CN114718462B - 一种浅层超磁致伸缩驱动声波钻 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种浅层超磁致伸缩驱动声波钻，该装置主要由超磁致伸缩致动器和声波钻杆两部分组成。以超磁致伸缩致动器为驱动元件，在通入高频交流信号时，由于超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应，致动器产生轴向高频振动力并且以应力波的形式传递给声波钻杆，使声波钻发生驻波共振，并将此较高频振动传递至钻头‑岩土接触面之间，可以无扰动快速钻探取样，与机械驱动声波钻机相比，能够调节的频率较高，且范围较宽，与压电陶瓷驱动声波钻相比，驱动频率显著降低。本发明超磁致声波钻在浅层钻探时，作为半波振子的钻杆与驱动频率的变化范围大，既可以研究声波钻驻波振动钻进钻杆与饱和岩土耦合动力学的问题，又可应用于15m以浅驻波振动钻探的无扰动取样。

Description

一种浅层超磁致伸缩驱动声波钻
技术领域
本发明属于用于饱和浅地层钻探无扰动取样技术领域，特别是涉及一种基于超磁致伸缩材料(GMM-Giant Magnetostrictive Material)驱动的浅层声波钻。
背景技术
声波钻进又称振动声波钻进，它将声波振动头产生的高频振动力以应力波的形式通过钻杆传递到钻头-岩土接触表面，快速完成无扰动钻探取样工作。这种技术目前在环境钻探、地质钻探、工程勘察、岩土施工等领域有广泛的应用。
目前国外声波钻制造商有美国Boart longyear公司，加拿大MIP钻进公司、SonicDrilling公司、日本东亚利根公司等；国内无锡金帆公司相继研制出了YGL系列声波钻，国内外几种机械驱动声波钻机如表1，目前工程常用的机械式驱动声波钻机能够调节的频率范围为：50～200HZ，由于受到声频振动器上限频率200HZ限制，钻杆驻波共振启振最小长度为12.8m，在浅层振动钻探中，都难以实现钻柱驻波振动的声波钻进工艺。
表1机械驱动声波钻机[1-4]
美国国家航空航天局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)在2001年研发了超声取样钻(USDC)，电源驱动频率21.5KHZ，在轴向力很低的情况下，可以探测1m深的土壤样品。压电陶瓷驱动声波钻机，由于其功率密度小，振幅小，固有频率太高，钻杆长度太短，难以应用于浅层驻波振动的小型化取样钻探，限制了其应用。
中国地质大学(北京)机械动力学课题组卜长根等人系统研究了声波钻柔体钻柱驻波振动理论，确定了谐波激振力下钻柱振动响应，揭示了声波钻凿岩机理和钻柱疲劳损伤理论[5-7]，为浅层超磁致伸缩驱动声波钻的发明提供了理论支持。
超磁致伸缩材料具有极大的磁致伸缩系数，由于富含稀土元素，又称稀土超磁致伸缩材料。用该材料制成的激振装置已用于机械制造加工领域，例如清华大学的超磁致伸缩旋转超声振动刀柄(参考CN105397920A)[8]，西安理工大学的超磁致伸缩超声主轴(参考CN108568397A)[9]和厦门扬森数控的超声波钻孔机床(CN 109676172 B)[10]等，都具有转换率高、能量密度大、响应速度快的优点。
为了解决第四系饱和(含砾石)浅地层的无扰动取样问题，提出了一种浅层超磁致伸缩驱动声波钻。与机械驱动声波钻机相比，能够调节的频率更高，且频带范围宽；与压电陶瓷驱动声波钻相比，驱动频率显著降低，驻波振动的钻杆较长。本发明超磁致声波钻在浅层钻探时，作为半波振子的钻杆与驱动频率相适应的变化范围大，既可实现对声波钻驻波沉入过程中钻杆动力学的研究，又可作为0.5-15m浅层驻波振动的取样钻，应用于工程。
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发明内容
本发明主要解决的技术问题是为了研究在驻波振动沉入过程中的钻杆动力学问题与解决第四系饱和(含砾石)浅地层的无扰动取样的工程应用问题，提供一种浅层超磁致伸缩驱动声波钻。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种浅层超磁致伸缩驱动声波钻，由超磁致伸缩致动器(1)和声波钻杆(2)两部分组成，二者之间可以采用不同的联接方式。取样钻探工作时，具有半波振子特征的超磁致伸缩致动器(1)产生轴向高频振动力，以应力波的形式传递给声波钻杆(2)并将此较高频振动传递至钻头-岩土接触面之间，可以无扰动快速钻探取样。
根据本发明实施例的一种浅层超磁致伸缩驱动声波钻，上述超磁致伸缩致动器(1)和声波钻杆(2)可以进行插接式联接，此时仅钻杆设计为半波振子，声波钻杆(2)在超磁致伸缩致动器(1)驱动下发生驻波共振。
根据本发明实施例的一种浅层超磁致伸缩驱动声波钻，上述超磁致伸缩致动器(1)和声波钻杆(2)也可进行螺纹连接，此时超磁致伸缩致动器(1)与声波钻杆(2)整体设计为惯性边界的半波振子。
本发明浅层超磁致伸缩驱动声波钻的有益效果是：驱动频率随半波振子的钻杆长度变化而变化的范围大，既可以研究声波钻驻波振动钻进钻杆与饱和岩土耦合动力学的问题，又可应用于15m以浅驻波振动钻探的无扰动取样。
附图说明
图1是本发明一种浅层超磁致伸缩驱动声波钻的结构图。
图2是本发明一种浅层超磁致伸缩驱动声波钻中超磁致伸缩致动器的结构图。
图1中各部件标记如下：1、超磁致伸缩致动器；2、声波钻杆
图1方案1超磁致伸缩驱动器与声波钻杆插接式联接
图1方案2超磁致伸缩驱动器与声波钻杆螺纹连接
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明浅层超磁致伸缩驱动声波钻由超磁致伸缩致动器(1)和声波钻杆(2)两部分组成，如图1方案1所示，超磁致伸缩致动器(1)和声波钻杆(2)可以进行插接式联接，带内螺纹套筒与超磁致伸缩致动器(1)采用较紧配合联接，通过间隙配合插入声波钻杆(2)。如图1方案2所示，拆除套筒，更换具有母螺纹的钻杆，让超磁致伸缩致动器(1)和声波钻杆(2)直接进行螺纹连接，此时超磁致伸缩致动器(1)与声波钻杆(2)整体为惯性边界的半波振子。声波钻杆(2)底部可为喇叭口状钻杆。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种浅层超磁致伸缩驱动声波钻，其特征在于：浅层超磁致伸缩驱动声波钻由超磁致伸缩致动器(1)和声波钻杆(2)两部分组成，取样时，超磁致伸缩致动器(1)产生轴向变高频振动力，以应力波的形式传递给声波钻杆(2)，使浅层超磁致伸缩声波钻发生驻波共振；
上述超磁致伸缩致动器(1)和声波钻杆(2)进行插接式联接或螺纹连接，插接式联接时钻杆设计为半波振子，声波钻杆(2)在超磁致伸缩致动器(1)驱动下发生驻波共振，超磁致伸缩致动器(1) 带内螺纹套筒，通过间隙配合插入声波钻杆(2)；
螺纹连接时超磁致伸缩致动器(1)与声波钻杆(2)整体为惯性边界的半波振子。
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