CN203441486U

CN203441486U - 声波钻进液压振动头

Info

Publication number: CN203441486U
Application number: CN201320573568.3U
Authority: CN
Inventors: 江进国; 陈绪继; 陈泽平; 王嘉伟; 王文巧; 周峰; 孟瑞
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2013-09-16
Filing date: 2013-09-16
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2023-09-16

Abstract

本实用新型涉及一种声波钻进液压振动头，包括液压振动缸、旋转式液压调频阀、驱动电机、密封结构和液压系统。本实用新型利用电液交流液压激振技术来设计液压振动头，运用伺服电机驱动旋转式液压调频阀的阀芯旋转，控制液压油的流向，从而控制液压振动缸体中活塞的往复运动。通过精确控制旋转式液压调频阀的输出频率，实现高频强制配流和无级调频，通过改变阀芯的转速改变液压振动缸活塞的振动频率，实现大范围振动频率调节、振幅调节和大激振力输出。本实用新型适合用于的浅层取样声波钻机动力头。

Description

声波钻进液压振动头

技术领域

本实用新型涉及一种声波钻进液压振动头，具体地说是涉及一种用于浅层取样声波钻机液压振动头。

背景技术

声波钻进技术作为一种高效、适应能力强的钻进取芯技术，具有传统回转取芯技术无法比拟的优点，在环境钻探、岩土勘察、矿产勘察等方面有广阔的应用前景和发展潜力。国内声波振动钻进技术和装备的研究尚处于起步阶段，液压动力头式声波振动钻机的研究成果还没有公开报道。

振动器是声波钻机最为关键的部件，目前，一般按照振动器能够产生的振动频率，将声波钻机分为四个频率等级范围，即低频（5~12HZ）、中频（12~25HZ）、高频（25~42HZ）、超高频（>42HZ）。目前国内取得的科研成果和完成样机试制的较少。从80年代开始，无锡探矿机械总厂在声波钻机的开发上取得了很大的成果，顺利研制成功G-1、G-l A、G-2、G-2A和G-3型等中低频率的声波钻机，该类钻机由于采用机械驱动的方式，其激振力较小，分别为12kN、15kN、30kN、50kN。1987年由中国有色金属工业总公司矿产地质研究院研制的CSG-24声波钻机，该钻机偏心轮采用齿轮传动方式，不仅结构庞大，还导致转速很慢，能够达到的频率和激振力都受到限制。声波钻机研究较突出的是2009年吉林大学研制了JDD-100型地质调查钻机；2011年第二勘探局与中国地质大学联合研制的YSZ-50 型声频振动钻机，但试验效果均不理想，未商业应用，而国外则在积极开拓中国市场，但价格昂贵，如日本利根公司的YGL-S100型声波钻机、加拿大维克声波钻机等。

由于已商业化的机械式振动器，结构复杂，存在摩擦及机械负荷大等问题，一定程度上制约了声波钻进技术和声波钻机的发展。人们开始考虑用液压振动器来替代机械式振动器，研究表明：液压式振动头容易实现更高的振动功率、振动频率、振动力；可以实现更深的钻孔，获得更深的岩土样本；容易实现更高频率的超高频振动钻机。随着声波钻机及其钻进技术的研究，声波钻机的结构会越来越合理，声波钻机的功率会不断的增加，振动力也会不断加大，钻进的深度也会越来越大。因此，超高频液压式动力头声波钻机将是未来声波钻机的一个发展方向。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术存在的结构复杂及存在摩擦及机械负荷大等问题，而设计一种能实现大范围振动频率调节、振幅调节，和大激振力输出的声波钻进液压振动头。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：提供一种声波钻进液压振动头，包括液压振动缸、旋转式液压调频阀、驱动电机、密封结构和液压系统，所述的液压振动缸含有支架，振动缸体、缸体前端盖、活塞、油口接头、静压油口接头、小孔节流器、缸体后端盖、上偏置油槽、下偏置油槽和液体静压轴承；所述的支架、缸体前端盖、缸体后端盖与振动缸体之间用弹簧垫圈和调整垫片配合螺钉连接，所述的振动缸体与缸体后端盖还采用法兰形式连接；振动缸体中安装有活塞和液体静压轴承，液体静压轴承安装在缸体前端盖内的活塞杆上，振动缸体上设有油口接头、上偏置油槽和下偏置油槽，及对称设有2个静压油口接头；在缸体前、后端盖上各设有小孔节流器；在振动缸体上设有3条高压液压油的通道，其中的2条高压液压油的通道分别与活塞上、下冲程腔连通，1条高压油液通道与活塞中间平衡腔连接；

所述的旋转式液压调频阀包括转阀前端盖、油封、阀体、阀芯、阀套和转阀后端盖，阀体内设有阀套，阀套内安装有阀芯，阀体两端分别设有转阀前端盖和转阀后端盖，转阀前、后端盖通过螺钉与阀体连接，所述的驱动电机与阀体之间用圆柱销定位，安装在转阀前端盖上；

所述的密封结构包括采用的O型密封圈、斯特封和间隙密封；所述的液压系统包括滤油器、精滤油器，变量泵，先导溢流阀、溢流阀，调速阀和压力表分别安装在液压油路中，在液压系统中还安装有作为辅助油源的蓄能器。

本实用新型所述的液体静压轴承，在其内圆柱面中对称地开有4个矩形油腔和2个回油槽，油腔和回油槽之间的圆弧面为周向封油面，液体静压轴承两端和油腔之间的圆弧面为轴向封油面；润滑油通过四个小孔节流器进入相应的静压腔内。

本实用新型所述的液体静压轴承的4个矩形油腔空载时容积相等，且对称均匀分布，各个小孔节流器的阻力相等，作用在各个静压油腔里面的液压力也相等。这样才能保证活塞杆浮起在液体静压轴承的中心位置。

本实用新型所述的缸体前端盖、缸体后端盖内还开有均压槽,在均压槽尾部设置回油槽，回油槽的油液通过回油孔返回油箱。

本实用新型所述的阀芯设有进、出油槽的三个台肩，第一、第三个台肩各设有一排油槽，第二个台肩设有两排的油槽，第一个台肩与第二个台肩下排油槽开口方向一致，第三个台肩与第二个台肩上排油槽开口方向一致。当驱动电机带动旋转式液压调频阀的阀芯在一定的转速下匀速旋转时，高压油在进、出油槽的分配下交替的进入液压振动缸上下腔，驱动活塞进行周期性的往复运动。

本实用新型所述的在阀芯上每个台肩每排均布有6～18个油槽，同一台肩中相邻的每个油槽相距的圆心角φ相等；在相邻的台肩中油槽相互错位，错位角度为1/2的圆心角φ。

本实用新型所述的活塞与振动缸体之间，活塞与液体静压轴承两端结合面之间，活塞与缸体前端盖、活塞与缸体后端盖之间均采用间隙密封，活塞与缸体前端盖、活塞与缸体后端盖之间还采用了斯特封；所述的缸体前端盖、缸体后端盖与振动缸体之间的静密封采用O型圈密封，所述的转阀前端盖、转阀后端盖与阀体之间的静密封采用O型圈密封。

本实用新型所述的液压振动缸中的液体静压轴承与精滤油器B连接，精滤油器B通过管路分别连接变量泵B、压力表B和溢流阀，变量泵B通过滤油器、管路连接油箱；溢流阀也与油箱连接；液压振动缸还分别与蓄能器和旋转式液压调频阀连接；所述的旋转式液压调频阀与驱动电机连接；旋转式液压调频阀还与精滤油器A连接A, 精滤油器A通过管路分别连接压力表A、变量泵A和先导溢流阀，变量泵B通过滤油器、管路连接油箱；先导溢流阀也与油箱连接。

本实用新型所述的驱动电机采用交流伺服电机，交流伺服电机用于驱动旋转式液压调频阀阀心旋转，通过改变阀芯的转速改变液压振动缸的振动频率，实现大范围振动频率调节、振幅调节和大激振力输出。

本实用新型在液压系统中配置蓄能器作为辅助油源，使液压振动系统的能量得到充分的利用，同时补充瞬时流量。

本实用新型的声波钻进液压振动头具有如下优点：

本实用新型运用交流液压激振技术及转阀的思想来设计液压振动器，克服了现有机械式振动器设计声波钻进动力头存在的结构复杂，摩擦及机械负荷大等问题，具有振动功率大、能较快冷却、容易实现自动过载保护的特点，以及具有频率范围大、振幅可调、激振力大的优点，适用于进行浅层取样钻机动力头的设计。

附图说明

图1为本实用新型的声波钻进液压振动头结构示意图。

图2为本实用新型的液体静压轴承横截面结构示意图。

图3为本实用新型的液压缸体中密封结构示意图。

图4为本实用新型的液压系统连接示意图。

图5为本实用新型的活塞作冲程运动示意图。

图6为本实用新型的活塞作回程运动示意图。

图中：1-支架、2-振动缸体、3-缸体前端盖、4-活塞、5-油口接头、6-O型密封圈A、7-静压油口接头、8-小孔节流器、9-缸体后端盖、10-斯特封、11-转阀后端盖、12-O型密封圈B、13-阀套、14-阀芯、15-圆柱销、16-O型密封圈C、17-阀体、18-转阀前端盖、19-油封、20-电机、21进出油槽孔、22-上偏置油槽、23-下偏置油槽、24-液体静压轴承、25-均压槽、26-静压腔A、27-静压腔B、28-静压腔C、29-静压腔D、30-液压振动缸、31-旋转式液压调频阀、32-油箱、33-精滤油器B、34-变量泵B、35-压力表B、36-溢流阀、37-蓄能器、38-压力表A、39-精滤油器A、40-先导溢流阀、41-变量泵A、42-滤油器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详述。

实施例1：本实用新型提供的一种声波钻进液压振动头，其结构如图1所示，包括液压振动缸30、密封结构、旋转式液压调频阀31、驱动电机20和液压系统，所述的液压振动缸30含有支架1，振动缸体2、缸体前端盖3、活塞4、油口接头5、静压油口接头7、小孔节流器8、缸体后端盖9、上偏置油槽22、下偏置油槽23和液体静压轴承24；所述的支架1、缸体前端盖3、缸体后端盖9与振动缸体2之间用弹簧垫圈和调整垫片配合螺钉连接，所述的振动缸体2与缸体后端盖9还采用法兰形式连接；振动缸体2中安装有活塞4和液体静压轴承24，液体静压轴承24安装在缸体前端盖3内的活塞杆上，振动缸体2上设有油口接头5、上偏置油槽22和下偏置油槽23，及对称设有2个静压油口接头7；在缸体前、后端盖上各设有小孔节流器8；在振动缸体上还设有3条高压液压油的通道，其中的2条高压液压油的通道分别与活塞上、下冲程腔连通，1条高压油液通道与活塞中间平衡腔连接。

所述的液体静压轴承24，参见图2，在其内圆柱面中对称地开有4个矩形油腔和2个回油槽，油腔和回油槽之间的圆弧面为周向封油面，液体静压轴承24两端和油腔之间的圆弧面为轴向封油面；通过4个小孔节流器8给液体静压轴承24供给一定压力的润滑油，润滑油进入相应的4个静压腔内。

所述的液体静压轴承24的4个矩形油腔空载时容积相等，静压腔A26与静压腔B27对称，静压腔C28与静压腔D29对称，且均匀分布，各个静压油腔里面的液压力相等，使得活塞4浮起在液体静压轴承24的中心位置。此时液体静压轴承24封油面各处的间隙h _O相等，液体静压轴承各腔的压力P ₀相等。当液体静压轴承受载荷力F后，液体静压轴承往静压油腔A26的方向产生微小的位移e，这时静压油腔A26的间隙从h _O减少至h _O - e，封油面上的油流阻力增大；此时，静压油腔B27处的间隙增大到h _O + e，封油面上的油流阻力减小，因而静压油腔A26的压力P ₁升高，静压油腔B27的压力P ₂降低。因此，静压油腔A26、静压油腔B27之间产生一个压力差△P(△P=P ₁ - P ₂)。当 A _e△P（A _e为轴承一个油腔的有效承载面积）同载荷

平衡，即A _e△P=F时，处于平衡状态。若载荷不是正对油腔，可将载荷分为垂直方向和水平方向的载荷，分别由上下油腔和左右油腔的A _e△P与之平衡，所以四个油腔的液压力能够承受来自任意方向的径向载荷。

本实用新型所述的旋转式液压调频阀31包括转阀前端盖18、油封19、阀体17、阀芯14、阀套13和转阀后端盖11；阀体17内设有阀套13，阀套13内安装有阀芯14，阀体17两端分别设有转阀前端盖18和转阀后端盖11，转阀前、后端盖通过螺钉与阀体17连接；所述的驱动电机20与阀体17之间用圆柱销15定位、安装在转阀前端盖18上；在阀体17中设有5条油路通道，5条油路通道终端都与油箱接通，其中的2条油路通道还与液压振动缸30的中的2条高压液压油的通道连通。

本实用新型所述的阀芯14上共有个开有3个进、出油槽的台肩，第一、第三个台肩各设有一排油槽，第二个台肩设有两排的油槽，第一个台肩与第二个台肩下排油槽开口方向一致，第三个台肩与第二个台肩上排油槽开口方向一致。本实用新型所述的在阀芯上每个台肩每排均布有12个油槽，同一台肩中相邻的每个油槽相距的圆心角φ为360/12=30°；在相邻的台肩中油槽相互错位，错位的角度为1/2的圆心角φ，即15°。当驱动电机20带动旋转式液压调频阀31的阀芯14在一定的转速下匀速旋转时，高压油在进出油槽21的分配下交替的进入液压振动缸30的上下腔，驱动活塞4进行周期性的往复运动。

所述的密封结构参见图1和图3，包括采用O型密封圈、斯特封10和间隙密封；其中对称用于缸体前端盖3、缸体后端盖9与振动缸体2之间的静密封采用O型密封圈A6；活塞4与振动缸体2之间采用间隙密封，并在间隙密封处开均压槽25。还有活塞4与液体静压轴承24两端结合面之间、活塞4与缸体前端盖3、活塞4与缸体后端盖9之间均采用间隙密封，活塞4与缸体前端盖3、活塞4与缸体后端盖9之间还采用了斯特封10。所述的转阀前端盖18与阀体17之间、转阀后端盖11与阀体17之间的静密封采用O型圈密封C16，液压振动缸30与旋转式液压调频阀31之间采用O型圈密封B12。

所述的液压系统参见图4，图中滤油器42用来滤除从油箱32进入变量泵A41油液中的各种杂质，保持进入变量泵A41油液的纯洁度；压力表A38显示变量泵A41出油口油压，先导溢流阀40一端连接压力表A38，一端接油箱，当压力表A38显示值超过先导溢流阀40设定压力值时，先导溢流阀40接通，开启溢流，对液压系统起到过载保护作用；精滤油器A39对变量泵A41出口液压油再一次更高精度的滤除，将液压油送至旋转式液压调频阀31，旋转式液压调频阀31在驱动电机20驱动下，交替向振动液压缸30上下冲程腔输送高压油，驱动振动液压缸30的活塞4高频往复运动；蓄能器37作为辅助油源能使系统能量利用的更加充分，同时补充瞬时流量；液体静压轴承24是振动活塞4的支撑，以防止偏载、减少磨损和外泄；液体静压轴承24由变量泵B34供油，变量泵B34和液体静压轴承24之间设有精滤油器B33，以严格控制进入液体静压轴承24的液压油纯洁度；压力表B35显示变量泵B34出油口油压，溢流阀36一端连接压力表B35，一端接油箱32，当压力表B35显示值超过溢流阀36设定压力值时，溢流阀36接通，开启溢流，防止系统过载。需要说明的是图4中为使表达方便画了许多油箱，本实用新型实际只使用1个油箱。

本实用新型所述驱动电机20采用交流伺服电机，驱动电机20驱动旋转式液压调频阀31，可以很精确的控制旋转式液压调频阀31的输出频率，旋转式液压调频阀31的阀芯14为细长结构，在油液的润滑下，所需的转动惯量较小，使用交流伺服电机就可以满足振动器工作所需的扭矩。

本实用新型所述的旋转式液压调频阀31用于控制液压油的流向，从而控制液压振动缸30的活塞4的快速往复运动。由于活塞4进行高速往复运动，为防止偏载、减小磨损和外泄漏，在液压振动缸30采用了液体静压轴承24的设计。

实施例2：本实用新型提供的一种声波钻进液压振动头，其结构基本如图1所示，不同的只是在旋转式液压调频阀31的阀芯14上每个台肩每排均布有6个油槽，同一台肩中相邻的每个油槽相距的圆心角φ为360/6=60°；在相邻的台肩中油槽相互错位，错位的角度为1/2的圆心角φ，即30°。

实施例3：本实用新型提供的一种声波钻进液压振动头，其结构基本如图1所示，不同的只是在旋转式液压调频阀31的阀芯14上每个台肩每排均布有18个油槽，同一台肩中相邻的每个油槽相距的圆心角φ为360/18=20°；在相邻的台肩中油槽相互错位，错位的角度为10°。

实施例4：使用本实用新型实施例1的声波钻进液压振动头，其工作过程参见图5、6所示。

图5中为液压振动缸30的活塞4做冲程运动，旋转式液压调频阀31的阀芯14处于图示位置，P与A相通，B与T相通，高压油进入液压振动缸30的上腔，活塞4迅速下行。图6为活塞4做回程运动，旋转式液压调频阀31的阀芯14处于图示位置时，P与B相通，A与T相通，高压油进入振动缸体下腔，活塞迅速上行。

伺服电机带20动阀芯14不断的旋转，高压油P1通过阀芯14上进出油槽孔21交替的输送到液压振动缸30的上下腔，从而完成高频激振。上偏置油槽22和下偏置油槽23起到平衡活塞4振动中心的作用。振动缸体2中间腔通压力油P2（P2>P1），当活塞4偏离中心位置时，振动缸体2的上腔或下腔与高压油P2接通，进行强制纠偏。当活塞4偏离中心位置向上时，振动缸体2的进油口A被关闭，同时，高压油P2经过上偏置油槽22进入振动缸体2上腔，在高压油P2的作用下，活塞4下行，回到振动缸体2中心位置。当活塞4偏离中心位置向下时，液压振动缸2的进油口B被关闭，同时，高压油P2经过下偏置油槽23进入振动缸体2下腔，在高压油P2的作用下，活塞4上行，回到振动缸体2中心位置。

本实用新型中液压振动系统的核心是由旋转式液压调频阀31控制液压油的流向，从而控制液压振动缸体30中活塞4的往复运动。本实用新型利用交流液压激振技术来设计液压振动头，运用伺服电机躯动旋转式液压调频阀的阀心旋转，实现高频强制配流和无级调频，通过改变阀芯的转速改变液压振动缸活塞的振动频率，实现大范围振动频率调节、振幅调节和大激振力输出。本实用新型适合用于的浅层取样声波钻机动力头。

Claims

1.一种声波钻进液压振动头，包括液压振动缸、旋转式液压调频阀、驱动电机、密封结构和液压系统，其特征在于：所述的液压振动缸含有支架，振动缸体、缸体前端盖、活塞、油口接头、静压油口接头、小孔节流器、缸体后端盖、上偏置油槽、下偏置油槽和液体静压轴承；所述的支架、缸体前端盖、缸体后端盖与振动缸体之间用弹簧垫圈和调整垫片配合螺钉连接，所述的振动缸体与缸体后端盖还采用法兰形式连接；振动缸体中安装有活塞和液体静压轴承，液体静压轴承安装在缸体前端盖内的活塞杆上，振动缸体上设有油口接头、上偏置油槽和下偏置油槽，及对称设有2个静压油口接头；在缸体前、后端盖上各设有小孔节流器；在振动缸体上设有3条高压液压油的通道，其中的2条高压液压油的通道分别与活塞上、下冲程腔连通，1条高压油液通道与活塞中间平衡腔连接；

2.根据权利要求1所述的声波钻进液压振动头，其特征在于：所述的液体静压轴承，在其内圆柱面中对称地开有4个矩形油腔和2个回油槽，油腔和回油槽之间的圆弧面为周向封油面，液体静压轴承两端和油腔之间的圆弧面为轴向封油面；润滑油通过四个小孔节流器进入相应的静压腔内。

3.根据权利要求1所述的声波钻进液压振动头，其特征在于：所述的液体静压轴承的4个矩形油腔空载时容积相等，且对称均匀分布，各个小孔节流器的阻力相等，作用在各个静压油腔里面的液压力也相等。

4.根据权利要求1所述的声波钻进液压振动头，其特征在于：所述的缸体前端盖、缸体后端盖内还开有均压槽,在均压槽尾部设置回油槽，回油槽的油液通过回油孔返回油箱。

5.根据权利要求1所述的声波钻进液压振动头，其特征在于：所述的阀芯设有进、出油槽的三个台肩，第一、第三个台肩各设有一排油槽，第二个台肩设有两排的油槽，第一个台肩与第二个台肩下排油槽开口方向一致，第三个台肩与第二个台肩上排油槽开口方向一致。

6.根据权利要求5所述的声波钻进液压振动头，其特征在于：在所述的阀芯上每个台肩每排均布有6～18个油槽，同一台肩中相邻的每个油槽相距的圆心角

相等；在相邻的台肩中油槽相互错位，错位角度为1/2的圆心角

。

7.根据权利要求1所述的声波钻进液压振动头，其特征在于：所述的活塞与振动缸体之间，活塞与液体静压轴承两端结合面之间，活塞与缸体前端盖、活塞与缸体后端盖之间均采用间隙密封，活塞与缸体前端盖、活塞与缸体后端盖之间还采用了斯特封；所述的缸体前端盖、缸体后端盖与振动缸体之间的静密封采用O型圈密封，所述的转阀前端盖、转阀后端盖与阀体之间的静密封采用O型圈密封。

8.根据权利要求1所述的声波钻进液压振动头，其特征在于：所述的液压振动缸中的液体静压轴承与精滤油器B连接，精滤油器B通过管路分别连接变量泵B、压力表B和溢流阀，变量泵B通过滤油器、管路连接油箱；溢流阀也与油箱连接；液压振动缸还分别与蓄能器和旋转式液压调频阀连接；所述的旋转式液压调频阀与驱动电机连接；旋转式液压调频阀还与精滤油器A连接，精滤油器A通过管路分别连接压力表A、变量泵A和先导溢流阀，变量泵B通过滤油器、管路连接油箱；先导溢流阀也与油箱连接。