣品保真度高、鉆進過程不會產生二次污染,得到廣泛應用。90年代以后,經過不斷改進和多方面的應用試驗,聲波鉆進技術日趨成熟。鉆探工作量不斷增加,出現了許多聲波鉆進承包商,如美國的 Boart Longyear公司環境鉆探部、Bowser-Morner公司、Prosonic公司、加拿大的sonic Drilling公司等。聲波鉆進設備制造商也較多,如美國的Versa-Drill國際公司、Acker Drill公司、Gus Pech制造公司、加拿大的Sonic Drill公司、日本的利根公司等。目前,除美國外,聲波鉆進技術在加拿大、荷蘭、非洲、澳大利亞、圭亞那和亞洲等國家和地區得到應用。應用范圍包括地質勘探、水文水井鉆進、滑坡勘察與治理、地熱采暖設備安裝、地震爆破孔施工等幾乎所有的鉆探領域。在我國,聲波鉆進還屬于空白。

          聲波鉆進的關鍵設備是聲波鉆進頭,也就是振動器。振動器能夠產生縱向正弦壓力波,該正弦壓力波傳遞到與鉆頭連接的鉆桿上。當振動與鉆桿的自然諧振頻率疊合時,就會產生共振。此時鉆桿的作用就像飛輪或彈簧一樣,把極大的能量直接傳給鉆頭。振動器產生的高頻振動頻率可以調節,頻率通常為50-185Hz。目前,國外聲波鉆進振動器產生正弦壓力波的方式已經知道有三種類型:機械式振動器、液壓式振動器、壓電式振動器。

           

          1  機械式振動器

          1)采用直接驅動機械振動的聲波鉆機的例子見R.Roussy的兩個相關美國專利50279085409070,Roussy設計的特點是:一個馬達通過一對帶花鍵的齒輪連接和驅動水平軸,水平軸借助于帶花鍵連接、具有球形末端的第二根軸與轉動曲柄連接,一對轉動曲柄驅動一對偏心滾輪反向旋轉,每個滾輪裝在圓柱形腔體中,反向旋轉的偏心滾輪的不平衡力形成垂直軸和鉆桿的上下振動。

          2)美國專利730628是機械式振動器的另一個例子,圖1為聲波鉆進頭的正視圖,圖中1是聲波鉆進頭,2是聲波鉆進頭的上帽形蓋,在殼體的右上方是旋轉樞軸的驅動馬達3,4、5、6、7是外殼形狀,8是下帽形蓋,9是外部管線,殼體的左邊為潤滑油泵10,11是油管,而聲波振動器驅動馬達12位于殼體的頂端。

          1  聲波鉆進頭的正視圖

          2  正弦發生器和心軸的縱向剖視圖

          2是從圖1中提取出的正弦發生器和心軸的縱向剖視圖。圖3是圖2沿5-5線的橫向斷面圖。其設計特點是:振動力通過正弦波或振動波發生器69作用于心軸30。如圖2、圖3所示,正弦波發生器包括:第一對偏重塊70、72;第二對偏重塊74、76。每個偏心重塊具有通孔78,通孔78造成偏心以實現重塊的不平衡。每個偏重塊還具有外圓周面80,外圓周面80是一段軸頸用于承受來自軸承82的旋轉負載,而軸承82安裝在正弦發生器84外殼的軸承蓋83中,以便支撐偏重塊。因此,偏重塊承受了來自軸承82的相對于軸承蓋的旋轉負荷。如圖3所示,第一對偏重塊7072同軸于A1,而第二對偏重塊74、76繞同一根軸A2旋轉,A1A2垂直相交。它們還與心軸的軸線A3相交。

          3  2沿5-5線的橫向斷面圖

          第一對偏重塊7072在其帶齒89的末端都有一個圓錐面88,而齒89沿著整個錐形面88擴展。第二對偏重塊74、76也有一個錐形面90,9088要短些并帶有相對較短的齒92。與齒89嚙合的較短的齒92最靠近心軸30的軸線。螺旋傘齒輪94包括與齒89嚙合的齒95。螺旋傘齒輪94承受來自軸承96的旋轉負載,軸承96安裝在連接器66上。軸承96的外圈通過連接器66內徑上的凸緣97定位,而內圈的定位是通過軸承止動鎖緊螺栓98旋入螺旋傘齒輪94的外徑來保證的。因此,螺旋傘齒輪94旋轉帶動偏重塊7072相對于心軸30旋轉,偏重塊7072又依次通過齒8992帶動偏重塊7476的旋轉。正弦發生器84在上部和底部有潤滑油(圖中未顯示)直接噴射到偏重塊的齒輪齒面上。這4個偏心塊的外殼83由螺栓(圖中未顯示)緊固在正弦發生器外殼84上,且具有用來潤滑軸承的潤滑油通道。

          在鉆進作業中,螺旋傘齒輪94由驅動馬達12(圖1)驅動。由于螺旋傘齒輪94與偏重塊70、72相嚙合,因此螺旋傘齒輪旋轉也帶動偏重塊7072旋轉。由于偏重塊70、72與偏重塊74、76連接,偏重塊74、76也被帶動旋轉。值得注意的是,后者與70、72的旋轉方向是相反的。另外螺旋傘齒輪94不是與74、76直接嚙合,因此,這些偏重塊反向旋轉并相對與軸承蓋83旋轉,從而形成一個反作用力的振動系統。振動是通過心軸30傳遞給鉆入地層中的鉆桿和鉆頭的(圖中未顯示)。

          機械式振動器是目前聲波鉆進廣泛采用的振動器,這種振動器存在摩擦問題,而且具有較高的機械載荷作用在組件上。

           

          2  液壓式振動器

          液壓式振動器是為了解決機械式振動器存在的問題而出現的,美國專利7234537就是這類振動器的一個例子,該專利于2007年由美國專利局公開。

          4  液壓式聲波鉆進示意圖

          4是液壓式聲波鉆進頭的示意圖,1是聲波鉆進頭,它位于地面2上,圓筒3的上端是壓重物4,工作活塞5在圓筒3的內腔中作往復運動。工作活塞5與活塞桿6相連,活塞桿6的一端6a伸入壓重物4的內腔4a中,液體密封8位于4a中,保證在圓筒3的內腔和周圍環境之間的密封?;钊麠U6a的另一端延伸穿過密封圈9,9裝在圓筒3的內腔末端,以保證工作活塞5之下的圓筒3的內腔孔與周圍環境之間的密封?;钊麠U6在地面2與鉆桿11連接。

          5  圓筒中活塞的截面圖(活塞處于中間位置)

          5是圓筒中活塞的截面圖,其設計特點是:圓筒腔體中包括接通高壓液流的進入通道12和孔13,腔體中還包括第一排出通道14和排出口15、第二排出通道16和排出口17;工作活塞5包括第一液流通道20,20與活塞5的軸向表面中的開口21連通,20沿著活塞5軸向延伸到活塞5的環槽脊23中的出口22處;開口21偏離活塞5的縱向中心;活塞5還包括第二液流通道25,25的一端與活塞5的軸向表面中的開口26連通,另一端延伸到活塞5的環槽脊28中的出口27處;開口26和開口21等距離、相對偏離活塞5的縱向中心。

          圓筒腔體中還具有一個調節孔36,它通過通道37在活塞5的上下方與腔體38連通,調節活塞40可在調節孔36中自由往復運動,密封圈41安裝在活塞40的兩端,防止液流流過密封圈。

          6  圓筒中活塞的截面圖(活塞處于上行位置)

          鉆進時,液流在壓力下被輸送到入口13并進入通道12,通道12環繞圓筒腔體壁360o延伸。當活塞處于圖6位置時,如箭頭所示壓力液流將進入第一液流通道20,通過出口22進入腔體38。在此位置出口通道17被關閉,而出口通道14開啟,值得注意的是無論何時活塞上下的腔體38保持與通道37連同,從而連同孔36。

          液流壓力將作用在活塞的環槽脊23上,使活塞向箭頭A-A所示方向運動,隨著活塞的上行,將關閉第一液流通道20的進入通道12,還將關閉腔體38的出口14。當活塞上行一段距離時,第一液流通道20、開口21關閉,還將關閉腔體38的出口14,活塞之上腔體38中的液流將由通道37流入孔36中。液流壓力將作用在調節活塞40的上端面,活塞40向箭頭所示方向運動,使腔體38中的壓力得以釋放,預防在活塞之上腔體38中形成過大的壓力,使活塞5完成其沖程。

          隨著活塞5沿著圖6箭頭A-A所示方向運動,第二液流通道25的開口26將與入口12連通,液流在壓力下流過第二液流通道25和開口27進入活塞之上腔體38中?;钊恢鄙闲兄钡降竭_圖7所示位置,在這一階段,經38、27進入第二液流通道25的液流壓力將作用在活塞5上使其返回開始第二次循環。

          7  圓筒中活塞的截面圖(活塞處于下行位置)

          如圖6、圖7所示,活塞5的往復運動產生的振動力將作用在鉆桿上,振動與鉆桿的自然諧振頻率疊合時,就會產生共振,把極大的能量直接傳給鉆頭,實現快速鉆進。

           

          3  壓電式振動器

          專利合作條約組織頒布的專利WO /2001/083933是壓電式振動器的一個例子。

          壓電式聲波振動器由金屬-壓電陶瓷-金屬組成,就象夾心三明治,通過螺栓把它們緊壓在一起,它可在非常寬的溫度范圍內工作。在高電壓作用下,壓電式振動器產生振動,并通過一機構使振動增強,該振動力作用在鉆桿上,使鉆桿產生共振,共振形成的極大的能量直接傳給鉆頭。

           

          4  結語

              目前,國外聲波鉆機廣泛采用的是機械式振動器,這類振動器結構復雜,存在摩擦及機械負荷大等問題。近兩年出現的液壓式振動器結構比機械式簡單,克服了機械式振動器存在的問題,是聲波鉆進振動器的新的發展方向。壓電式振動器專利早在2001年就已公布,但至今未見到用于聲波鉆進的實例,還處于探索階段。

           

          參考文獻:

          [1]  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),29-31.

          [2]  Lange James, Smith Brian.Sonic Drilling Head\[P\].美國專利:US730628,2003-08-12.

          [3]  Garrick Ross Jehusson, Christchurch.Sonic Drilling\[P\].美國專利:US7234537,2007-06-26.

          [4]  Bar Cohen,Yoseph,etc.Smart ultrasonic/Sonic Drilling/Corer\[P\].專利合作條約組織:WO/2001/083933,2001-11-08.

           

          作者簡介:張燕(1960-),女(漢族),四川人,中國地質科學院探礦工藝研究所高級工程師,探礦工程專業,從事科研和情報信息工作,四川省成都市郫縣成都現代工業港(北區)港華路139號。

          [責任編輯:dww]

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