一种液压式超声波振动拔管机的制作方法

1.本实用新型属于勘探设备技术领域，用于地质勘探、隧道掘进、工程勘察等领域，特别涉及一种液压式超声波振动拔管机。


背景技术：

2.交通是国民经济中具有基础性、先导性、战略性的产业，目前国家综合立体交通网以“八纵八横”高速铁路主通道为主骨架已完成，远景规划，“全国123出行交通圈”（都市区1小时通勤、城市群2小时通达、全国主要城市3小时覆盖），建成交通强国。高速铁路及城市轨道交通基础设施的蓬勃发展对地质勘察提出更高要求，基础建设范围从黏性土、砂性土扩展到冻土、软土、湿陷性黄土、膨胀土等。人类在油气、资源勘探和基础设施建设中钻孔的深度越来越深，套管跟进深度越来越大，套管起拔和回收利用的难度也越来越高，如遇冻土、粉细砂或存在负摩阻力的土层，套管起拔难度系数几何倍加大。以多年冻土地区钻探进行说明，在厚层的冻结的砂砾状风化岩层中进行深孔钻进时，将套管及时跟进。下套管起到孔壁保护作用，但冻土地区钻探套管极易冻在孔内，不易取出，过夜后套管基本无法实现取出，其是亟待解决的技术难题；对于已经冻在孔内的套管，常规做法向孔内灌热水，使之融化，再以重锤震动反打，但涨入孔内热水将使土温复原时间延长，对于需要进行地温观测的钻孔，及冻土的原状岩芯扰动非常大，失去其研究价值。粉细砂地层、海上钻探等都经常出现套管无法起拔，不得已留置原孔位，浪费经济成本，并给后期桩基施工带来巨大的隐患，此处不一一举例。因此研发液压式超声波振动拔管机势在必行，为地质勘察套管起拔提供解决方法，解决套管起拔的技术难题。
3.液压拔管机是岩土钻掘工程中钻机的配套辅助设备，适用于地质勘探孔、灌注桩、旋喷钻进、锚索孔等采用跟管钻进工艺施工的工程，用于起拔钻孔护壁套管和钻杆，也可用于各类钻具事故处理中起拔套管和钻杆，但是在土体摩擦阻力大的地区使用时拔管效率依旧不高。
4.声波振动研究，苏联教授d.d.barkan首先提出声波（15~120hz）钻进是传统钻进方法钻进速度的3~20倍，开发了一种地面振动器“virodrilling”系统，靠振动作用钻进土层。超声波振动（频率》20000hz）利用共振效应，即超声波振动使得土体受到合理地共振，周期性的激振力作用于土体致使内部快速产生液化，利用振动与钻柱的自然谐振频率叠合产生共振，此时钻柱的作用就像飞轮或弹簧把能量传给周围土体，使钻柱的柱身以切削、剪切、断裂的方式排开其前进路径上的物质，引起周围土粒液化让钻进容易。然而目前还未有超声波振动在拔管作业方面的具体应用。


技术实现要素：

5.本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题提供一种液压式超声波振动拔管机，利用振动装置所产生的激振力使套管周围的土壤摩擦阻力明显下降，从而提高拔管效率。
6.本实用新型包括如下技术方案：
7.一种液压式超声波振动拔管机，包括超声波振动装置、液压给进机构和液压控制箱；所述液压给进机构包括底座、液压油缸和固定横梁，所述底座固定在地面上，所述超声波振动装置固装在底座中部，所述液压油缸位于超声波振动装置两侧，液压油缸内设有液压顶管，所述液压顶管顶部与固定横梁固装；所述固定横梁中部设有倒锥形卡槽，所述倒锥形卡槽内安装有匹配的倒锥形卡盘；所述超声波振动装置为中空圆柱状，使用时待拔起的套管穿过超声波振动装置和倒锥形卡盘。
8.进一步的，所述底座中部设有能够容纳套管穿过的通孔，所述超声波振动装置底部四角处通过第一固定螺栓与所述底座固装并位于所述通孔上方；所述液压顶管通过第二固定螺栓与固定横梁固装；所述底座四角均设有安装孔，安装孔内安装第三固定螺栓或地锚，方便将超声波振动拔管机固定于地面，形成框架式稳定结构。
9.进一步的，所述倒锥形卡盘均分为三块，每块顶面中部均设有卡扣；更换符合钻杆或套管直径的倒锥形卡盘时，卡扣可充当着力点，以便绳索或挂钩钩住并提起倒锥形卡盘；所述倒锥形卡盘和倒锥形卡槽为锥度配合。
10.进一步的，所述超声波振动装置包括振动装置保护壳和若干超声波振动器；所述超声波振动器通过弹簧螺栓安装在振动装置保护壳内的侧壁上，弹簧螺栓上安装有刚性弹簧；所述超声波振动器朝向内部一侧安装有环状振动头。
11.进一步的，所述超声波振动器内设有四片环状的压电陶瓷，每片压电陶瓷的上下端面均分别贴有环状电极片；所述超声波振动器内还设有负极导电铜环和正极导电铜环，负极导电铜环连接至零线，正极导电铜环连接至火线。
12.进一步的，四片所述压电陶瓷每片的顶面和底面均设有缓冲垫圈，位于两端的所述缓冲垫圈外侧均设有橡胶垫圈，远离环状振动头的橡胶垫圈与超声波振动器底面之间设有若干柔性弹簧。
13.进一步的，所述液压控制箱控制超声波振动装置和液压给进机构工作；所述液压控制箱侧面设有振动装置调频旋钮、显示面板以及振动装置启动按钮来控制超声波振动装置；所述液压控制箱顶部设有给进电机和油缸升降旋钮，通过控制油缸升降旋钮控制液压油缸的升降。
14.进一步的，所述液压油缸下方设有第一进出油口和第二进出油口，所述油缸升降旋钮下方设有第三进出油口和第四进出油口；液压油缸、液压控制箱和给进电机之间通过导油管连接。
15.进一步的，连接至所述给进电机的导油管上设有油压给进阀门和仪表。
16.一种使用上述液压式超声波振动拔管机的拔管方法，包括以下步骤：
17.s1组装并在地面上固定超声波振动拔管机，确保超声波振动装置中空部分对准地面孔位并进行现场调平和固定；通过第三固定螺栓将底座固定在地面上，通过第一固定螺栓将超声波振动装置固定在底座上；
18.s2卡盘选型和液压调试，根据套管尺寸选取直径合适的倒锥形卡盘放入倒锥形卡槽内，开启油压给进阀门为液压油缸供油，然后通过油缸升降旋钮控制液压给进，实现给进油压的的无级调节，从而调节实现液压油缸恒速升降；上升时，随着液压顶管带动固定横梁上升使倒锥形卡槽推动倒锥形卡盘卡住套管上升，上升过程中倒锥形卡槽与倒锥形卡盘锥
度配合，越来越紧卡住套管；反之，下降时倒锥形卡槽与倒锥形卡盘锥度配合松开进而松开套管；
19.s3启动并调节超声波振动装置，通过振动装置启动按钮启动超声波振动装置并通过振动装置调频旋钮调整其振动频率至当地土壤的最优振动频率，超声波振动装置的环状压电陶瓷产生环向的超声波振动力，进而对套管及套管周边土体产生超声波振动力使土体液化，降低土壤摩擦阻力；套管穿过超声波振动装置中空部位后，超声波振动器处于密闭空间中，既能够将环状压电陶瓷的超声波频率振动环向的锤击套管并沿着套管传递给周围土层产生共振液化，又能够保证其密封性。由于超声波振动器内部构造较为精密，施钻时工作环境复杂恶劣，为了避免套管起拔时附带出的泥浆液和弃土进入超声波振动器内，因此使超声波振动器处于密闭空间中以保持干燥良好的运行状态。确保液压式超声波振动拔管机在正常工作时，能够稳定地进行与土体“自然频率”一致的超声波频率振动；
20.s4起拔套管并实时调整振动频率，通过振动装置调频旋钮实现无级调节超声波振动装置的振动频率以达到最佳共振效果，通过显示面板设定振动频率值并根据套管的起拔难易反馈的土体起拔阻力来动态调整振动频率，使套管周围土体液化效果最佳，起拔阻力最小，直至套管顺利拔出；
21.s5通过振动装置启动按钮关闭超声波振动装置，将液压油缸复位，最后关闭油压给进阀门，整理工作平面。
22.本实用新型具有的优点和积极效果：
23.1、本实用新型通过在液压油缸下方设置超声波振动装置通过共振使周围土粒液化让套管起拔容易，当液化效应达到一定程度后土体摩阻力会大幅度急剧下降，使得拔管效率大幅度提高。
24.2、本实用新型利用超声波振动装置所产生的激振力，使套管产生高频振动并通过超声波振动器的环状振动头传给套管，使套管产生振动，套管周围的土壤由于受到振动作用，摩擦阻力明显下降，在拔套管时，振动可使拔套管阻力显著减小，只需较小的提升力就能把套管拔出。
25.3、本实用新型采用的超声波振动器内部的环状压电陶瓷与柔性弹簧相连，使环状压电陶瓷始终处于一定压应力下，减少压电陶瓷因受拉被破坏（压电陶瓷的抗拉强度较低），延长使用寿命。
附图说明
26.图1是本实用新型的主体结构示意图。
27.图2是超声波振动装置的剖面示意图。
28.图3是超声波振动器内部剖面放大示意图。
29.图4是控制装置的立体结构示意图。
30.图中，1-超声波振动装置；101-第一固定螺栓；102-超声波振动器；103-振动装置保护壳；104-弹簧螺栓；105-刚性弹簧；106-环状振动头；
31.2-固定横梁；201-倒锥形卡槽；202-第二固定螺栓；
32.3-倒锥形卡盘；301-卡扣；4-底座；401-第三固定螺栓；
33.5-液压控制箱；501-振动装置调频旋钮；502-显示面板；503-振动装置启动按钮；
34.6-液压顶管；7-液压油缸；701-第一进出油口；702-第二进出油口；
35.8-油缸升降旋钮；9-第三进出油口；10-第四进出油口；11-压电陶瓷；12-负极导电铜环；13-缓冲垫圈；14-正极导电铜环；15-橡胶垫圈；16-柔性弹簧；17-零线；18-火线；19-仪表；20-油压给进阀门；21-给进电机。
具体实施方式
36.为能进一步公开本实用新型的发明内容、特点及功效，特例举以下实例并结合附图详细说明如下。
37.实施例：参阅附图1-4，一种液压式超声波振动拔管机，包括超声波振动装置1、液压给进机构和液压控制箱5；所述液压给进机构包括底座4、液压油缸7和固定横梁2，所述底座4固定在地面上，所述超声波振动装置1固装在底座4中部，所述液压油缸7位于超声波振动装置1两侧，液压油缸7内设有液压顶管6，所述液压顶管6顶部与固定横梁2固装；所述固定横梁2中部设有倒锥形卡槽201，所述倒锥形卡槽201内安装有匹配的倒锥形卡盘3；所述超声波振动装置1为中空圆柱状，使用时待拔起的套管穿过超声波振动装置1和倒锥形卡盘3。所述倒锥形卡盘3均分为三块，每块顶面中部均设有卡扣301；更换符合钻杆或套管直径的倒锥形卡盘3时，卡扣301可充当着力点，以便绳索或挂钩钩住并提起倒锥形卡盘3；所述倒锥形卡盘3和倒锥形卡槽201为锥度配合。
38.所述底座4中部设有能够容纳套管穿过的通孔，所述超声波振动装置1底部四角处通过第一固定螺栓101与所述底座4固装并位于所述通孔上方；所述液压顶管6通过第二固定螺栓202与固定横梁2固装；所述底座4四角均设有安装孔，安装孔内安装第三固定螺栓401或地锚，方便将超声波振动拔管机固定于地面，形成框架式稳定结构。
39.如图2-3所示，所述超声波振动装置1包括振动装置保护壳103和若干超声波振动器102；所述超声波振动器102通过弹簧螺栓104安装在振动装置保护壳103内的侧壁上，弹簧螺栓104上安装有刚性弹簧105；所述超声波振动器102朝向内部一侧安装有环状振动头106。所述超声波振动器102内设有四片环状的压电陶瓷11，每片压电陶瓷11的上下端面均分别贴有环状电极片；所述超声波振动器102内还设有负极导电铜环12和正极导电铜环14，负极导电铜环12连接至零线17，正极导电铜环14连接至火线18。四片所述压电陶瓷11每片的顶面和底面均设有缓冲垫圈13，位于两端的所述缓冲垫圈13外侧均设有橡胶垫圈15，远离环状振动头106的橡胶垫圈15与超声波振动器102底面之间设有若干柔性弹簧16。
40.如图1和图4所示，所述液压控制箱5控制超声波振动装置1和液压给进机构工作；所述液压控制箱5侧面设有振动装置调频旋钮501、显示面板502以及振动装置启动按钮503来控制超声波振动装置1；所述液压控制箱5顶部设有给进电机21和油缸升降旋钮8，通过控制油缸升降旋钮8控制液压油缸7的升降。所述液压油缸7下方设有第一进出油口701和第二进出油口702，所述油缸升降旋钮8下方设有第三进出油口9和第四进出油口10；液压油缸7、液压控制箱5和给进电机21之间通过导油管连接，第一进出油口701与第三进出油口9连接通过导油管连接，第二进出油口702与第四进出油口10通过导油管连接。连接至所述给进电机21的导油管上设有油压给进阀门20和仪表19。
41.使用上述液压式超声波振动拔管机的拔管方法，包括以下步骤：
42.s1组装并在地面上固定超声波振动拔管机，确保超声波振动装置1中空部分对准
地面孔位并进行现场调平和固定；通过第三固定螺栓401将底座4固定在地面上，通过第一固定螺栓101将超声波振动装置1固定在底座4上；
43.s2卡盘选型和液压调试，根据套管尺寸选取直径合适的倒锥形卡盘3放入倒锥形卡槽201内，开启油压给进阀门20为液压油缸7供油，然后通过油缸升降旋钮8控制液压给进，实现给进油压的的无级调节，从而调节实现液压油缸7恒速升降；上升时，随着液压顶管6带动固定横梁2上升使倒锥形卡槽201推动倒锥形卡盘3卡住套管上升，上升过程中倒锥形卡槽201与倒锥形卡盘3锥度配合，越来越紧卡住套管；反之，下降时倒锥形卡槽201与倒锥形卡盘3锥度配合松开进而松开套管。
44.s3启动并调节超声波振动装置1，通过振动装置启动按钮503启动超声波振动装置1并通过振动装置调频旋钮501调整其振动频率至当地土壤的最优振动频率，超声波振动装置1的环状压电陶瓷11产生环向的超声波振动力，进而对套管及套管周边土体产生超声波振动力使土体液化，降低土壤摩擦阻力；套管穿过超声波振动装置1中空部位后，超声波振动器102处于密闭空间中，既能够将环状压电陶瓷11的超声波频率振动环向的锤击套管并沿着套管传递给周围土层产生共振液化，又能够保证其密封性。由于超声波振动器102内部构造较为精密，施钻时工作环境复杂恶劣，为了避免套管起拔时附带出的泥浆液和弃土进入超声波振动器102内，因此使超声波振动器102处于密闭空间中以保持干燥良好的运行状态。确保液压式超声波振动拔管机在正常工作时，能够稳定地进行与土体“自然频率”一致的超声波频率振动。
45.s4起拔套管并实时调整振动频率，通过振动装置调频旋钮501实现无级调节超声波振动装置1的振动频率以达到最佳共振效果，通过显示面板502设定振动频率值并根据套管的起拔难易反馈的土体起拔阻力来动态调整振动频率，使套管周围土体液化效果最佳，起拔阻力最小，直至套管顺利拔出;
46.s5通过振动装置启动按钮503关闭超声波振动装置1，将液压油缸7复位，最后关闭油压给进阀门20，整理工作平面。
47.工作原理：
48.本实用新型通过在液压油缸7下方设置超声波振动装置1通过共振使周围土粒液化让套管起拔容易，当液化效应达到一定程度后土体摩阻力会大幅度急剧下降，使得拔管效率大幅度提高。本实用新型利用超声波振动装置1所产生的激振力，使套管产生高频振动并通过超声波振动器102的环状振动头106传给套管，使套管产生振动，套管周围的土壤由于受到振动作用，摩擦阻力明显下降，在拔套管时，振动可使拔套管阻力显著减小，只需较小的提升力就能把套管拔出。
49.本实用新型采用的超声波振动器102内部的环状压电陶瓷11与柔性弹簧16相连，使环状压电陶瓷11始终处于一定压应力下，减少压电陶瓷11因受拉被破坏（压电陶瓷11的抗拉强度较低），延长使用寿命。
50.尽管上面对本实用新型的优选实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式。这些均属于本实用新型的保护范围之内。