CN105464588A - 一种超声波振动碎岩实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波振动碎岩实验装置及实验方法，实验装置由钻进机构、超声波振动机构及钻进参数控制系统组成，夹持器安装在钻机底座上，岩石固定在夹持器上，两个气缸固定在钻机架两侧。电机、主动轮、从动轮固定在钻机架上，钻机柱下端与钻机底座固定连接，上端与钻机架固定连接。从动杆上端连接有传振杆、水龙头，下端连接有钻杆钻头。超声波换能器通过连杆机构与钻进机构连接在一起。由流量调节器、变频器、驱动电源、调压阀、超声波发生器组成的控制柜分别与水泵、电机、气压缸、超声波换能器连接。本发明能够模拟不同钻进参数全面钻进及取心钻进时破碎岩石的全过程，亦可实现岩石研磨性试验及评价微钻头的性能与质量。
Description
技术领域
本发明涉及地质勘探、隧道掘进、工程钻机施工等领域的共振碎岩模拟实验装置，具体涉及到超声波振动钻进实验装置及实验方法。
背景技术
超声波振动碎岩属于疲劳破坏，周期性的激振力作用于岩石表面造成疲劳破坏，导致岩石内部薄弱区域(微裂纹裂隙)在变动应力作用下，发生损伤累积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂，是一个从局部区域开始的损伤累积，最终引起整体破坏的过程。超声波振动碎岩技术已在太空钻探领域得到了较好的应用，美国国家航空航天局(NASA)S.Sherrit等于2001年研发了由压电换能器、自由质量块和钻头等构成的压电陶瓷驱动的超声波钻探采样器(Ultrasonic/SonicDriller/Corer，简称USDC)，并在岩石上进行了钻进实验并取得了良好的钻进效果。不过其钻进能力仅有数十毫米。目前，国内对超声波振动钻进碎岩技术装备的研究与开发主要集中在太空取样器上，哈尔滨工业大学与北京航空航天大学等机构利用超声波振动碎岩技术研制的太空取样机构主要针对月壤的采集。亦具有钻进装备轻巧、钻孔直径与轴向力过小、钻进深度浅的特性。东北石油大学采用磁制伸缩装置作为超声波换能器应用在石油天然气领域已申请的一项发明专利：一种高频振动冲击破碎岩石实验装置，进行了高频共振碎岩室内模拟实验的初步探索，其采用钻头静止，立式车床旋转平台固定、旋转岩石，造价较高且与实际钻探碎岩环境有较大的差异。国内将超声波碎岩技术应用在岩心取样、矿产资源开采与隧道掘进领域的钻进机构未见报道，对超声波技术共振碎岩的机理研究尚属于探索阶段。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种超声波振动碎岩实验装置。第二个目的是为了提供一种超声波振动碎岩的实验方法。
本发明之超声波振动碎岩实验装置包括钻进机构、超声波振动机构及钻进参数调控机构。
所述的钻进机构由钻机底座、钻机柱、钻机架、夹持器、气缸、电机、主动轮、从动轮、传动皮带、从动杆、传振杆、钻杆、钻头、密封件、水龙头、导向套组成。夹持器固定在钻机底座上，岩样夹持在夹持器上，防护罩安装在岩样与钻头之间，电机固定在钻机架上，主动轮固定在电机上，从动轮通过固定件与第二轴承固定在钻机架上，从动杆穿过固定件与从动轮，从动杆上端通过传振杆、密封件、卡簧、第一轴承与水龙头连接。从动杆下部通过第三轴承、轴套与推力板固定连接，导向套安装在轴套上。从动杆底端依次安装钻杆、钻头。两个气缸安装在钻机架两侧，底端与推力板固定连接。钻机柱上端与钻机架固定连接，下端与钻机底座固定连接。
所述的超声波振动机构由超声波换能器、超声波发生器和变幅杆组成。超声波发生器分别与超声波换能器、控制柜连接，超声波换能器底端与变幅杆固定连接，变幅杆通过自身的法兰盘与支撑板固定连接，下端与水龙头紧密接触。支撑板通过四个连杆与推力板固定接触。连杆上端安装有弹簧。
所述的钻进参数调控机构包括超声波发生器、流量调节器、变频器、调压阀和控制柜。超声波发生器与超声波换能器连接。流量调节器与水泵连接。变频器与电机连接。调压阀与气压缸连接。控制柜与超声波发生器、流量调机器、变频器、调压阀连接连接。
所述的的超声波换能器为复合压电陶瓷换能器。
本发明之超声波振动碎岩的实验方法包括以下步骤：
(一)、根据需要准备岩样；
(二)、通过夹持器将岩样固定在钻机底座上；
(三)、通过调整螺母的位置控制位于支撑板上端弹簧的压缩量，通过支撑板提供一个超声波换能器、变幅杆与下端水龙头之间的确定的预紧力；
(四)、通过控制柜的钻机升降开关，使钻杆下降，钻头顶住岩样，通过调压阀控制按钮，设定合适钻压；
(五)、通过控制柜设定合适泵量，开始水循环，安装防护罩，并设定转速、超声波振动频率等参数，开始试验，采集实验数据；
(六)、钻进完成后，通过控制柜关闭超声波发生器，将钻机升降开关处于上升位置，气缸自动带动钻杆上升；将泵量调为零，停止水循环，实验结束。
本发明具有以下有益效果：
本发明将超声波振动碎岩技术拓展到地质勘探、隧道掘进、工程钻机施工等领域，是由压电陶瓷换能器通过传振杆、从动杆、钻杆提供给钻头一个高频振动冲击激励，模拟了利用超声波技术共振碎岩的过程，提供了一套可以进行室内模拟的实验装置及实验方法，为超声波共振碎岩机理分析提供理论基础，具有操作简单、安全可靠、钻头寿命短长、钻进效率高、钻进成本低、环保的优点。
附图说明
图1是本发明的实验装置示意图。
图2是本发明实验装置的钻进机构与超声波振动机构的侧视图。
图中：1-钻机底座、2-钻机柱、3-钻机架、4-夹持器、5-气缸、6-电机、7-主动轮、8-从动轮、9-固定件、10-传动带、11-从动杆、12-传振杆、13-钻杆、14-钻头、15-密封件、16-卡簧、17-上端盖、18-下端盖、19-水龙头、20-导向套、21-第一轴承、22-第二轴承、23-第三轴承、24-轴套、25-推力板、26-防护罩、27-岩样、28-超声波换能器、29-超声波发生器、30-变幅杆、31-支撑板、32-连杆、33-弹簧、34-流量调节器、35-变频器、36-调压阀、37-控制柜。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明之一种超声波振动钻进碎实验装置包括钻进机构、超声波振动机构及钻进参数调控机构；
所述的钻进机构是由钻机底座1、钻机柱2、钻机架3、夹持器4、气缸5、电机6、主动轮7、从动轮8、固定件9、传动带10、从动杆11、传振杆12、钻杆13、钻头14、密封件15、卡簧16、上端盖17、下端盖18、水龙头19、导向套20、第一轴承21、第二轴承22、第三轴承23、轴套24、推力板25、防护罩26和岩样27组成，夹持器4固定在钻机底座1上，通过转动夹持器4的手轮可将岩样固定在钻机底座上；电机6固定在钻机架3上，主动轮7固定在电机6上，从动轮8通过固定件9与第二轴承22固定在钻机架3上，从动杆11穿过固定件9与从动轮8，传动带10安装在主动轮7与从轮8上，电机6通过主动轮7、从动轮8将扭矩传递给从动杆11，从动杆11上端与穿震杆12连接，传振杆12通过密封件15、卡簧16、第一轴承21与水龙头19连接。从动杆11下部通过第三轴承23、轴套24与推力板25固定连接，导向套20安装在轴套24上。从动杆11底端依次安装钻杆13、钻头14。防护罩26设置在钻头14与岩样27之间，防止钻井液喷溅；两个气缸5安装在钻机架3两侧，底端与推力板25固定连接，为钻机提供钻压，并控制钻杆13的上升与下降；钻机柱2上端与钻机架3固定连接，下端与钻机底座1固定连接。
所述的超声波振动机构是由超声波换能器28、超声波发生器29和变幅杆30组成，声波发生器29与超声波换能器28连接，超声波换能器28底端与变幅杆30固定连接，变幅杆30通过自身的法兰盘与支撑板31固定连接，下端与水龙头19紧密接触。支撑板31通过四个连杆32与推力板25固定接触。连杆32上端安装有弹簧33，可也通过弹簧33上端的螺母，调整弹簧33的压缩量，施加给支撑板31不同的预紧力；
所述的钻进参数调控机构包括超声波发生器29、流量调节器34、变频器35、调压阀36和控制柜37；超声波发生器29与超声波换能器28连接，提供不同频率的超声波；流量调节器34与水泵连接，调节泵量的大小；变频器35与电机6连接，可以实现无极调节转速；调压阀36与气压缸连接，控制钻压的大小；控制柜37与超声波发生器29、流量调节器34、变频器35、调压阀36连接；钻进参数调控系统通过控制柜37控制超声波振动碎岩实验装置可以实现不同超声波振动频率、钻压、泵量、转速等钻进参数时的钻进模拟碎岩实验。
所述的超声波换能器28为复合压电陶瓷换能器。
本发明之超声波振动碎岩的实验方法包括以下步骤：
(一)、根据需要准备岩样27；
(二)、通过夹持器4将岩样27固定在钻机底座1上；
(三)、通过调整螺母的位置控制位于支撑板31上端弹簧33的压缩量，通过支撑板31提供一个超声波换能器28与下端水龙头19之间的确定的预紧力；
(四)、通过控制柜37的钻机升降开关，使钻杆13下降，钻头14顶住岩样27，通过调压阀控制按钮，设定合适钻压；
(五)、通过控制柜37设定合适泵量，开始水循环，安装防护罩26，并设定转速、超声波振动频率等参数，开始试验，采集实验数据；
(六)、钻进完成后，通过控制柜37关闭超声波发生器29，将钻机升降开关处于上升位置，气缸5自动带动钻杆13上升；将泵量调为零，停止水循环，实验结束。
Claims (3)
1.一种超声波振动碎岩实验装置，其特征在于：包括钻进机构、超声波振动机构及钻进参数调控机构；
所述的钻进机构是由钻机底座(1)、钻机柱(2)、钻机架(3)、夹持器(4)、气缸(5)、电机(6)、主动轮(7)、从动轮(8)、固定件(9)、传动带(10)、从动杆(11)、传振杆(12)、钻杆(13)、钻头(14)、密封件(15)、卡簧(16)、上端盖(17)、下端盖(18)、水龙头(19)、导向套(20)、第一轴承(21)、第二轴承(22)、第三轴承(23)、轴套(24)、推力板(25)、防护罩(26)和岩样(27)组成，夹持器(4)固定在钻机底座(1)上，通过转动夹持器(4)的手轮可将岩样固定在钻机底座上；电机(6)固定在钻机架(3)上，主动轮(7)固定在电机(6)上，从动轮(8)通过固定件(9)与第二轴承(22)固定在钻机架(3)上，从动杆(11)穿过固定件(9)与从动轮(8)，传动带(10)安装在主动轮(7)与从轮8上，电机(6)通过主动轮(7)、从动轮(8)将扭矩传递给从动杆(11)，从动杆(11)上端与传振杆(12)连接，传振杆(12)通过密封件(15)、卡簧(16)、第一轴承(21)与水龙头(19)连接；从动杆(11)下部通过第三轴承(23)、轴套(24)与推力板(25)固定连接，导向套(20)安装在轴套(24)上；从动杆(11)底端依次安装钻杆(13)、钻头(14)；防护罩(26)设置在钻头(14)与岩样(27)之间，防止钻井液喷溅；两个气缸(5)安装在钻机架(3)两侧，底端与推力板(25)固定连接，为钻机提供钻压，并控制钻杆(13)的上升与下降；钻机柱(2)上端与钻机架(3)固定连接，下端与钻机底座(1)固定连接；
所述的超声波振动机构是由超声波换能器(28)、超声波发生器(29)和变幅杆(30)组成，声波发生器(29)与超声波换能器(28)连接，超声波换能器(28)底端与变幅杆(30)固定连接，变幅杆(30)通过自身的法兰盘与支撑板(31)固定连接，下端与水龙头(19)紧密接触；支撑板(31)通过四个连杆(32)与推力板(25)固定接触；连杆(32)上端安装有弹簧(33)，可也通过弹簧(33)上端的螺母，调整弹簧(33)的压缩量，施加给支撑板(31)不同的预紧力；
所述的钻进参数调控机构包括超声波发生器(29)、流量调节器(34)、变频器(35)、调压阀(36)和控制柜(37)；超声波发生器(29)与超声波换能器(28)连接，提供不同频率的超声波；流量调节器(34)与水泵连接，调节泵量的大小；变频器(35)与电机(6)连接，可以实现无极调节转速；调压阀(36)与气压缸(5)连接，控制钻压的大小；控制柜(37)与超声波发生器(29)、流量调机器(34)、变频器(35)、调压阀(36)连接；钻进参数调控系统通过控制柜(37)控制超声波振动碎岩实验装置可以实现不同超声波振动频率、钻压、泵量、转速等钻进参数时的钻进模拟碎岩实验。
2.根据权利要求1所述的一种超声波振动碎岩实验装置，其特征在于：所述的超声波换能器(28)为复合压电陶瓷换能器。
3.一种权利要求1所述超声波振动碎岩实验装置的实验方法，该方法包括以下步骤：
(一)、根据需要准备岩样(27)；
(二)、通过夹持器(4)将岩样(27)固定在钻机底座(1)上；
(三)、通过调整螺母的位置控制位于支撑板(31)上端弹簧(33)的压缩量，通过支撑板(31)提供一个超声波换能器(28)与下端水龙头(19)之间的确定的预紧力；
(四)、通过控制柜(37)的钻机升降开关，使钻杆(13)下降，钻头(14)顶住岩样(27)，通过调压阀控制按钮，设定合适钻压；
(五)、通过控制柜(37)设定合适泵量，开始水循环，安装防护罩(26)，并设定转速、超声波振动频率等参数，开始试验，采集实验数据；
(六)、钻进完成后，通过控制柜(37)关闭超声波发生器(29)，将钻机升降开关处于上升位置，气缸(5)自动带动钻杆(13)上升；将泵量调为零，停止水循环，实验结束。
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