用于海底振动取样钻进的振动器设计理论与实践.pdf

探矿工程 ( 岩土钻掘工程) 第 3 6卷第 5期 用于海底振动取样钻进的振动器设计理论与实践 段新胜 ， 顾 湘 ， 鄢泰宁 ， 补 家武 ， 任雁胜 ( 1 中国地质大学( 武汉) S - 程学院， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 4； 2 中国地质大学( 武汉) 机械电子信息学院， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 ) 摘要： 与地表振动钻进相比， 在海底振动钻进过程中， 存在海水的阻尼及海水参与振动等问题。采用简化的力学 模型并用修正系数考虑了海底振动钻进的特殊工况， 对影响振动钻进效果的振动器振动参数进行了全面分析 ， 并 设计了一种适合于在水深 5 0 0 m以浅的海底土层进行振动取样钻进的振动器。 关键词： 海底振动取样； 振动器振动参数； 理论和设计实践 中图分类号： P 6 3 4 3 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 2 7 4 2 8 ( 2 0 0 9 ) 0 5 0 0 3 6 0 5 De s ig n Th e o r y a n d P r a ct i ce o f Vi b r a t o r f o r S e a b e d Vib r a t i n g S a mp l i n g DU A N n s h e n g ，Y AN T a i 一 ，BU 一 W U ， R E N a n s n g ( 1 F a cu l U o f E n g i n e e r in g ， C h i n a U n iv e r s i t y o f G eos ci e n e e s ， Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 7 4， C h i n a ； 2 F a c- u h y o f Me ch a n ic E l e ct r o n i c I n f o r m a t io n ， C h i n a U n i v e r s i ty o f G e o s ci e n ce s ， Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 7 4， C h in a ) Ab s t r a ct ：C o mp a r e d t o t h e v ib r a t in g s a mp l in g o n t h e g r o u n d，t h e r e a r e p r o b l e ms o f s e a wa t e r d a mp in g a n d s e a w a t e r v ib r a t i n g d u ri n g s e a b e d v i b r a t i n g d r il l i n g S imp l ifie d me ch a n ica l mo d e l a n d modi fi e d co e ff i cie n t s w e r e t a k e n i n t o a cco u n t o f the s p e ci fic co n d i t i o n s i n t h e s e a b e d，t h e e ff e ct s o n v i b r a t i n g p e h e t r a t i o n b y v a r i o u s v ib r a t in g p ara me t e r s o f s e abe d v ib rat i n g s am p l e r h a d b e e n d i s cu s s e d i n t h i s p a p e r A s e a b e d v ib r a t in g s am p l e r s u it a b l e f o r s e a b e d s o i l a t 5 0 0 m d e p th h a d b e e n d e s ig n e d a cco r d in g t o t h e d e s ig n t h e o r y d is cu s s e d in t h is p a p e r Ke y wo r d s ：s e ab e d s a mp l in g ；v ib r a ti n g p aram e t e rs o f v ib rat o r ；the o ry a n d d e s ig n p r a ct ice 1 概 述 对海洋资源的勘探和开发能力 ， 是一个 国家海 洋技术水平的主要标志。目前世界各国都对海洋资 源的开发投入了大量的人力和物力。我国是一个海 域非常广阔的沿海 国家 ， 管辖的海域面积近 3 0 0万 k m ， 大约占陆地国土面积的 1 3 。勘探开发海洋资 源 ， 建设海洋强国， 是实现中华 民族伟大复兴 的战略 任务。 振动式水底取样钻机可广泛用于海洋 、 湖泊 、 河 流 、 港湾 、 池塘和沼泽的水下非致密沉积物 中钻进取 样 。它是通过振动器带动岩心管作 中频或高频振 动， 使接触岩心管管壁的水底沉积层中产生超静孔 隙水压力， 从而减小沉入阻力和增大取样长度。根 据我国海域综合调查提出的“ 近海为主、 应 用为主 、 当前为主” 的方针 ， 由中国地质调查 局发展研究 中 心资助， 本课题组研制的“ 遥控式海底振动取样钻 机” ， 适用于在水深 5 0 0 m以浅海底钻取土样 ， 取样 长度为 3 m。 海底振动取样钻机的性能优劣主要取决于其振 动器的参数设计与选择。与地表振动钻进相 比， 在 海底振动钻进过程 中， 存在海水 的阻尼及海水参与 振动等问题 ， 没有现成的设计理论和设计方法， 课题 组在“ 遥控式海底振动取样钻机” 设计中对这一问 题进行 了系统研究 。 2 海底振动钻进的力学模型及运动方程式 海底振动钻进过程是一个比较复杂的多 自由度 振动， 在一般的工程计算中常将其进行简化。目前 常用的是把振动钻进简化为单 自由度有阻尼的强迫 振动 ， 这些简化包括 ： ( 1 ) 振动只限于给进方 向( 纵 向振动 ) ， 而不计 及可能产生的横向振动 ； ( 2 ) 与土层相比， 钻杆的弹性模量很大， 故将它 视为绝对刚体 ， 而忽略它 的纵向弹性变形及横 向弯 曲变形 ； ( 3 ) 钻杆下沉的位移等于土壤的弹性变性及塑 性变形之和， 而塑性变形部分将不影响系统的强迫 振动及 自由振动 ， 故在建立力学模型时将 土壤作为 弹性介质来考虑 ； 。 ( 4 ) 在振动作用下 ， 土壤对下沉构件 的阻力及 海水的粘滞阻力与振动速度成正 比； ( 5 ) 土壤及振动器周边的海水参与振动问题用 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 21 3 基 金项 目： 中国地质调查局地质调查项 目“ 遥控式海底 振动取样钻机 ” ( 编号： 0 9 0 0 2 0 9 0 1 2 ) 作者简介 ： 段新 胜( 1 9 6 2一) ， 男 ( 汉族) ， 湖北黄梅人 ， 中国地质大学 ( 武汉) 教授 ， 地质工程专业 ， 博士 ， 从事工程勘察 、 基础工程及地源热泵 系 统教学与科研工作 ， 曾在美国康奈尔大学学 习工作两年 ， 湖北省武汉市鲁磨路 3 8 8号 ， x d 2 6 cu g e d u cn 。 2 0 0 9年 5月 探矿工程( 岩土钻掘工程) 3 7 修正系数来考虑。 这些简化虽然与实际情况有些出入 ， 但它使计 算变得简单而易于理解和接受 ， 同时在一定范围内 计算所得还是比较接近实际情况的。在利用以上简 化条件得出的计算公式时应注意客观情况是否与这 些简化假设情况接近， 例如振动器下面所接的钻杆 的长度不能太大( 本次设计 的海底振动取样钻机振 动器下面的钻杆长度为 3 5 m) 。 根据以上假设 ， 图 1 所示海底振动取样钻进系 统就可简化为图 2所示的质量 一弹簧振动系统， 其 阻尼就是土壤的给进阻力及海水的粘滞阻力 ， 这是 一 个有阻尼的单 自由度强迫振动， 其振动动力学方 程 为 ： 图 1 海底振动取样钻进原理圈 图2 海底振动取样钻进力学模型 + + e y= P s i n to t ( 1 ) 式 中： 一 阻 尼 系 数 ； c土 壤 的 弹 性 系 数 ； M参振质量， 包括振动器及 与之刚性联接 的钻 具质量； ) ， 卜给进方向的位移、 振动速度及加 速度 ； P 一一激振力 的幅值； 偏心块 的旋转角 速度 ； 一 一 时间。 根据牛顿定律 ， 激振力的幅值 P按下式计算 ： P=( G o e g ) to =( K g ) to ( 2 ) 式中： G o 振动器中全部偏心块 的质量和 ； e 偏心距 ； 偏心 力矩 ， K=G o e ； g 重 力加速 度。 设 n= ( 2 M) 、 k = c 、 h= P ， 代人 ( 1 ) 式 得 ： +2n y=k v=h s in tot 这是一个典型的强迫振动微分方程式 ， 它的解 为： Y= A s in ( to t + o ) ( 3 ) 式 中： 。 初 始 相 位 角； 振 幅， A = 、 ( 一 ) + 4 n 。 由于 h=P =( K G ) to ( G=M g为所有参与 振动的部件的总质量和) ， 代人振幅计算式 ， 并将分 子和分母同除以 k 得 ： A= ( K G ) ( k ) ( 1 一 k ) + 4 ( n 2 k ) ( k ) ( 4 ) 时 1 jto k 4 k Ca) k 1 ， ( 一 ) + ( n ) ( ) 此时的振幅称为极限振幅 A ： A =K G ( 5 ) 一 般用振动钻钻取土样时其振动系统的 自振频 率约为 k 4 0 6 0 S 。 振动取样钻一般是用电动机直接带动偏心块旋 转， 系统的干扰 圆频率 即偏心块旋转时的角速度 to ( to 0 1 0 4 n ， n为 回转 速度) ， 当 n=1 4 7 0 、 2 9 3 0 r m in时， to 1 5 0 、 3 0 0 S ， ， 故 A A 。 所以振动取样钻可利用公式 ( 5 ) 来计算钻具 的 振幅 ， 或者根据选定振幅来计算所需的偏心力矩 。 考虑到土壤和海水参与振动的影响， 实际振幅 A常小于理论计算的数值 ： A： a A =O ( K G) ( 6 ) 一 般取 0 7 50 9 5 ： 对粘土 、 粉质粘土 = 0 7 5 0 8 5 ； 粉土、 粉砂 =0 8 5 ； 细砂 =0 9 0 95。 3 振幅对钻进速度的影响及选择 设用一可变偏心力矩 的振动器与钻具刚性联 接 ， 该振动器的质量 比钻具纵向弯曲临界荷载小得 多 ， 改变偏心力矩时可 以使振幅大小改变。当振动 器驱动钻具作纵 向强迫振动且振幅比较小时 ， 钻具 与土壤在平衡位置一起以相同的振幅上下往复振动 3 8 探矿工程 ( 岩土钻掘工程) 第 3 6卷第 5期 而无给进； 当振幅逐渐增大并超过某一数值后钻具 与土壤之间产生相对滑移 ， 此时给进才开始。开始 产生给进时 的振幅称为起始振幅 A 。 。当继续增大 振幅时， 给进速度亦随之直线上升 ， 但 当振幅大 于 A 时 ， 给进速度就不再呈线性增长 ( 图 3 ) 。故设计 振动器时 ， 应使 A 。 T k 。=9 6 4 k N 6 沉入 比压 作用于钻具端面上总下压荷载 G与钻具端面 截面积 的比值称为沉入比压， 用 P表示。 P=G F P ( 9 ) 式中： C !作用于钻具端面上的总下压荷载 ， G=G +C b +G ； G 钻具质量 ； G b 振动器质 量； G 一 一 附加在振动器或钻具上的荷载； P 0 沉 入比压的最小值 ， 振动取样钻一般都用于钻取土样， 最小 比压一般为 1 0 02 0 0 k P a ； F 钻具端面截 面积 。 沉入比压大于其最小值时才能实现钻具的沉人 ( 给进) ； 当沉入 比压不足时 ， 沉入速度下降 ， 甚至不 能沉人。此时可增加附加荷载来加大比压。过分增 大沉入 比压时 ， 沉入速度不仅不增加反而降低。 一 般要求沉人 比压 P=( 11 5 ) P 。按极限情 况考虑 ， 要求沉人 比压 P=1 52 0 0=3 0 0 k P a 。课 题组研制的“ 海底振动取样钻机” 在不施加辅助下 压荷载时G=1 2 0 9 8 1 =1 1 7 7 N， 实际沉人比压： P=1 1 7 7 ( r 4 )x O 0 7 = 3 0 6 k P a 。 7 作用在钻 头上的下压 荷载与激振力的比值 ( G P) 给进速度及钻进深度能力随C P值增加而增 大 。开始增大显著 ， 随后逐步减缓 ， 到某一峰值后 ， 便开始下降 ， 因此 G P值应该有一较合理的数值 范围， 对于振动取样钻这一数值范 围为 0 1 5 0 5 ， 即 ： 0 1 5G P 0 5 ( 1 2 ) 如果不进行辅助加压， “ 遥控式海底振动取样 钻机” 作用在钻头上的下压荷载为振动系统的总重 力 ， G P=1 1 7 7 N 1 1 1 3 9 N= 0 1 0 6， 与激振力相 比钻机振动系统的总重力偏小 ， 不能满足 ( 1 2 ) 式的 要求 ， 故需要辅助加压 。为此设计 了油缸辅助加压 系统 ， 考虑到给钻具加压的反力要 由钻机 的重力来 平衡 ， 钻机的总重量 6 3 6 k g ， 故油缸辅助加压能力设 计为 4 0 0 k g ， 考虑了油缸辅助加压能力后 ， G P= ( 1 2 0+ 4 0 0 ) 9 8 1 1 1 1 3 9=5 1 0 1 N 1 l 1 3 9 N：0 4 6， 此时作用在钻头上的下压荷载即可满足式 ( 1 2 ) 的 要求。 8 振动器电动机功率的确定 振动钻的功率消耗有两大部分， 一部分是克服 土壤阻力和海水阻力的功率消耗 ， 另一部分是振荡 器内部机构运转时的功率消耗。比较实用的用于地 面的振动器所需功率的计算公式是 ： N o ：K ( 4 c )X 1 0 ” ( k W) 式中： K 偏心力矩， N m m； G 参与振动的全 部机件重力 ， N； 振动圆频率 ， S 。 由于土壤及海水参与振动及振荡器本身运转时 也要消耗一部分功率， 所以由上式求得的功率还要 增加 2 0 5 0 ， 因此 ： N =( 1 21 5 ) ： x l o 圳 k w( 1 3 ) ， 1 一 一 、一 ， 故“ 遥控式海底振动取样钻机” 振动器 所需的 功率为 ： -1 5 x l 0 2 3 k W “ 遥控式海底振动取样钻机” 振动器的两组偏 心块分别各由一个功率为 1 5 k W 两级三相交流电 动机带动， 通过齿轮传动保持其同步。 4 0 探矿工程 ( 岩土钻掘工程 ) 第 3 6卷第 5期 9 结 论 ( 1 ) 一般振动取样钻的激振频率 k ， k为系 统的共振频率 ， 此时钻具的振幅基本上不受海底复 杂工况的影响而趋 于稳定的极限振幅 。较高的 振幅还有利于降低钻具的贯入阻力和心样的上升阻 力 ， 但激振器的功耗会 大大增加。激振器所需功率 可按( 1 3 ) 式计算 。 ( 2 ) 振动系统 的振 幅必须大于起始振幅 A 。钻 具才能开始进尺 ， 一般可取系统的设计振 幅为 A= 3 ， 振幅确定后可按 ( 7 ) 式确定振动器的偏心力矩 K。 ( 3 ) 振动器的激振力必须大于钻具给进时的总 侧阻力 P。下压荷载( 静荷载) G与激振力之间合 适的比例关系为G P= 0 1 5 0 5 ， 而沉人比压 ( 单位钻具底面积的下压荷载 ) 必须大于最小比压 ， 当钻具和振动器的重力提供的沉人比压不足时， 就 需要设置加压装置或加压系统。 用本文设计方法所设计 的振动器在中国地质大 学( 武汉) 钻探大厅室外 的杂填土 ( 厚约 0 5 i n ) 和 老粘土( 厚约 2 5 m) 中钻进表明 ， 振动取样钻的钻 进能力很强 ， 完全能够满足海底土层振动取样钻进 的要求。 参考文献： 1 杨惠民 钻探设备 M 北京： t g 质出版社， 1 9 8 8 2 黄明辉， 陈鹭琳， 陈金华 振动静压沉桩机理的实验分析 J 福建建筑 ， 1 9 9 6， ( s 1 ) ： 4 5 4 7 3 贾武学 振动打桩机沉桩的理论计算 J 机械研究与应用， 1 9 9 9， ( S 1 ) ： 2 02 2 4 胡均平 ， 唐 勇 影响振动桩锤沉桩能力 的土力 因素研 究 J 凿 岩机械气动工具 ， 2 0 0 6， ( 1 ) ： 4 9 5 2 5 刘古岷， 等 桩工机械 M 北京： 机械工业出版社， 2 0 0 6 阿特拉斯 科普柯公司建筑与矿 山技 术部举 办盛大庆典 本刊讯2 0 0 9年5月 8日， 是阿特拉斯 科普柯公司非 常重要的一天， 阿特拉斯 科普柯( 南京) 建筑矿山设备有限 公司成立 1 5周年、 阿特拉斯 科普柯建筑与矿山技术大中 华区客户中心新址开幕、 阿特拉斯 科普柯建筑与矿山技术 新生产工厂落成庆典在新址盛大举行。 出席此次庆典的嘉宾有南京市副市长赵晓江先生， 南京 市栖霞区区长 南京经济技术开发区管委会主任梁建才先 生， 阿特拉斯 科普柯集团高级副总裁 阿特拉斯 科普柯 建筑与矿山技术总裁 B j o m R o s e n g r e n 、 阿特拉斯 科普柯露 天凿岩设备部总裁 A n d r e a s Maim b e r g 、 阿特拉斯 科普柯地 下岩石开挖设备部总裁 P a t r i k N o l a k e r 、 阿特拉斯 科普柯赛 柯洛克凿岩钻具部总裁 J o h a n Ha il in g 、 阿特拉斯 科普柯 回 转式钻机部总裁 R o b e r t F a s s l 、 阿特拉斯 科普柯岩土工程与 勘探设备部总裁 P e t e r S a l d it t 、 阿特拉斯 科普柯建筑工具部 总裁 H e n k B r o u w e r 、 阿特拉斯 科普柯( 中国) 投资有限公司 董事长龚元相、 阿特拉斯 科普柯 ( 中国) 投资有限公司 副 总裁 Ma g n u s G y l l o 、 阿特拉斯 科普柯建筑与矿山技术部大 中华区客户中心总经理文扬之、 阿特拉斯 科普柯( 南京 ) 建 筑矿山设备有限公司总经理骆建星， 来 自全国约 2 0家媒体 的朋友和 5 0 0多位客户共同出席了本次庆典。 在共庆阿特拉斯 科普柯( 南京) 建筑矿山设备有限公 司成立 l 5周年之际， 新生产工厂的第一台钻机也正式下线。 当巨大的红绸布被全部揭开时， 神秘的 C D M 7 5 E牙轮爆破孔 钻机以其震撼的形象展露在嘉宾及客户面前， 同时也开启了 大型回转式爆破孔钻机本地化制造的新时代。 在接下来的活动中， 客户参观了工厂内的产品展示区。 漫步在林立的设备群中， 感受着阿特拉斯 科普柯与众不同 的“ 颜色” 。“ 互动， 创新， 承诺” 是阿特拉斯 科普柯的核心 价值 ， “ 创新精神是我们开展业务的重要动力， 大力支持用户 的业务并全力投入到与用户共同承担的每个项 目中