一种液压高频振动回转动力头及其钻进方法与流程

本发明涉及地表覆盖地层高效钻进技术领域，特别涉及到一种液压高频振动回转动力头及其钻进方法，具体涉及到应用液压振动器产生的高频激振力与回转运动相结合，实现高频振动回转钻进的钻进工具及液压振动回转钻进方法。

背景技术：

随着城市化进程加快和现代工业的飞速发展，环境地质问题成为各个城市可持续发展进程中亟待解决的重点问题，对环境地质勘察的要求也逐步提高。我国常规的环境地质勘察方法，是通过回转钻进取样，存在复杂地层钻进效率低、泥浆对样品有污染、钻机的钻进功能单一、机动性差、钻进能力不足、钻井成本高等问题。

高频冲击回转可解决上述问题，但国内南京贻润、江苏盖亚、浙江清阳等环境工程有限公司，国外西班牙tecop,s.a.公司、美国geoprobe公司及ams集团生产的环境取样钻机，无锡探矿机械厂、中国煤炭地质总局、吉林大学、中国地质大学(北京)，英国ecoprobe、荷兰eijkelkamp、美国boartlongyear、加拿大sonicdrill和日本toneboring等公司生产和研制的声波钻机，动力头上配置的均为机械偏心轮式振动器。中煤地第二勘探局有限责任公司、湖南科技大学拥有的相关专利也是机械偏心轮式振动器。该类型振动器因振动频率低，不适应致密高强度地层，且存在易发热、寿命低的技术问题。满足不了环境地质调查的快速、高效的要求，也满足不了工程地质勘测孔、水文地质观察孔及地源热泵孔的高效施工要求。液压高频振动器具有振动频率高、频率范围大、振动力大、工作性能稳定、效率高、寿命长的优点，可解决机械偏心轮式振动器存在的技术问题，满足环境地质勘察及相关领域的施工需求。

本发明针对以上问题，通过液压高频振动回转动力头及其钻进方法，对现有技术进行改进和优化，以实现高效、低成本钻进。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种液压高频振动回转动力头及其钻进方法，用于解决在环境地质及工程地质勘察、水文地质观察及地源热泵孔施工领域中，存在的振动器振动频率低、易发热、稳定性差、寿命低，钻进效率低、成本高的技术问题。

本发明之一种液压高频振动回转动力头，包括液压振动器和双马达回转动力头；

所述的液压振动器与双马达回转动力头的壳体部分通过螺钉连接在一起；

所述的液压振动器包括油槽、p高压油进油管、阀体、阀套、阀芯、密封圈、紧定螺钉、回油口ⅰ、油口ⅰ、油口ⅱ、回油口ⅱ、下腔油管、p高压油进油管、上腔油管、冲击器壳体、上偏置油槽、振动器活塞、活塞杆、下偏置油槽、冲击头、导向套。阀芯上设有三个开有进出油槽的台肩，每个台肩开有多个油槽，在同一个台肩上，相邻的两个油槽相距设定的圆心角；在相邻的台肩上，油槽是相互错位的，第一个台肩和中间台肩下方的油槽开口是一致的，第三个台肩和中间台肩上方的油槽开口位置也是一致；p高压油进油管与油槽相连，油槽的另一端分别连接回油口ⅰ、回油口ⅱ、油口ⅰ和油口ⅱ；油口ⅰ和油口ⅱ分别联通上腔油管和下腔油管，p高压油进油管与振动器中腔相连。冲击器壳体与上偏置油槽、下偏置油槽相连，上偏置油槽位于液压振动器上腔侧边位置，下偏置油槽位于液压振动器下腔侧边位置，振动器活塞与活塞杆相连，位于冲击器壳体内部，振动器活塞与冲击器壳体相接触，振动器活塞将液压振动器分为上、中、下三个腔体部分，活塞杆下端为冲击头，冲击头与双马达回转动力头相接触，导向套与冲击头相接触，圆锥滚子轴承与滑键套相接触，第一轴承盖、第二轴承盖与齿轮轴下部轴承相接触，定位轴承。

所述的双马达回转动力头包括主轴、液压马达ⅰ和液压马达ⅱ；液压马达ⅰ和液压马达ⅱ分别通过轴承固定并驱动齿轮轴定向转动，齿轮轴带动大齿轮转动，大齿轮通过平键带动滑键套转动，滑键套通过滑键带动主轴回转，滑键套与主轴之间为滑键装配，主轴在滑键套内能上下滑动，确保振动力有效传给下部钻杆。液压振动器产生的向下激振力作用在主轴的上端，主轴通过钻杆传给钻头；压盖与冲击器上壳体、顶盖相连，封堵腔体。

动力头主轴下端连接钻杆和钻头，动力头带动钻杆和钻头回转时向下给进加压，振动器的冲击头压在动力头的主轴上。在高压油驱动下，振动器活塞产生高频的上下振动，活塞的振动力通过冲击头传给主轴、钻杆和钻头，实现钻头的高频振动回转钻进。

本发明的工作原理：

通过紧定螺钉将液压振动器、双马达回转动力头连接固定在一起，当伺服电机带动液压调频阀阀芯在设定的转速下旋转时，高压油在进出油槽的分配下交替地进入液压振动缸上下腔，驱动液压振动器活塞的周期性高频往复运动，产生的向下激振力作用在动力头主轴的上端，主轴通过钻杆传给冲击头，实现高频冲击。双马达回转动力头通过液压马达ⅰ和液压马达ⅱ驱动齿轮轴，齿轮轴将回转动力传给大齿轮，大齿轮通过平键传给滑键套，滑键套与主轴之间为滑键装配，将回转动力传给主轴。实现主轴带动钻头回转钻进。液压振动器、双马达回转动力头配合实现钻头的高频冲击回转钻进。当动力头提动钻具时，主轴下移，液压振动器的冲击头与主轴之间出现一定的间隙，确保了在提动钻具时，振动器的振动力作用不到回转器的主轴上，起到了安全保护作用。

本发明的工作过程：

a)高压油从p高压油进油管进入油槽，伺服电机带动液压调频阀阀芯在一定的转速下匀速旋转调控液压油的油路，将高压油和低压油分别通过油口ⅰ、油口ⅱ、上腔油管、下腔油管送入液压振动器的上腔和下腔，同时高压油从p高压油进油管进入液压振动器中腔；

b)高压油进入液压振动缸上腔时，下腔回油，振动器活塞迅速下行；

c)高压油进入液压振动缸下腔时，上腔回油，振动器活塞迅速上行；

d)当伺服电机带动阀芯不断地旋转，高压油从p高压油进油管进入，通过阀芯上的油槽交替地输送到液压振动缸的上、下腔，驱动活塞完成高频激振；

e)上偏置油槽和下偏置油槽起到平衡活塞振动中心的作用，p高压油进油管所进的高压油压强大于p高压油进油管所进的高压油压强，当振动器活塞偏离中心位置时，液压振动缸的上腔或下腔与p高压油进油管接通，进行强制纠偏；

f)当振动活塞偏离中心位置向上时，液压振动缸的油口ⅰ被关闭，同时，高压油通过p高压油进油管经过上偏置油槽进入液压振动缸上腔，在高压油进入p高压油进油管的作用下，振动活塞下行，回到振动中心位置；

g)当振动活塞偏离中心位置向下时，液压振动缸的油口ⅱ被关闭，同时，高压油通过p高压油进油管经过下偏置油槽进入液压振动缸下腔，在高压油进入p高压油进油管的作用下，振动活塞上行，回到振动中心位置；

h)液压马达ⅰ和液压马达ⅱ分别通过齿轮轴将回转动力传给大齿轮，大齿轮通过平键传给滑键套，滑键套与主轴之间为滑键装配，将回转动力传给主轴，主轴在滑键套内能上下滑动设定距离；液压振动器产生的向下激振力作用在主轴的上端，主轴通过钻杆传给钻头，实现液压高频振动回转钻进；

i)动力头提动钻具时，主轴相对冲击头下移，液压振动器的冲击头与主轴之间出现设定的间隙，确保了在提动钻具时，振动器的振动力作用不到回转器的主轴上，起到了安全保护作用。

液压高频振动回转钻进方法，包括以下步骤：

1)、动力头的主轴34下部连接钻杆和钻头；

2)、液压马达ⅰ和液压马达ⅱ通过轴齿轮、大齿轮、滑键套驱动主轴、钻杆、钻头回转；

3)、通过动力头对钻杆施加向下的压力，使振动器的冲击头压紧动力头的主轴；

4)、振动器中，通入高压油，并使p2高压油进油管所进的高压油压强大于p1高压油进油管所进的高压油压强，通过伺服电机驱动阀芯高速旋转，使p1高压油进油管的高压油驱动活塞并带动冲击头高频振动。p2高压油进油管的高压油确保振动器的活塞居于振动中心；

5)、冲击头将高频振动力传给动力头的主轴，主轴通过钻杆传给钻头，实现高频振动回转钻进；

6)、为防止卡钻、夹钻、憋泵等，钻进过程中通过动力头向上提动钻具时，动力头的主轴能相对冲击头下移，使振动器的振动头与主轴之间产生间隙，振动力作用不到动力头上，确保动力头安全。

7)、钻进结束后，动力头停止回转、高压油卸荷、提升钻具。

本发明的有益效果：

本发明对现有技术进行改进和优化，该发明利用液压振动器产生的向下激振力作用实现高频冲击回转钻进的目的，可解决机械偏心轮式振动器存在的技术问题，相比于现有的机械偏心轮式振动器该设备具有振动频率高、振动力大、工作性能稳定、效率高、寿命长的优点，并可适用于较硬的地层。当动力头提动钻具时，主轴下移，液压高频振动器的冲击头与主轴之间出现一定的间隙，确保了在提动钻具时，振动器的振动力作用不到动力头的主轴上，起到了安全保护作用。满足环境地质勘察及相关领域的施工需求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的冲程工作状态示意图。

图3是本发明的回程工作状态示意图。

图中：1-油槽；2-p1高压油进油管；3-阀体；4-阀套；5-阀芯；6-密封圈；7-紧定螺钉；8-回油口；9-油口ⅰ；10-油口ⅱ；11-回油口ⅱ；12-下腔油管；13-p2高压油进油管；14-上腔油管；15-冲击器壳体；16-上偏置油槽；17-振动器活塞；18-活塞杆；19-下偏置油槽；20-冲击头；21-液压马达ⅰ；22-液压马达ⅱ；23-导向套；24-顶盖；25-压盖；26-平键；27-轴承；28-滑键套；29-大齿轮；30-齿轮轴；31-圆锥滚子轴承；32-第一轴承盖；33-第二轴承盖；34-主轴。

具体实施方式

如图1所示，本发明之一种液压高频振动回转动力头，包括液压振动器和双马达回转动力头；

所述的液压振动器与双马达回转动力头的壳体部分通过螺钉连接在一起；

所述的液压振动器包括油槽1、p1高压油进油管2、阀体3、阀套4、阀芯5、密封圈6、紧定螺钉7、回油口ⅰ8、油口ⅰ9、油口ⅱ10、回油口ⅱ11、下腔油管12、p2高压油进油管13、上腔油管14、冲击器壳体15、上偏置油槽16、振动器活塞17、活塞杆18、下偏置油槽19、冲击头20、导向套23。阀芯5上设有三个开有进出油槽1的台肩，每个台肩开有多个油槽1，在同一个台肩上，相邻的两个油槽1相距设定的圆心角；在相邻的台肩上，油槽1是相互错位的，第一个台肩和中间台肩下方的油槽1开口是一致的，第三个台肩和中间台肩上方的油槽1开口位置也是一致；p1高压油进油管2与油槽1相连，油槽1的另一端分别连接回油口ⅰ8、回油口ⅱ1、油口ⅰ9和油口ⅱ10；油口ⅰ9和油口ⅱ10分别联通上腔油管14和下腔油管12，p2高压油进油管13与振动器中腔相连。冲击器壳体15与上偏置油槽16、下偏置油槽19相连，上偏置油槽16位于液压振动器上腔侧边位置，下偏置油槽19位于液压振动器下腔侧边位置，振动器活塞17与活塞杆18相连，位于冲击器壳体15内部，振动器活塞17与冲击器壳体15相接触，振动器活塞17将液压振动器分为上、中、下三个腔体部分，活塞杆18下端为冲击头20，冲击头20与双马达回转动力头相接触，导向套23与冲击头20相接触，圆锥滚子轴承31与滑键套28相接触，第一轴承盖32、第二轴承盖33与齿轮轴30下部轴承相接触，定位轴承。

所述的双马达回转动力头包括主轴34、液压马达ⅰ21和液压马达ⅱ22；液压马达ⅰ21和液压马达ⅱ22分别通过轴承27固定并驱动齿轮轴30定向转动，齿轮轴30带动大齿轮29转动，大齿轮29通过平键26带动滑键套28转动，滑键套28通过滑键带动主轴回转，滑键套28与主轴34之间为滑键装配，主轴34在滑键套内能上下滑动，确保振动力有效传给下部钻杆。液压振动器产生的向下激振力作用在主轴34的上端，主轴34通过钻杆传给钻头。压盖25与冲击器上壳体15、顶盖24相连，封堵腔体。

动力头主轴34下端连接钻杆和钻头，动力头带动钻杆和钻头回转时向下给进加压，振动器的冲击头压在动力头的主轴34上。在高压油驱动下，振动器活塞17产生高频的上下振动，活塞的振动力通过冲击头传给主轴34、钻杆和钻头，实现钻头的高频振动回转钻进。

本发明的工作原理：

通过紧定螺钉将液压振动器、双马达回转动力头连接固定在一起，当伺服电机带动液压调频阀阀芯5在设定的转速下旋转时，高压油在进出油槽1的分配下交替地进入液压振动缸上下腔，驱动液压振动器活塞17的周期性高频往复运动，产生的向下激振力作用在动力头主轴34的上端，主轴34通过钻杆传给冲击头，实现高频冲击。双马达回转动力头通过液压马达ⅰ21和液压马达ⅱ22驱动齿轮轴30，齿轮轴30将回转动力传给大齿轮29，大齿轮29通过平键26传给滑键套28，滑键套28与主轴34之间为滑键装配，将回转动力传给主轴34。实现主轴34带动钻头回转钻进。液压振动器、双马达回转动力头配合实现钻头的高频冲击回转钻进。当动力头提动钻具时，主轴34下移，液压振动器的冲击头与主轴之间出现一定的间隙，确保了在提动钻具时，振动器的振动力作用不到回转器的主轴上，起到了安全保护作用。

本发明的工作过程：如图2和图3所示；

a)高压油从p1高压油进油管2进入油槽1，伺服电机带动液压调频阀阀芯5在一定的转速下匀速旋转调控液压油的油路，将高压油和低压油分别通过油口ⅰ9、油口ⅱ10、上腔油管14、下腔油管12送入液压振动器的上腔和下腔，同时高压油从p2高压油进油管13进入液压振动器中腔；

b)高压油进入液压振动缸上腔时，下腔回油，振动器活塞17迅速下行；

c)高压油进入液压振动缸下腔时，上腔回油，振动器活塞17迅速上行；

d)当伺服电机带动阀芯5不断地旋转，高压油从p1高压油进油管2进入，通过阀芯5上的油槽1交替地输送到液压振动缸的上、下腔，驱动活塞完成高频激振；

e)上偏置油槽16和下偏置油槽19起到平衡活塞振动中心的作用，p2高压油进油管13所进的高压油压强大于p1高压油进油管2所进的高压油压强，当振动器活塞17偏离中心位置时，液压振动缸的上腔或下腔与p2高压油进油管13接通，进行强制纠偏；

f)当振动活塞17偏离中心位置向上时，液压振动缸的油口ⅰ9被关闭，同时，高压油通过p2高压油进油管13经过上偏置油槽16进入液压振动缸上腔，在高压油进入p2高压油进油管13的作用下，振动活塞17下行，回到振动中心位置；

g)当振动活塞17偏离中心位置向下时，液压振动缸的油口ⅱ10被关闭，同时，高压油通过p2高压油进油管13经过下偏置油槽19进入液压振动缸下腔，在高压油进入p2高压油进油管13的作用下，振动活塞17上行，回到振动中心位置；

h)液压马达ⅰ21和液压马达ⅱ22分别通过齿轮轴30将回转动力传给大齿轮29，大齿轮29通过平键26传给滑键套28，滑键套与主轴34之间为滑键装配，将回转动力传给主轴34，主轴34在滑键套28内能上下滑动设定距离；液压振动器产生的向下激振力作用在主轴34的上端，主轴34通过钻杆传给钻头，实现液压高频振动回转钻进；

i)动力头提动钻具时，主轴34相对冲击头20下移，液压振动器的冲击头与主轴34之间出现设定的间隙，确保了在提动钻具时，振动器的振动力作用不到回转器的主轴上，起到了安全保护作用。

液压高频振动回转钻进方法，包括以下步骤：如图2和图3所示；

1)、动力头的主轴34下部连接钻杆和钻头；

2)、液压马达ⅰ21和液压马达ⅱ22通过轴齿轮30、大齿轮29、滑键套28驱动主轴34、钻杆、钻头回转；

3)、通过动力头对钻杆施加向下的压力，使振动器的冲击头压紧动力头的主轴34；

4)、振动器中，通入高压油，并使p2高压油进油管13所进的高压油压强大于p1高压油进油管2所进的高压油压强，通过伺服电机驱动阀芯5高速旋转，使p1高压油进油管2的高压油驱动活塞17并带动冲击头高频振动。p2高压油进油管13的高压油确保振动器的活塞17居于振动中心；

5)、冲击头将高频振动力传给动力头的主轴34，主轴通过钻杆传给钻头，实现高频振动回转钻进；

6)、为防止卡钻、夹钻、憋泵等，钻进过程中通过动力头向上提动钻具时，动力头的主轴34能相对冲击头20下移，使振动器的振动头与主轴34之间产生间隙，振动力作用不到动力头上，确保动力头安全。

7)、钻进结束后，动力头停止回转、高压油卸荷、提升钻具。