摘要
主要论述了声波钻进技术在理论以及应用方面的研究进展。阐述了声波钻进技术的发展历程；其次调研并对比了国内外声波钻机代表机型，分析得出国内同类钻机存在的不足。分析了声波钻机在土壤环境调查中的应用，可满足不同地层的连续完整原位弱扰动采样要求。探讨了声波钻机研发方向，如高频声波动力头双振子结构和复合橡胶减振材料的研发，以稳定达标150 Hz高振频并增强动力头寿命；抗疲劳、抗冲击铬钼合金材料的研发，以解决高振频下钻具疲劳损伤问题；故障诊断识别和自动修复、远程无人化操作和挥发性有机污染物在线监测系统的研发，以提升高频声波钻机的智能化和自动化水平。
土壤是地球生命赖以生存和发展的物质基础，与农产品和人体健康息息相关，对国民经济发展和国土资源安全有直接影
土壤环境调查钻探地层为第四纪覆盖层，一般采样深度≯30 m，钻探施工周期短，且要满足土壤原位弱扰动采样要求。土壤环境调查钻探设备有回转钻机、直推静压式钻机、冲击式钻机、声波钻
声波钻进技术理论诞生于20世纪
90年代后，随着液压、自动化等相关行业的发展，声波钻进技术日趋成熟，国外多家企业相继开展了声波钻机的研发。美国Boart Longyear公司、Prosonic公司，荷兰Eijkelkamp公司，加拿大SonicDrilling公司，日本利根公司均已产出成熟的声波钻机，在军事基地油罐场、公用加油站、矿山尾矿库和垃圾填埋场等土壤环境调查领域得到了广泛应
目前国内声波钻进技术的研究和应用尚处于起步阶段。在借鉴发达国家经验的基础上，一些科研机构及公司开展了声波钻机的研发，如中国煤炭地质总局第二勘探局（简称“第二勘探局”）、中国地质大学（北京）和无锡金帆钻凿设备股份有限公司（简称“无锡金帆”）均研发了声波钻机并在在产企业的例行监测、工业企业退役场地调查、矿山尾矿库调查和垃圾填埋场调查等土壤环境调查领域进行了应
与国外成熟的声波钻进技术相比，国内在声波动力头振动、减振以及轴承冷却装置等方面尚存在较大差
近30年声波钻进技术得到了充分的发展，国内外出现多家声波钻机制造商。本文结合国内外声波钻机代表机型的现状，重点比较分析国内外声波动力头、隔振材料、动力头轴承冷却装置、配套钻具、钻机的智能化和自动化控制水平方面的差异。
LS250MiniSonic钻机是美国Boart Longyear公司生产的一种适用于土壤环境调查的声波钻
SRS型声波钻机是荷兰Eijkelkamp公司研发的世界上最小的声波旋转钻机。它的主要特点是：（1）配置高频声波动力头和旋转动力头，采用复合型橡胶作为减振材料，大大提高钻进效率；（2）配置小功率的发动机，钻进深度满足土壤环境调查采样深度要求；（3）根据不同地质条件配置不同钻具和钻头，可以达到上覆地层98%、其它土层95%以上的岩心采取率；（4）目前已应用到环境钻探与取样、岩土工程取样与测试、地震爆破井钻探、岩土施工钻探等领域。
SP-50型钻机是日本利根公司研发的环保类声波钻机。其主要特点有：（1）配置液压马达驱动振动器，振动频率为64.5 Hz；（2）柴油发动机输出功率较低，另外配置动力头旋转用辅助发动机，满足土壤环境调查采样深度，对能源消耗较小；（3）钻孔直径60~230 mm，基本满足土壤环境调查的各种取样场景；（4）已经应用于土壤和地下水环保调查领域。
MGD-S50Ⅱ型钻机是第二勘探局自主研发的高频声波钻
YGL-S50型钻机是无锡金帆引进原装进口声波动力头研制的声波钻机。该声波钻机特点有：（1）采用偏心重锤式、液压马达驱动的振动器，实现振动与回转工艺结合的钻进方式，通过自给式和空压机式减振装置，具有良好的降噪效果，且能提高钻机寿命；（2）采用小功率柴油发动机，基本满足土壤环境调查采样深度的要求；（3）配置单管和双管取样器，取样直径达到95~130 mm，基本满足土壤环境调查的各种取样场景；（4）主要用于土壤环境污染取样、尾矿坝勘察等领
| 制 造 商 | 钻进深度/m | 振动频率/Hz | 激振力/kN | 最大输出扭矩/ （N·m） | 给进力/ kN | 起拔力/ kN | 功率/ kW | 整机质量/t |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 美国Boart Longyear | 61 | 0~75 | 182 | 2400 | 24 | 66 | 119 | 11.5 |
| 荷兰Eijkelkamp公司 | 50 | 0~150 | 100 | 1400 | 40 | 60 | 75 | 5 |
| 日本利根公司 | 30 | 0~64.5 | 63 | 4460 | 20 | 93.2 | 19.6 | 4.4 |
| 第二勘探局 | 50 | 0~150 | 140 | 1800 | 58 | 128 | 110 | 6.5 |
| 无锡金帆 | 50 | 0~66.7 | 38 | 3240 | 20 | 50 | 46 | 3.8 |
| 技 术 | 国 外 | 国 内 |
|---|---|---|
| 声波动力头 | 自主研发 | 进口 |
| 隔振材料 | 采用先进的隔振材料，隔振效果好 | 隔振材料较为落后，隔振效果较差 |
| 动力头轴承冷却装置 | 冷却润滑效果好，轴承寿命长 | 仅有润滑效果，轴承寿命短 |
| 配套钻具 | 采用新材料，提高钻具使用寿命 | 材料落后，钻具寿命较短 |
| 钻机智能化和自动化控制 | 采用智能控制系统，自动化、智能化程度高 | 自动化、智能化程度低 |
可以看出，国内外在声波动力头主要技术参数（振动频率、激振力、最大输出扭矩、给进力、起拔力）没有明显的差距，但是国内在声波动力头、隔振材料以及动力头轴承冷却装置研发等方面还存在不足。
声波动力头是声波钻机的关键部位，国外对其研究较早，有很多专利产品，如美国Boart Longyear公司、荷兰Eijkelkamp公司研发的系列声波钻机，两家声波动力头已申报了国际专利。国内具有自主知识产权、自主研发能力的专业化公司少，动力头依靠进口。如无锡金帆的声波钻机采用了日本进口的声波动力头。
隔振材料可以吸收振动器产生的能量，避免钻机因强振作用导致部件损坏，增加钻机寿
动力头轴承冷却装置能够有效控制偏心轴轴承的工作温度，提高轴承使用寿命。目前国外钻机采用的轴承冷却系统能够在轴承运转过程中实现轴承循环喷油润滑和冷却，如荷兰SRS型高频声波钻机。而国内钻机一般采用轴承循环换脂技术来实现动力头轴承冷却润滑，如中国地质大学（北京）研发的SDR-100型声波钻机，无法完全解决偏心振动轴承温度高、寿命短问题。
钻具的寿命受材料种类影响较大。目前国外钻机配套钻具一般选用高强度合金材料，如荷兰SRS型高频声波钻机钻具选用的42CrMo材料，其强度、疲劳极限和耐冲击能力高于其它铬钼合金材料。国内第二勘探局研发的声波钻机选用的钻具材料为35CrMo，已具有良好的荷载和承受冲击的能力，但存在在高频振动下韧性差、易产生疲劳损伤问题。
土壤环境调查目的是获取连续完整原位弱扰动土壤样品，以掌握土壤污染情况。土壤钻探是获取场地土壤和地下水样品以及岩石最有效的手
根据《工矿用地土壤环境管理办法（试行）》（生态环境部部令）中的规定，土壤重点监管单位应当定期开展土壤和地下水监
根据《土壤污染防治行动计划》中的规定，对拟收回土地使用权的重点行业企业用地，以及用途拟变更为居住和商业、学校、医疗、养老机构等公共设施的工业企业，需开展土壤环境状况调
尾矿库以坚硬地层为主，取样最大的难点为钻进难度大、深度浅、岩心采取率低。常规钻机在砂卵石层等坚硬地层取样困难、岩心采取率较低、保真度较
生活垃圾填埋场一般选址距城区较远、交通欠发达地区，且多以坚硬地层为
随着高频声波钻机在土壤环境调查中的逐步推广应用，相关技术问题也亟待解决。例如长时间高振频会导致动力头工作效率下降，甚至会缩减钻机使用寿命；高振频会对钻具造成疲劳损伤；声波钻机功能相对单一。
随着声波钻进技术在土壤环境调查方面的应用日趋广泛，我国开始加大对声波钻机的研发。目前国内大多数制造商通过购买国外声波钻进设备来仿制组装声波钻机，生产成本较高，且售后维修和维护较为困难。为打破国外声波钻机技术垄断地位，国内开展声波钻机研发就显得十分重要。结合国内外声波钻机发展现状以及存在的差距，提出以下研发方向，与同行进行探讨。
振动频率是声波钻机的核心性能参数，高振频（150 Hz）可以减少地层对钻具周围的摩擦阻力，提高钻进速度，但高振频亦会对钻机造成损伤，因此稳定达标高振频并增强动力头寿命是高频声波动力头亟待攻克的研发方向。目前国内外的钻机采用单振子结构声波动力头，其高频振动稳定性和持久性较差；振子持续高速运转会导致轴承损坏，产生的高温会导致动力头工作效率下降；在无减振材料配套工况条件下，声波动力头在运行时高频振动容易对钻机造成损坏。马志鹏
钻具主要由钻头和钻杆组成。钻具材料在钻机钻进时会承受高振频并产生疲劳损伤。为解决钻具使用寿命短问题，可采用疲劳累积损伤理论，进行旋转弯曲疲劳试验和升降法试验获得不同材料的疲劳寿命；可通过有限元分析，了解其在极限工况下的变形应力分布情况；可利用三维设计软件对钻具进行仿真设计，通过设定不同边界条件的参数，分析评价合金材料的塑性疲劳极限和抗多次冲击能力。笔者研发团队通过疲劳累积损伤理论并利用有限元分析进行了合金材料研发。通过对比不同铬钼合金材料的寿命、疲劳极限、抗冲击能力等，最后发现42CrMo合金材料是研制高频声波钻具的相对最优选择，最终设计研制了适用于松软地层的活塞式钻具、中等及坚硬地层的双壁式钻具。2套钻具在松软地层和坚硬地层测试过程中分别钻进21 m和34.5 m，其岩心采取率95%~98%，满足土壤环境调查的取样要
智能化和自动化控制技术是一种多学科融合的技术，涉及物联网、大数据分析、语音识别、在线监测等，在国外机械装备领域如美国GeoProbe钻机中已有较多应用。为提升我国声波钻机智能化和自动化水平并与国际接轨，可结合物联网和大数据分析技术，以实现钻机故障智能预警和设备自动修复功能；可结合语音识别技术，以实现人机交互智能化远程操控功能；可结合在线监测技术，以实现钻机与膜界面探测器（MIP）协同联动达到对挥发性有机污染物浓度的自动监测功能。笔者研发团队已基于可编程逻辑控制器（PLC）技术，实现了全机器液压智能分配。目前通过物联网以太接入技术结合大数据分析、语音识别和在线监测，正在构建物联监控平台。该平台可实现钻机故障智能预警和设备自动修复、智能远程操控功能；后期与土壤取样量和监测数据融合，可实现钻机的自动监测功能。
随着《中华人民共和国土壤污染防治法》的颁布实施，国内土壤环境调查的有序开展，土壤环境调查钻探设备的需求日益增
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