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。
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６２ ｋＮ，最大加压力为３１
ｋＮ。
动力头进 给液压缸
图５履带行走回路 图４动力头进给与辅助回路
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５３℃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
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１８ ｋＮ，激振频率最高达到２００ Ｈｚ。变量泵输出流量通过阀块平分给２个高速液压
图ｌ声频振动基本原理图
生高频的激振力在无水状态下振动钻进取样¨２｜，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ｕ“。由于 声ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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。
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｓｔｕｄｙ ｆｏｒ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｓｏｎｉｃ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｄｒｉｌｌｅｒ
ＷＡＮＧ Ｙｕｌ，－，ＬＩＵ Ｂａｏｌｉｎｌ．一，ＺＨＯＵ Ｑｉｎｌ，一，ＨＵ Ｙｕａｎｂｉａ０１－一，ＷＵ Ｈａ０３
（１．Ｓｃｈｏｏｌ
ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ
图３动力头振动与回转回路
万方数据
・７８・
机床与液压
第４０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
３０～１００
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
ｏｎ
ｌｅｒ ｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ ｔｈｅ ｄｕａｌ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｍｏｔｏｒ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂａｓｅｄ ｔｈｅ ｓｏｎｉｃ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｄｒｉｌｌｅｒ ｗａｓ
ｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ
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ｕ引，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
１．２
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
ｐｒｏｖｅｓ
ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｎｉｃ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｄｒｉｌｌｅｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｈｙｄｒａｄｉｃ ｓｙｓｔｅｍ
ａｒｅ
ｆｅａｓｉｂｌｙ．ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｍｃ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｍｅｔｌＩｏｄ ｈａｓ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｓｐｅｃｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｏｎｉｃ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｄｒｉｌｌｅｒ；Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ
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５０
ｍ，
回转钻进深度１５０ ｎｌ，系统主压力为２１ ＭＰａ，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。
点。
为完成整机设计目标，提高系统利用效率，声频
３．ｒ１１ｌｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ Ｂｕｒｅａｕ，ＣＮＡＣＧ，Ｚｈｕｏｚｈｏｕ Ｈｅｂｅｉ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｏｎｉｃ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｉｓ
ａｉｌ
ａｄｖａｎｃｅｄ ａｎｄ ｈｉｇｈｌｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ．Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｏｎｉｃ ｄｒｉｌ－
声频振动钻机是一种新型高效的振动钻进装 备¨。３１，它克服了旋转式钻机Ｈ“１需要泥浆护壁易产 生污染Ｈ“１的缺点，利用液压系统驱动马达一。１¨，产
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（１５０～２００ Ｈｚ）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。
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：ＴＨｌ３７．７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３８８１（２０１２）２３—０７６—４
收稿Ｅｌ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（２０１１ＹＹＬｌｌ９） 作者简介：王瑜（１９７９一），男，博士，讲师，主要从事钻探与钻并装备、液压技术方面的研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｗａｎｇｙｕ２０３＠
３００
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Ｅｌ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¨６｜。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。
Ｎ・ｍ。对于振动一回转联合钻进工况，其总功率为 ２．３动力头进给
２０１２年１２月 第４０卷第２３期
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ｄｅｃ．２０１２ Ｖ０１．４０ Ｎｏ．２３
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１２．２３．０２０
声频振动钻机液压系统设计与研究
王瑜１”，刘宝林１”，周琴１’，胡远彪１７，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）
步开发与优化提供了参考。
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。２０１１年１１月初在河北涿州进 行了工业化钻进实验，共振动钻进２３回次，钻进深 度５０．２ ｍ，累计取样长度４７．４ 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。