声波钻进振动器的结构原理浅析

张 燕

(中国地质科学院探矿工艺研究所,四川成都 611734)

声波钻进振动器的结构原理浅析

张 燕

(中国地质科学院探矿工艺研究所,四川成都 611734)

声波钻进技术经过几十年的不断改进发展,取得了长足的进步,目前在国外得到广泛应用。为加快我国声波钻进技术研究进展,对国外用于声波钻进的三种振动器的结构原理进行了分析。

声波钻进;振动器;结构;原理

0 引言

声波钻进是一种新型钻探技术方法,它把高频振动力、回转力和压力三者结合在一起,使钻头钻入土层或软岩进行钻探或其它钻孔工程。国外自 20世纪 70年代研制成功适用于钻进的小功率振动器(100 HP)后,80年代在美国的环境钻探工作中,由于其钻进速度快、岩心样品保真度高、钻进过程不会产生二次污染,得到广泛应用。90年代以后,经过不断改进和多方面的应用试验,声波钻进技术日趋成熟。钻探工作量不断增加,出现了许多声波钻进承包商,如美国的 Boart Longyear公司环境钻探部、Bowser-Morner公司、Prosonic公司、加拿大的 sonic Drilling公司等。声波钻进设备制造商也较多,如美国的 Versa-Drill国际公司、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,除美国外,声波钻进技术在加拿大、荷兰、非洲、澳大利亚、圭亚那和亚洲等国家和地区得到应用。应用范围包括地质勘探、水文水井钻进、滑坡勘察与治理、地热采暖设备安装、地震爆破孔施工等几乎所有的钻探领域。在我国,声波钻进还属于空白。

声波钻进的关键设备是声波钻进头,也就是振动器。振动器能够产生纵向正弦压力波,该正弦压力波传递到与钻头连接的钻杆上。当振动与钻杆的自然谐振频率叠合时,就会产生共振。此时钻杆的作用就像飞轮或弹簧一样,把极大的能量直接传给钻头。振动器产生的高频振动频率可以调节,频率通常为 50～185 Hz。目前,国外声波钻进振动器产生正弦压力波的方式已经知道有 3种类型:机械式振动器、液压式振动器、压电式振动器。

1 机械式振动器

(1)采用直接驱动机械振动的声波钻机的例子见 R.Roussy的 2个相关美国专利 5027908和5409070,Roussy设计的特点是:一个马达通过一对带花键的齿轮连接和驱动水平轴,水平轴借助于带花键连接、具有球形末端的第二根轴与转动曲柄连接,一对转动曲柄驱动一对偏心滚轮反向旋转,每个滚轮装在圆柱形腔体中,反向旋转的偏心滚轮的不平衡力形成垂直轴和钻杆的上下振动。

(2)美国专利 730628是机械式振动器的另一个例子,图 1为声波钻进头的正视图,图中 1是声波钻进头,2是声波钻进头的上帽形盖,在壳体的右上方是旋转枢轴的驱动马达 3,4、5、6、7是外壳形状,8是下帽形盖,9是外部管线,壳体的左边为润滑油泵10,11是油管,而声波振动器驱动马达 12位于壳体的顶端。

图 2是从图 1中提取出的正弦发生器和心轴的纵向剖视图。图 3是图 2沿 5-5线的横向断面图。其设计特点是:振动力通过正弦波或振动波发生器69作用于心轴 30。如图 2、图 3所示,正弦波发生器包括:第一对偏重块 70、72;第二对偏重块 74、76。每个偏心重块具有通孔 78,通孔 78造成偏心以实现重块的不平衡。每个偏重块还具有外圆周面 80,外圆周面 80是一段轴颈用于承受来自轴承 82的旋转负载,而轴承 82安装在正弦发生器 84外壳的轴承盖 83中,以便支撑偏重块。因此,偏重块承受了来自轴承 82的相对于轴承盖的旋转负荷。如图 3所示,第一对偏重块 70与 72同轴于 A1,而第二对偏重块 74、76绕同一根轴 A2旋转,A1与 A2垂直相交。它们还与心轴的轴线A3相交。

图1 声波钻进头的正视图

图2 正弦发生器和心轴的纵向剖视图

图3 图2沿5-5线的横向断面图

第一对偏重块 70和 72在其带齿 89的末端都有一个圆锥面 88,而齿 89沿着整个锥形面 88扩展。第二对偏重块 74、76也有一个锥形面 90,90比88要短些并带有相对较短的齿 92。与齿 89啮合的较短的齿 92最靠近心轴 30的轴线。螺旋伞齿轮94包括与齿 89啮合的齿 95。螺旋伞齿轮 94承受来自轴承 96的旋转负载,轴承 96安装在连接器 66上。轴承 96的外圈通过连接器 66内径上的凸缘97定位,而内圈的定位是通过轴承止动锁紧螺栓 98旋入螺旋伞齿轮94的外径来保证的。因此,螺旋伞齿轮 94旋转带动偏重块 70和 72相对于心轴 30旋转,偏重块 70和 72又依次通过齿 89和 92带动偏重块 74和 76的旋转。正弦发生器 84在上部和底部有润滑油 (图中未显示)直接喷射到偏重块的齿轮齿面上。这 4个偏心块的外壳83由螺栓(图中未显示)紧固在正弦发生器外壳 84上,且具有用来润滑轴承的润滑油通道。

在钻进作业中,螺旋伞齿轮 94由驱动马达 12 (图 1)驱动。由于螺旋伞齿轮 94与偏重块 70、72相啮合,因此螺旋伞齿轮旋转也带动偏重块 70和72旋转。由于偏重块 70、72与偏重块 74、76连接,偏重块 74、76也被带动旋转。值得注意的是,后者与 70、72的旋转方向是相反的。另外螺旋伞齿轮94不是与 74、76直接啮合,因此,这些偏重块反向旋转并相对与轴承盖 83旋转,从而形成一个反作用力的振动系统。振动是通过心轴 30传递给钻入地层中的钻杆和钻头的(图中未显示)。

机械式振动器是目前声波钻进广泛采用的振动器,这种振动器存在摩擦问题,而且具有较高的机械载荷作用在组件上。

2 液压式振动器

液压式振动器是为了解决机械式振动器存在的问题而出现的,美国专利 7234537就是这类振动器的一个例子,该专利于 2007年由美国专利局公开。

图 4是液压式声波钻进头的示意图,1是声波钻进头,它位于地面 2上,圆筒 3的上端是压重物4,工作活塞 5在圆筒 3的内腔中作往复运动。工作活塞 5与活塞杆 6相连,活塞杆 6的一端 6a伸入压重物 4的内腔 4a中,液体密封 8位于 4a中,保证在圆筒 3的内腔和周围环境之间的密封。活塞杆 6a的另一端延伸穿过密封圈 9,9装在圆筒 3的内腔末端,以保证工作活塞 5之下的圆筒 3的内腔孔与周围环境之间的密封。活塞杆 6在地面 2与钻杆 11连接。

图4 液压式声波钻进示意图

图5 圆筒中活塞的截面图(活塞处于中间位置)

图 5是圆筒中活塞的截面图,其设计特点是:圆筒腔体中包括接通高压液流的进入通道 12和孔13,腔体中还包括第一排出通道 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与活塞5的轴向表面中的开口21连通,20沿着活塞 5轴向延伸到活塞 5的环槽脊 23中的出口 22处;开口 21偏离活塞 5的纵向中心;活塞 5还包括第二液流通道 25,25的一端与活塞 5的轴向表面中的开口 26连通,另一端延伸到活塞 5的环槽脊 28中的出口 27处;开口 26和开口 21等距离、相对偏离活塞 5的纵向中心。

圆筒腔体中还具有一个调节孔 36,它通过通道37在活塞 5的上下方与腔体 38连通,调节活塞 40可在调节孔 36中自由往复运动,密封圈 41安装在活塞 40的两端,防止液流流过密封圈。

钻进时,液流在压力下被输送到入口 13并进入通道 12,通道 12环绕圆筒腔体壁 360°延伸。当活塞处于图 6位置时,如箭头所示压力液流将进入第一液流通道 20,通过出口 22进入腔体 38。在此位置出口通道 17被关闭,而出口通道 14开启,值得注意的是无论何时活塞上下的腔体 38保持与通道 37连同,从而连同孔 36。

图 6 圆筒中活塞的截面图(活塞处于上行位置)

液流压力将作用在活塞的环槽脊 23上,使活塞向箭头A-A所示方向运动,随着活塞的上行,将关闭第一液流通道 20的进入通道 12,还将关闭腔体38的出口 14。当活塞上行一段距离时,第一液流通道 20、开口 21关闭,还将关闭腔体 38的出口 14,活塞之上腔体 38中的液流将由通道 37流入孔 36中。液流压力将作用在调节活塞 40的上端面,活塞 40向箭头所示方向运动,使腔体 38中的压力得以释放,预防在活塞之上腔体 38中形成过大的压力,使活塞 5完成其冲程。

随着活塞 5沿着图 6箭头 A-A所示方向运动,第二液流通道 25的开口 26将与入口 12连通,液流在压力下流过第二液流通道 25和开口 27进入活塞之上腔体 38中。活塞一直上行直到到达图 7所示位置,在这一阶段,经 38、27进入第二液流通道25的液流压力将作用在活塞 5上使其返回开始第二次循环。

图7 圆筒中活塞的截面图(活塞处于下行位置)

如图 6、图 7所示,活塞 5的往复运动产生的振动力将作用在钻杆上,振动与钻杆的自然谐振频率叠合时,就会产生共振,把极大的能量直接传给钻头,实现快速钻进。

3 压电式振动器

专利合作条约组织颁布的专利WO/2001/ 083933是压电式振动器的一个例子。

压电式声波振动器由金属 -压电陶瓷 -金属组成,就象夹心三明治,通过螺栓把它们紧压在一起,它可在非常宽的温度范围内工作。在高电压作用下,压电式振动器产生振动,并通过一机构使振动增强,该振动力作用在钻杆上,使钻杆产生共振,把共振形成的极大的能量直接传给钻头。

4 结语

目前,国外声波钻机广泛采用的是机械式振动器,这类振动器结构复杂,存在摩擦及机械负荷大等问题。近两年出现的液压式振动器结构比机械式简单,克服了机械式振动器存在的问题,是声波钻进振动器的新的发展方向。压电式振动器专利早在2001年就已公布,但至今未见到用于声波钻进的实例,还处于探索阶段。

[1] 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):29-31.

[2] Lange James,Smith Brian.Sonic Drilling Head[P].美国专利: US730628,2003-08-12.

[3] Garrick Ross Jehusson,Christchurch.Sonic Drilling[P].美国专利:US7234537,2007-06-26.

[4] Bar2Cohen,Yoseph,etc.Smart2ultrasonic/Sonic Drilling/Corer [P].专利合作条约组织:WO/2001/083933,2001-11-08.

Analysis on the Structure Principle of Son ic Drill ing Vibrator

ZHANG Yan(The Institute of Exploration Technology, CAGS,Chengdu Sichuan 611734,China)

Sonic drilling technology has made considerable progress through improving and developing in several decades and iswidely applied abroad.Analysiswasmade on the structure principle of 3 types of vibrator used for sonic drilling a2 broad to speed up the reseach progress of sonic drilling in China.

sonic drilling;vibrator;structure;principle

P634.3

A

1672-7428(2010)07-0077-04

2010-02-25

张燕(1960-),女(汉族),四川人,中国地质科学院探矿工艺研究所高级工程师,探矿工程专业,从事科研和情报信息工作,四川省成都市郫县成都现代工业港(北区)港华路139号。