CN103233681A - 振动辅助钻井模拟装置 - Google Patents

Abstract

振动辅助钻井模拟装置，包括机架、立柱、伺服电机、岩石夹持装置、丝杠螺母机构、钻头、承载板、加载板、旋转电机、激振台、四边方形框架和冲击杆；机架底板上设置夹持装置，底板底部设置伺服电机；丝杠螺母机构对称设置在夹持装置两侧，丝杠下端穿过机架底板并通过齿轮、同步齿形带连接伺服电机电机轴上的齿轮，丝杠上端依次穿过承载板、加载板，加载板上固定螺母；钻头设置在岩石夹持装置上方的承载板底部，旋转电机驱动连接钻头；激振台通过外侧导轨、内侧导轨相互配合实现上下移动；四边方形框架垂直设置并包围激振台，四边方形框架的底部垂直设置冲击杆。本发明构思巧妙，结构简单，大幅提高钻井的速度，钻井效率高。

Description

振动辅助钻井模拟装置

技术领域

本发明涉及一种振动辅助钻井模拟装置，适用于研究分别在低频大振幅和高频小振幅情况下岩石特性的变化，以及振动对钻头破岩能力的影响，属于共振钻井破岩技术领域。

背景技术

振动现象广泛存在各种物质介质中，如金属材料(钢铁、铝、各种有色金属)和非金属材料(岩石、陶瓷、玻璃、水泥)等。岩石振动激励模拟测试系统是一种包括振动激励模拟和测试分析的试验系统。该系统可以用来分析各种材料的振动特性。

其主要功能主要包括两个方面：其一是使岩石产生各种激励信号，如低频高振幅和高频低振幅的激励信号，使岩石发生各种各样状态的振动，通过调节激励可以激发岩石等材料进入共振状态，并记录共振频率、共振幅度、系统阻尼等参数；另一方面是测试分析材料的振动特性，对存在振动的试验样品进行振动特性进行采集及各参数分析。

普通钻井机械钻井时，钻头与岩石之间主要存在轴向静载荷，以及钻头的旋转作用，对岩石产生切削作用。采用这种结构的装置，钻井速度慢，效率低。因此，需要一种钻井效率高、钻井速度快的钻井机械装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种振动辅助钻井模拟装置，构思巧妙，结构简单，大幅提高钻井的速度，钻井效率高。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，振动辅助钻井模拟装置，包括机架、伺服电机、夹持装置、两个丝杠螺母机构、钻头、承载板、加载板、旋转电机、激振台、四边方形框架和冲击杆，机架两端设置立柱；

机架底板上设置夹持装置，底板底部设置伺服电机，伺服电机为正反转电机，伺服电机的电机轴上设有齿轮；

丝杠螺母机构对称设置在夹持装置两侧，丝杠下端穿过机架底板并通过设置在丝杠上的齿轮、同步齿形带连接伺服电机电机轴上的齿轮，丝杠上端依次穿过水平设置的承载板、加载板；加载板上固定有螺母，加载板和承载板之间的丝杠上穿套碟簧；承载板通过两个长螺栓设置在加载板上；

钻头设置在夹持装置上方的承载板底部，旋转电机设置在承载板上，旋转电机通过旋转齿轮副驱动连接钻头；

立柱内侧表面设有外侧导轨，激振台两端设有内侧导轨，内侧导轨坐落在承载板上，激振台通过外侧导轨、内侧导轨相配合实现上下移动；四边方形框架垂直设置并包围激振台，四边方形框架的顶框与激振台的法兰盘相连接，四边方形框架的底框中部垂直设置冲击杆，冲击杆底部穿过加载板设置在钻头上方，打击钻头上端。

所述外侧导轨为工字钢，所述内侧导轨为槽钢，槽钢相对设置在工字钢一侧内，槽钢底部上端连接激振台两端支承轴，槽钢底部下端坐落在承载板上。

所述四边方形框架各边与激振台之间的距离为20-50mm。

所述丝杠两端无螺纹，丝杠其余部分加工T形螺纹。

所述四边方形框架与冲击杆焊接连接。

所述碟簧和加载板之间的丝杠上设有静载力传感器。

所述加载板上方设有丝杠稳定板，丝杠稳定板上设有供冲击杆穿过的孔。

所述承载板底部设有推力调心滚子轴承，钻头夹具顶部伸入推力调心滚子轴承，钻头夹具上设有深沟球轴承。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

第一，本发明设计的振动辅助钻井模拟装置，除了旋转切削作用外，钻头还受到激振台提供的冲击作用。相当于日常使用冲击钻的时候，除了操作者用力压在冲击钻尾部一边加压一边旋转外，冲击钻内部的冲击机构带动钻头在旋转的同时往复冲击被打孔物体。因而，在混凝土或岩石中打孔时，冲击钻速度比仅有旋转作用的手枪钻打孔快得多。本发明振动辅助钻井模拟装置相当于一台巨大的冲击钻，在钻头上施加强大的轴向压力并且由旋转机构驱动钻头旋转的同时，利用激振台对钻头尾部施加冲击载荷，从而利用振动达到辅助破岩加快钻井速度的目的。

第二，激振台的振动头只能提供向上的震动冲击，因此加工了四边方形框架并通过框架底部的冲击杆将激振台产生的向上的震动冲击转换成为向下的震动冲击。

第三，四边方形框架与激振台外形之间的尺寸，至少每边要留有20-30mm间隙，防止高频振动的时候与台体发生碰擦。

第四，最外侧导轨，要求工作面手工打磨平整，保证导轨副运动不卡死。工字钢内侧槽根部打磨光滑，减小摩擦。与外侧导轨配合的内侧槽钢边缘同样打磨光滑形成导轨副。

第五，冲击杆冲击的那块板即承载板的冲击部位开一个孔，让冲击杆直接冲击钻头夹具上头部。冲击杆与上部相连的四边方形框架(包围激振台)之间连接方式为焊接，要保证垂直度和对中，不然对不到下面的孔，打击不到钻头。

附图说明

图1是本发明振动辅助钻井模拟装置的立体结构示意图；

图2是本发明振动辅助钻井模拟装置的侧视图（去掉一边立柱）；

图3是本发明振动辅助钻井模拟装置的主视图；

图4是本发明振动辅助钻井模拟装置的一侧的外侧导轨和内侧导轨的横截面的放大结构示意图；

图5为本发明振动辅助钻井模拟装置运转过程中的上限位置示意图；

图6为本发明振动辅助钻井模拟装置运转过程中的下限位置示意图；

其中：1激振台、2冲击杆、3旋转电机、4机架、5立柱、6夹持装置、7钻头、8伺服电机、9四边方形框架、10承载板、11加载板、12螺母、13丝杠、14同步齿形带、15碟簧、16外侧导轨、17内侧导轨、18丝杠稳定板。

具体实施方式

如图1、2、3所示，振动辅助钻井模拟装置，包括机架4、伺服电机8、夹持装置6、两个丝杠螺母机构、两个千斤顶16、钻头17、承载板10、加载板11、旋转电机3、激振台1、四边方形框架9和冲击杆2。机架4两端安装立柱5。

机架4的底板上安装夹持装置6，底板底部安装伺服电机8，伺服电机8的电机轴上安装齿轮。丝杠螺母机构对称设置在夹持装置6两侧，丝杠13下端穿过机架底板并通过设置在丝杠上的齿轮、同步齿形带14连接伺服电机8电机轴上的齿轮，丝杠14上端依次穿过承载板10、加载板11，加载板11上固定螺母12，螺母12与丝杠14组成丝杠螺母传动轴副。加载板11和承载板10之间的丝杠13上穿套碟簧15。

承载板10底部设有推力调心滚子轴承。钻头夹具顶部伸入推力调心滚子轴承，钻头夹具上设有深沟球轴承和齿轮，钻头夹具底部安装钻头7。钻头夹具通过推力调心滚子轴承、深沟球轴承安装在夹持装置6上方的承载板10底部。

旋转电机3安装在承载板10上，旋转电机3的电机轴上安装齿轮。旋转电机3的电机轴上的齿轮与钻头夹具上的齿轮相对设置，形成旋转齿轮副。旋转电机3通过旋转齿轮副驱动连接钻头7。

两立柱5内侧表面分别设有外侧导轨16，激振台1支承轴两端分别设有内侧导轨117，内侧导轨17坐落在承载板10上，激振台1通过外侧导轨17、内侧导轨18相配合实现上下移动。激振台1以及内侧导轨17坐落在承载板10上，不需要固定连接。激振台1与承载板10同步下降。承载板10中开两个孔让丝杠14穿过。如果没有岩石以及夹持装置6托着，承载板10以及激振台1等就会下落，一直落到机架底板上。因此，一开始用伺服电机8、丝杠螺母机构将承载板10升起，把岩石样品固定到夹持装置6中后，承载板10等重量通过钻头作用到岩石样品上。

四边方形框架9垂直设置并包围激振台1，四边方形框架9的顶框与激振台1的法兰盘相连接，四边方形框架1的底框中部垂直设置冲击杆2，冲击杆2底部穿过加载板11设置在钻头7上方，打击钻头上端。

如图4所示，外侧导轨17为工字钢，内侧导轨18为槽钢，槽钢底部上端连接激振台两端支承轴，槽钢底部下端坐落在承载板10上，槽钢相对设置在工字钢一侧内。

四边方形框架9各边与激振台1之间的距离为20-50mm。

丝杠13两端无螺纹，丝杠13中间部分加工T形螺纹。

四边方形框架9与冲击杆2焊接连接。

碟簧15和加载板11之间的丝杠13上设有静载力传感器。

加载板11上方设有丝杠稳定板18，丝杠稳定板18上设有供冲击杆2穿过的孔。

如图5、6所示，振动辅助钻井模拟装置的工作过程为：

伺服电机8运行，驱动丝杠13旋转，带动加载板11上行，加载板11上行通过长螺栓带动承载板10上行，承载板10上的钻头7上行，坐落在承载板10上的内侧导轨17随之上行，进而使得激振台1、四边方形框架9以及冲击杆2上行。钻头7上行至上限位置时关闭伺服电机8。将岩石或混凝土放入夹持装置6中。

在重力作用和丝杠螺母机构驱动下，承载板10下行，进而带动激振台1、四边方形框架9、冲击杆2、内侧导轨17、钻头7、加载板11和碟簧15下行，对夹持装置6中的岩石或混凝土进行打孔。伺服电机8改变转向，驱动丝杠13旋转，丝杠螺母机构带动加载板11下行，加载板11下行压迫碟簧15（假如承载板10下面固连的钻头已经接触到样品），碟簧15压迫承载板10，承载板10与钻头7相连，钻头7压迫样品——静载荷。在下行的过程中，启动激振台1，激振台1提供向上的震动冲击，通过四边方形框架9底部的冲击杆2将激振台1产生的向上的震动冲击转换成为向下的震动冲击，进而打击钻头7上部。同时，启动旋转电机3，旋转电机3通过旋转齿轮副驱动钻头7转动，对岩石或混凝土进行打孔，待钻头下行至下限位置，完成打孔工作。关闭伺服电机8、激振台1、旋转电机3。

激振台1与承载板10同步下降。如果没有岩石以及夹持装置6托着，承载板10以及激振台1等就会下落，一直落到机架底板上。因此，一开始用伺服电机8、丝杠螺母机构将承载板10升起，把岩石样品固定到夹持装置6中后，承载板10等重量通过钻头作用到岩石样品上。

随着钻头下行，除了外侧导轨之外，包括激振台、四边方形框架、冲击杆、内侧导轨、钻头、钻头上面与钻头相连的承载板、压在承载板上的弹簧（碟簧）、压在弹簧上面的加载板、加载板上方的丝杠稳定板随之下行。从图中的上限位置、下限位置可以看出在岩石样品钻孔的行程。当然承载板下面的夹持装置、以及底板、底板下面的静载加载伺服电机（略）等不会随着可动部分的下行而下行。由图5、6可知，激振台仅仅通过冲击杆对钻头顶部施加冲击作用。

激振台的振动头只能提供向上的震动冲击，因此加工了上面的框架通过框架下部的振动杆转换成为向下的震动冲击作用。

四边方形框架比激振台外形之间的尺寸，至少每边要留有20-30mm间隙，防止高频振动的时候与台体发生碰擦。

最外侧导轨，要求工作面手工打磨平整，保证导轨副运动不卡死。工字钢内侧槽根部打磨光滑，减小摩擦。与外侧导轨配合的内侧槽钢边缘同样打磨光滑形成导轨副。

冲击杆冲击的那块板即承载板的冲击部位开一个孔，让冲击杆直接冲击钻头夹具上头部。冲击杆与上部相连的四边方形框架(包围激振台)之间连接方式为焊接，要保证垂直度和对中，不然对不到下面的孔，打击不到钻头。

本发明设计的振动辅助钻井模拟装置，除了旋转切削作用外，钻头还受到激振台提供的冲击作用。通过四边方形框架底部的冲击杆将激振台产生的向上的震动冲击转换成为向下的震动冲击作用。相当于日常使用冲击钻的时候，除了操作者用力压在冲击钻尾部一边加压一边旋转外，冲击钻内部的冲击机构带动钻头在旋转的同时往复冲击被打孔物体。因而，在混凝土中打孔时，冲击钻速度比仅有旋转作用的手枪钻快得多。本发明振动辅助钻井模拟装置相当于一台巨大的冲击钻，在钻头上施加强大的轴向压力并且由旋转机构驱动钻头旋转的同时，利用激振台对钻头尾部施加冲击载荷，从而利用振动达到辅助破岩加快钻井速度的目的。

Claims (8)

1. 振动辅助钻井模拟装置，包括机架，机架两端设有立柱，其特征是，设有伺服电机、夹持装置、两个丝杠螺母机构、钻头、承载板、加载板、旋转电机、激振台、四边方形框架和冲击杆；

机架底板上设置夹持装置，底板底部设置伺服电机，伺服电机为正反转电机，伺服电机的电机轴上设有齿轮；

丝杠螺母机构对称设置在夹持装置两侧，丝杠下端穿过机架底板并通过设置在丝杠上的齿轮、同步齿形带连接伺服电机电机轴上的齿轮，丝杠上端依次穿过水平设置的承载板、加载板；加载板上固定有螺母，螺母与丝杠组成丝杠螺母机构，加载板和承载板之间的丝杠上穿套碟簧；承载板通过两个长螺栓设置在加载板上；

钻头设置在夹持装置上方的承载板底部，旋转电机设置在承载板上，旋转电机通过旋转齿轮副驱动连接钻头；

立柱内侧表面设有外侧导轨，激振台两端设有内侧导轨，内侧导轨坐落在承载板上，激振台通过外侧导轨、内侧导轨相配合实现上下移动；四边方形框架垂直设置并包围激振台，四边方形框架的顶框与激振台的法兰盘相连接，四边方形框架的底框中部垂直设置冲击杆，冲击杆底部穿过加载板设置在钻头上方。

2. 根据权利要求1所述的振动辅助钻井模拟装置，其特征是，所述外侧导轨为工字钢，所述内侧导轨为槽钢，槽钢相对设置在工字钢一侧内，槽钢底部上端连接激振台两端支承轴，槽钢底部下端坐落在承载板上。

3. 根据权利要求1所述的振动辅助钻井模拟装置，其特征是，所述四边方形框架各边与激振台之间的距离为20-50mm。

4. 根据权利要求1所述的振动辅助钻井模拟装置，其特征是，所述丝杠两端无螺纹，丝杠其余部分加工T形螺纹。

5. 根据权利要求1所述的振动辅助钻井模拟装置，其特征是，所述四边方形框架与冲击杆焊接连接。

6. 根据权利要求1所述的振动辅助钻井模拟装置，其特征是，所述碟簧和加载板之间的丝杠上设有静载力传感器。

7. 根据权利要求1所述的振动辅助钻井模拟装置，其特征是，所述加载板上方设有丝杠稳定板，丝杠稳定板上设有供冲击杆穿过的孔。

8. 根据权利要求1所述的振动辅助钻井模拟装置，其特征是，所述承载板底部设有推力调心滚子轴承，钻头夹具顶部伸入推力调心滚子轴承，钻头夹具上设有深沟球轴承。

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