CN107503687B - 一种全电动超声波钻机及钻进方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全电动超声波钻机及钻进方法，钻机包括回转机构、给进机构、超声波振动机构、支撑机构及控制系统，本发明利用超声波频率振动冲击与岩石的共振破坏现象，将超声波频率振动力、压力和回转力三者结合在一起使岩石裂纹加速扩展形成共振‑疲劳破碎，其碎岩效率、能量利用率更高，且具有泥浆用量少的特点。通过超声波振动机构将压电陶瓷产生的超声波频率振动力作用于岩石上大幅度提高了钻机的碎岩效率及钻头的使用寿命，实现超声波频率振动钻进。本发明在正常回转振动钻进时，能够稳定地进行与岩石固有频率一致的共振‑疲劳破坏，降低硬岩破碎强度，实现大体积破碎，大幅度提高钻进速度及降低钻进成本。
Description
技术领域
本发明属于地质勘探、隧道掘进、工程勘察等领域的勘探设备，具体涉及到一种全电动超声波钻机及钻进方法。
背景技术
随着社会经济快速发展，人类在油气、资源勘探和基础设施建设中需要进行大量的浅层钻孔工作，而高效破碎岩石一直是矿产资源钻探、隧道掘进的一个难题，由于硬岩致密、强度高、研磨性强，使得硬岩钻进存在钻头寿命短、钻进效率低(低于1m/h)、钻进成本高的问题。
目前在钻探(井)工程中，振动碎岩的方法有单次冲击(钢丝绳冲击钻进，用于水井、工程井施工)、低频冲击(冲击回转钻进或旋冲钻井，频率为12～16Hz，地质勘探、石油钻井、水井工程井应用)、声波冲击(又称Sonic Drill，频率70～150Hz，国外多用于环境地质勘察取样钻进，国内应用很少)。单次冲击、低频冲击利用冲击使岩石产生破碎穴，或再配合回转剪切破碎岩石进行钻进的，岩石强度降低不明显，钻头寿命、钻进效率低；声波冲击(频率70～150Hz)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钻头，使钻头的切刃以切削、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变得容易但只能钻进松散破碎岩石。目前人们对低频(150Hz以下)振动钻机进行了较深入的研究，与硬岩自振频率相当的超声波振动钻机的研发还是空白。超声波振动碎岩(频率>20000Hz)利用疲劳-共振共同破坏，即完整致密硬岩的固有频率一般为20KHz～40KHz，超声波振动使得岩石受到合理地共振，周期性的激振力作用于岩石致使内部快速产生裂纹，当裂纹扩展达到一定程度后发生突然断裂，岩石的强度会大幅度急剧下降，钻进速度、钻头寿命会大幅度提高，从局部区域开始损伤累积，最终引起整体破坏的过程。因此研发超声波频率振动钻机，为超声波振动辅助碎岩钻进提供解决方法，解决硬岩钻进的技术难题，填补国内空白。
国外研究现状与发展动态：
美国和苏联早在20世纪40～50年代就研究声波钻进技术。苏联教授D.D.Barkan首先发表了关于声波钻进技术的研究成果，建议使用声波振动进行沉积地质学勘查钻孔。他提出声波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“VIRO-DRILLING”系统，靠振动作用钻进土层。
美国研制了一种称为“声钻”的孔底振动器，目的是提高钻进速度，并取得了大量高频振动钻进方法的专利，成为声波振动回转破碎研究最为活跃的国家，成功研制用于石油钻井的大功率(5400Hp)声波振动器和用于石油天然气地震勘探和砂金矿连续取样的较小功率(100Hp)的声波振动器，并取得非常好的效果。80年代后，声波振动钻进成为环境钻探的重要手段并传播至加拿大。90年代后，日本开展了声波振动回转钻进研究，并把此项技术引入亚洲环境钻探。加拿大、荷兰相继进行声波振动回转钻机的研究，将声波振动碎岩技术与钻机结合，研制出了多种声波钻机，从最初的孔底振动或地面振动不旋转发展为今天的地面振动加旋转方式，并实现了振动头的专门化、标准化、系列化，提高了声波钻机的可靠性及应用范围。声波钻机振动频率为50Hz～200Hz，岩土样品直径为100～300mm。声波钻机振动回转头为液压驱动式，现已销往中国市场。
国外超声波钻探技术研究集中在美国和欧洲等发达国家，主要面向太空星球探测。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/Sonic Driller/Corer，简称USDC)，并在岩石上进行了钻进实验。2004年针对星球采样任务，将USDC和钻头旋转结合研制了回转超声波冲击钻。
目前国外主要集中在超声波采样器样机的验证性实验，对压电振动器的研发不够深入，振动钻探装置结构有待优化。
国内研究现状和发展动态：
机械式高频振动钻机：1987年中国有色金属工业总公司矿产地质研究院设计CSG-24型多功能工程砂钻钻机，双轴四轮偏心块式振动器振动频率角频率为22.5转/秒(Hz)，最大激振力是22kN；江苏省无锡探矿机械总厂有限公司生产的G系列工程地质勘察钻机采用双偏心块式振动器。上述机械式齿轮传动振动装置中，频率低，钻孔取样深度浅、地层适应性差、钻进速度慢、钻进效率低等问题。
全液压声频振动钻机：近年我国从日本等国家引进液压式驱动器，进而研发了YGL-S100等型号的声波钻机，该液压振动器的振动频率为80～160Hz，振动冲击对样品扰动范围较小，对岩心质量的影响非常小；中国地质大学(北京)2007年开发了SDR-100型声频振动钻机样机，振动深度30米，整机布局未采用模块化设计，结构不尽合理，动力头发热严重、减振效果差，液压油管布置较为杂乱，成本费用较高。
2009年吉林大学建设工学院赵大军研制了JDD-100型城市地质调查多功能钻机，钻机动力头上装有两个高速液压马达，同时驱动两根安装有同齿数同步齿轮的轴，转速相同、转向相反，保持同步转动。振动频率46.7转/秒(46.7Hz)，激振力16.7kN，振幅8mm，功率15kW。经室内外实验，钻机性能优良，勘察速度高，成为国内首台城市地质调查多功能振动钻机具有静力触探、动力触探、回转钻进、高频振动回转钻进等功能，钻机配有钻进参数检测系统，可随钻检测和显示9个钻进参数，填补了国内空白。针对复杂地层的高频冲击回转钻进的效率较高，钻机的自动化程度高，降低了钻进的辅助时间，减轻了工人的劳动强度，满足我国城市地质调查钻机的要求。但针对硬岩激振力仍然偏低。
2011年中国煤炭地质总局第二勘探局与中国地质大学(北京)联合开发出YSZ-50型声频振动钻机，动力头采用两个高速马达驱动两个偏心轴，偏心轴间无机械连接，靠各自的反向高速旋转实现自同步，频率达到150～200Hz，振动力140kN，振动功率39.2Kw。但是动力头发热严重使用寿命仅能达到50h，需要检修更换的时间较多，从而使的作业效率降低。
超声波振动碎岩：2008年南京航空航天大学黄卫清、郭俊杰等开展压电振动钻探研究，主要针对外太空钻探取样任务，研制用于月球巡视车或专用机器人的小型压电陶瓷振动钻探试验样机，激振力过小且仅单一考虑冲击疲劳碎岩，并未形成专门化、系列化无法运用到实际工程；杭州成功超声设备有限公司应用压电陶瓷研制的系列超声波振动装置(振动频率15KHz～60KHz)，成功应用于金属材料的切割、焊接及铆合，大大降低了设备的重量，减少了功耗，提高了工作效率；绍兴文理学院黄德中仅从理论上探讨了将超声波振动器安装在凿岩机上，可提高凿岩机的工作效率，降低噪声污染，且上述超声波振动碎岩理论单一考虑冲击疲劳碎岩，并未运用回转冲击疲劳-共振碎岩。
综上所述，国内外将超声波碎岩技术应用在岩芯取样、矿产资源开采与隧道掘进领域尚属于探索阶段。国内声频振动钻机研发涉及的振动频率低(低于150Hz)，对于超声波振动碎岩钻机的研发基本属于空白，且近年来，变频电机无级调速方面(如调速的精度和范围、动态响应特性和使用方便性等)日趋完善，钻机朝着安全、轻便化和自动化方向发展，一种全电动超声波振动钻机的研发势在必行，符合现代化钻机的发展趋势，故现有技术有待改进和发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种全电动超声波钻机。
本发明的另一目的是提供一种全电动超声波钻进方法。
本发明包括回转机构、给进机构、超声波振动机构、支撑机构及控制系统；
所述的回转机构由回转电机、钻头、垫叉座、水龙头、钻杆和导杆下支座组成，
所述超声波振动机构为中空结构，超声波振动机构包括超声波振动器，中间钻杆从下贯穿到回转电机，超声波振动器跟回转电机柔性连接，即整个超声波振动器底座板跟回转电机之间是通过缓冲弹簧连接的，通过在超声波振动器上座板两侧设置四根双头螺栓，每根双头螺栓设置两个缓冲弹簧，构成振动器的外部结构；超声波振动器与钻杆连接，超声波振动器安装在导杆下支座上，并可一起在导杆上滑动；水龙头安装在超声波振动器下端的钻杆上；垫叉座固定在导杆上，钻杆穿过垫叉座扶正限位；钻头通过螺纹连接在钻杆上；
所述的给进机构包括给进油缸、闭环液压系统和给进电机，给进电机通过导杆、导杆上支座与横梁铰接固定在立柱上；给进油缸一端与给进电机，给进油缸另一端与导杆下支座连接；导杆下支座与超声波振动器底端固定连接；
所述的超声波伸缩振动机构包括超声波振动器的绝缘壳体、弹簧、四片环状压电陶瓷片、四片环状电极片、导电通道和环状绝缘垫片构成，四片环状压电陶瓷片、四片环状电极片内置在超声波振动器内，并位于回转电机之下；每片环状压电陶瓷片的上下端面分别贴上环状电极片，最上端环状压电陶瓷片的上面依次设置弹簧和环状绝缘垫片；超声波振动器外部绝缘壳体和上下端环状绝缘垫片防止超声波振动器导电、漏电，使导电通道更加稳定，四片环状电极片和上下端环状绝缘垫片可随环状压电陶瓷片在超声波振动器的绝缘壳体内上下振动；超声波振动器内设有导电通道，电流沿上超声波振动器体内表面导线槽，进入到导电通道并分别连接四片环状电极片的不同正负极从而形成闭合回路；超声波振动机构为中空结构，中间钻杆从下贯穿到回转电机，超声波振动器跟回转电机柔性连接，即整个超声波振动器的底座板跟回转电机之间是通过缓冲弹簧连接的；四片环状压电陶瓷片和四片环状电极片的弹簧下方贴紧绝缘垫片与超声波振动器的绝缘壳直接接触，进而挤压环状压电陶瓷片，给与环状压电陶瓷片初始压应力；超声波振动器、回转电机和钻杆的各部分连接后，超声波振动器下部内腔相通，形成钻杆通道；由于上回转电机与下超声波振动器的柔性连接，超声波振动器与钻杆构成振动-回转机构核心部件，包括四片环状压电陶瓷片和四片环状电极片处于密闭空间中，既能够将环状压电陶瓷片的超声波频率振动锤击钻杆台阶，并沿着钻杆传递给钻头，又能够保证其密封性。同时，由于环状压电陶瓷片的抗拉强度较低，因此当环状压电陶瓷片与弹簧压紧后，使环状压电陶瓷片始终处于一定压应力下，减少受拉破坏，延长使用寿命。因此，钻头在正常回转-振动钻进时，能够稳定地进行与岩石“自然频率”一致的超声波频率振动。
所述支撑机构包括手柄、导杆、立柱、横梁、底板、液压油缸支腿，底板在脚处安装液压油缸支腿，液压油缸支腿支撑在地面上；钻机通过框架式支撑机构底座的前、后、左、右共有四个液压油缸支腿用手轮摇动以调节底座的高度，现场可方便调平和固定钻机；液压油缸支腿下连接圆板，前支腿的两个圆板上钻有两个圆孔，可固定地锚，快速固定钻机；立柱通过插销快速固定支撑架整体，形成三角形稳定结构；底板与支撑杆底板插栓连接。
所述控制系统由回转电机、闭环液压系统、给进电机、钻压控制面板、转速控制面板、启动开关、超声波振动器操作旋钮和控制导线组成，给进电机、闭式液压系统、给进油缸和钻压控制面板形成给进闭环控制回路，通过无级调节给进电机转速，实现闭式液压系统输出恒定压力(根据地层情况自行设定的压力值)，即实现给进系统的恒定钻压钻进；回转电机与转速控制面板通过控制导线形成闭环回路，通过控制系统无级调节回转电机的转速(根据地层情况自行设定的转速)，即实现了钻机的输出恒转速回转钻进。
本发明的钻进方法如下：
一、根据需要组装超声波频率振动钻机。通过框架式支撑机构底座的前、后、左、右共有四个液压油缸支腿用手轮摇动以调节底座的高度，液压油缸前支腿的两个圆板上两个圆孔固定地锚，液压油缸支腿及立柱之间配合调整钻机高度，使得钻头对准孔位，现场调平和固定钻机，支撑杆上下端分别与导杆上支座和底板通过插栓快速连接；
二、首先开启电控箱启动开关，开启水泵通过水龙头为钻孔供水；通过控制系统控制回转电机的转速，实现钻机回转速度的无级调节。根据设定的转速值，通过控制系统调节转速控制面板实现恒转速回转钻进。
三、通过超声波振动机构根据需要启动超声波振动器操作旋钮，电流沿回转电机流至超声波振动器，在交变电流下通过导电通道驱动环状压电陶瓷片能够产生超声波频率轴向伸缩振动，响应快，输出力大。由于环状压电陶瓷片上部设置有弹簧，产生向下的超声波振动力，锤击钻杆台阶传递给钻杆对孔底岩石产生超声波振动力。
四、通过控制系统控制给进电机转速，实现无级调节给进系统的给进和提升速度。根据设定的钻进值，通过控制系统给进电机的转速调节钻压控制面板，实现液压系统恒定压力给进，即实现恒钻压钻进。在钻头的回转与给进力联合超声波振动作用下，实现超声波频率钻进。
五、依次关闭回转电机控制系统，给进电机控制系统，最后关闭水泵和电控箱启动开关，整理工作平面。
附图说明
图1是本发明的超声波频率振动钻机示意图。
图2是本发明的超声波振动机构剖视图。
图中：1-回转电机，2-导杆，3-立柱，4-给进油缸，5-闭环液压系统，6-给进电机，7-导杆上支座，8-横梁，9-支撑杆，10-钻压控制面板，11-转速控制面板，12-启动开关，13-超声波振动器操作旋钮，14-底板，15-钻头，16-液压油缸支腿，17-垫叉座，18-钻杆，19-水龙头，20-超声波振动器，21-导杆下支座，22-双头螺栓,23-缓冲弹簧，24-弹簧，25-环状压电陶瓷片，26-环状电极片，27-导电通道，28-环状绝缘垫片,29-钻杆台阶。
具体实施方式
本发明包括回转机构、给进机构、超声波振动机构、支撑机构及控制系统；
请参阅图1所示，所述的回转机构包括回转电机1、钻头15、垫叉座17、水龙头19、钻杆18、超声波振动器20和导杆下支座21；
超声波振动机构包括超声波振动器20，中间钻杆18从下贯穿到回转电机1，超声波振动器20与回转电机1柔性连接，即整个超声波振动器20底座板跟回转电机1之间是通过缓冲弹簧23连接的，通过在超声波振动器20上座板两侧设置四根双头螺栓22，每根双头螺栓22设置两个缓冲弹簧23，构成振动器20的外部结构；超声波振动器20与钻杆18连接，超声波振动器20安装在导杆下支座21上，并可一起在导杆2上滑动；水龙头19安装在超声波振动器20下端的钻杆18上；垫叉座17固定在导杆2上，钻杆18穿过垫叉座17扶正限位；钻头15通过螺纹连接在钻杆18上；
所述的给进机构包括给进油缸4、闭环液压系统5和给进电机6，给进电机6通过导杆2、导杆上支座7与横梁8铰接固定在立柱3上；给进油缸4一端与给进电机6连接，给进油缸4另一端与导杆下支座21连接；导杆下支座21与超声波振动器20底端固定连接；
所述的超声波伸缩振动机构包括超声波振动器20的绝缘壳体、弹簧24、四片环状压电陶瓷片25、四片环状电极片26、导电通道27和环状绝缘垫片28，四片环状压电陶瓷片25和四片环状电极片26内置在超声波振动器20内，并位于回转电机1之下；每片环状压电陶瓷片25的上下端面分别贴上环状电极片26，最上端环状压电陶瓷片25的上面依次设置弹簧24和环状绝缘垫片28；超声波振动器20外部绝缘壳体和上下端环状绝缘垫片28能防止超声波振动器20导电、漏电，使导电通道27更加稳定，四片环状电极片26和上下端环状绝缘垫片28可随环状压电陶瓷片25在超声波振动器20的绝缘壳体内上下振动；超声波振动器20内设有导电通道27，电流沿上超声波振动器20体内表面导线槽，进入到导电通道27并分别连接四片环状电极片26的不同正负极从而形成闭合回路；
弹簧24下方贴紧绝缘垫片27与超声波振动器20的绝缘壳直接接触，进而挤压环状压电陶瓷片25，给与环状压电陶瓷片25初始压应力；超声波振动器20、回转电机1和钻杆18连接后，超声波振动器20下部内腔相通，形成钻杆18通道；由于上回转电机1与下超声波振动器20的柔性连接，超声波振动器20与钻杆18构成振动-回转机构核心部件，四片环状压电陶瓷片25和四片环状电极片26处于密闭空间中，既能够将环状压电陶瓷片25的超声波频率振动锤击钻杆台阶29，并沿着钻杆18传递给钻头15，又能够保证其密封性。同时，由于环状压电陶瓷片25的抗拉强度较低，因此当环状压电陶瓷片25与弹簧24压紧后，使环状压电陶瓷片25始终处于一定压应力下，减少受拉破坏，延长使用寿命。因此，钻头在正常回转-振动钻进时，能够稳定地进行与岩石“自然频率”一致的超声波频率振动。
所述支撑机构包括手柄、导杆2、立柱3、横梁8、底板14、液压油缸支腿16，底板14在脚处安装液压油缸支腿16，液压油缸支腿16支撑在地面上；钻机通过框架式支撑机构底座8的前、后、左、右共有四个液压油缸支腿16用手轮摇动以调节底座8的高度，现场可方便调平和固定钻机；液压油缸支腿16下连接圆板，前支腿16的两个圆板上钻有两个圆孔，可固定地锚，快速固定钻机；立柱3通过插销快速固定支撑架整体，形成三角形稳定结构；底板14与支撑杆9底板14插栓连接。
所述控制系统由回转电机1、闭环液压系统5、给进电机6、钻压控制面板10、转速控制面板11、启动开关12、超声波振动器操作旋钮13和控制导线组成，给进电机6、闭式液压系统5、给进油缸4和钻压控制面板10形成给进闭环控制回路，通过无级调节给进电机6转速，实现闭式液压系统输出恒定压力(根据地层情况自行设定的压力值)，即实现给进系统的恒定钻压钻进；回转电机1与转速控制面板11通过控制导线形成闭环回路，通过控制系统无级调节回转电机1的转速(根据地层情况自行设定的转速)，即实现了钻机的输出恒转速回转钻进。
本发明的钻进方法如下：
二、根据需要组装超声波频率振动钻机。通过框架式支撑机构底座的前、后、左、右共有四个液压油缸支腿16用手轮摇动以调节底座8的高度，液压油缸前支腿6的两个圆板上两个圆孔固定地锚，液压油缸支腿16及立柱3之间配合调整钻机高度，使得钻头15对准孔位，现场调平和固定钻机，支撑杆9上下端分别与导杆上支座7和底板14通过插栓快速连接；
二、首先开启电控箱启动开关12，开启水泵通过水龙头19为钻孔供水；通过控制系统控制回转电机1的转速，实现钻机回转速度的无级调节。根据设定的转速值，通过控制系统调节转速控制面板11实现恒转速回转钻进。
三、通过超声波振动机构根据需要启动超声波振动器操作旋钮13，电流沿回转电机1流至超声波振动器20，在交变电流下通过导电通道27驱动环状压电陶瓷片25能够产生超声波频率轴向伸缩振动，响应快，输出力大。由于环状压电陶瓷片25上部设置有弹簧24，产生向下的超声波振动力，锤击钻杆台阶29传递给钻杆18对孔底岩石产生超声波振动力。
四、通过控制系统控制给进电机6转速，实现无级调节给进系统的给进和提升速度。根据设定的钻进值，通过控制系统给进电机6的转速调节钻压控制面板10，实现液压系统恒定压力给进，即实现恒钻压钻进。在钻头15的回转与给进力联合超声波振动作用下，实现超声波频率钻进。
五、依次关闭回转电机控制系统，给进电机控制系统，最后关闭水泵和电控箱启动开关12，整理工作平面。
Claims (3)
1.一种全电动超声波钻机，其特征在于：包括回转机构、给进机构、超声波振动机构、支撑机构及控制系统；
所述的回转机构包括回转电机(1)、钻头(15)、垫叉座(17)、水龙头(19)、钻杆(18)、超声波振动器(20)和导杆下支座(21)；
所述的超声波振动机构包括超声波振动器(20)，中间钻杆(18)从下贯穿到回转电机(1)，超声波振动器(20)与回转电机(1)柔性连接，超声波振动器(20)与钻杆(18)连接，超声波振动器(20)安装在导杆下支座(21)上，并可一起在导杆(2)上滑动；水龙头(19)安装在超声波振动器(20)下端的钻杆(18)上；垫叉座(17)固定在导杆(2)上，钻杆(18)穿过垫叉座(17)扶正限位；钻头(15)通过螺纹连接在钻杆(18)上；
所述的给进机构包括给进油缸(4)、闭环液压系统(5)和给进电机(6)，给进电机(6)通过导杆(2)、导杆上支座(7)与横梁(8)铰接固定在立柱(3)上；给进油缸(4)一端与给进电机(6)连接，给进油缸(4)另一端与导杆下支座(21)连接；导杆下支座(21)与超声波振动器(20)底端固定连接；
所述的超声波伸缩振动机构包括超声波振动器(20)的绝缘壳体、弹簧(24)、四片环状压电陶瓷片(25)、四片环状电极片(26)、导电通道(27)和环状绝缘垫片(28)，四片环状压电陶瓷片(25)和四片环状电极片(26)内置在超声波振动器(20)内，并位于回转电机(1)之下；每片环状压电陶瓷片(25)的上下端面分别贴上环状电极片(26)，最上端环状压电陶瓷片(25)的上面依次设置弹簧(24)和环状绝缘垫片(28)；超声波振动器(20)外部绝缘壳体和上下端环状绝缘垫片(28)能防止超声波振动器(20)导电、漏电，使导电通道(27)更加稳定，四片环状电极片(26)和上下端环状绝缘垫片(28)可随环状压电陶瓷片(25)在超声波振动器(20)的绝缘壳体内上下振动；超声波振动器(20)内设有导电通道(27)，电流沿上超声波振动器(20)体内表面导线槽，进入到导电通道(27)并分别连接四片环状电极片(26)的不同正负极从而形成闭合回路；
弹簧(24)下方贴紧绝缘垫片(27)与超声波振动器(20)的绝缘壳直接接触，进而挤压环状压电陶瓷片(25)，给与环状压电陶瓷片(25)初始压应力；超声波振动器(20)、回转电机(1)和钻杆(18)连接后，超声波振动器(20)下部内腔相通，形成钻杆(18)通道；由于上回转电机(1)与下超声波振动器(20)的柔性连接，超声波振动器(20)与钻杆(18)构成振动-回转机构核心部件，四片环状压电陶瓷片(25)和四片环状电极片(26)处于密闭空间中；
所述支撑机构包括手柄、导杆(2)、立柱(3)、横梁(8)、底板(14)、液压油缸支腿(16)，底板(14)在脚处安装液压油缸支腿(16)，液压油缸支腿(16)支撑在地面上；钻机通过框架式支撑机构底座(8)的前、后、左、右共有四个液压油缸支腿(16)用手轮摇动以调节底座(8)的高度，现场可方便调平和固定钻机；液压油缸支腿(16)下连接圆板，前支腿(16)的两个圆板上钻有两个圆孔，可固定地锚，快速固定钻机；立柱(3)通过插销快速固定支撑架整体，形成三角形稳定结构；底板(14)与支撑杆(9)底板(14)插栓连接；
所述的控制系统由回转电机(1)、闭环液压系统(5)、给进电机(6)、钻压控制面板(10)、转速控制面板(11)、启动开关(12)、超声波振动器操作旋钮(13)和控制导线组成，给进电机(6)、闭环液压系统(5)、给进油缸(4)和钻压控制面板(10)形成给进闭环控制回路，通过无级调节给进电机(6)转速，实现闭环液压系统输出恒定压力；回转电机(1)与转速控制面板(11)通过控制导线形成闭环回路，通过控制系统无级调节回转电机(1)的转速。
2.根据权利要求1所述的一种全电动超声波钻机，其特征在于：所述超声波振动器(20)与回转电机(1)的柔性连接是超声波振动器(20)底座板跟回转电机(1)之间是通过缓冲弹簧(23)连接，通过在超声波振动器(20)上座板两侧设置四根双头螺栓(22)，每根双头螺栓(22)设置两个缓冲弹簧(23)，构成超声波振动器(20)的外部结构。
3.权利要求1所述全电动超声波钻机的钻进方法，其特征在于：包括以下步骤：
一、根据需要组装超声波频率振动钻机，通过框架式支撑机构底座的前、后、左、右共有四个液压油缸支腿(16)用手轮摇动以调节底座(8)的高度，液压油缸前支腿(6)的两个圆板上两个圆孔固定地锚，液压油缸支腿(16)及立柱(3)之间配合调整钻机高度，使得钻头(15)对准孔位，现场调平和固定钻机，支撑杆(9)上下端分别与导杆上支座(7)和底板(14)通过插栓快速连接；
二、首先开启电控箱启动开关(12)，开启水泵通过水龙头(19)为钻孔供水；通过控制系统控制回转电机(1)的转速，实现钻机回转速度的无级调节，根据设定的转速值，通过控制系统调节转速控制面板(11)实现恒转速回转钻进；
三、通过超声波振动机构根据需要启动超声波振动器操作旋钮(13)，电流沿回转电机(1)流至超声波振动器(20)，在交变电流下通过导电通道(27)驱动环状压电陶瓷片(25)能够产生超声波频率轴向伸缩振动，响应快，输出力大，由于环状压电陶瓷片(25)上部设置有弹簧(24)，产生向下的超声波振动力，锤击钻杆台阶(29)传递给钻杆(18)对孔底岩石产生超声波振动力；
四、通过控制系统控制给进电机(6)转速，实现无级调节给进系统的给进和提升速度，根据设定的钻进值，通过控制系统给进电机(6)的转速调节钻压控制面板(10)，实现液压系统恒定压力给进，即实现恒钻压钻进，在钻头(15)的回转与给进力联合超声波振动作用下，实现超声波频率钻进；
五、依次关闭回转电机控制系统，给进电机控制系统，最后关闭水泵和电控箱启动开关(12)，整理工作平面。
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|---|---|---|---|---|
| CN108316861A (zh) * | 2018-01-30 | 2018-07-24 | 中国矿业大学 | 一种矿山超声波破岩设备 |
| CN108468328A (zh) * | 2018-02-05 | 2018-08-31 | 浙江八达隧道工程股份有限公司 | 一种人工挖孔桩免爆破开挖方法及其防爆装置 |
| CN108468541B (zh) * | 2018-04-24 | 2024-03-26 | 中国石油天然气集团有限公司 | 一种钻井模拟装置及方法 |
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| CN111122216A (zh) * | 2018-10-30 | 2020-05-08 | 哈尔滨工业大学 | 一种小行星表面可选点采样器 |
| CN111122227A (zh) * | 2018-10-30 | 2020-05-08 | 哈尔滨工业大学 | 回转电机与超声波钻同轴式小行星采样器 |
| CN111122226A (zh) * | 2018-10-30 | 2020-05-08 | 哈尔滨工业大学 | 单压电陶瓷叠堆作动回转冲击超声波钻进小行星采样器 |
| CN110984849A (zh) * | 2019-12-20 | 2020-04-10 | 孙培丽 | 一种螺纹结构式土地打孔机 |
| CN112098630B (zh) * | 2020-09-16 | 2022-10-04 | 哈尔滨工业大学 | 一种月壤性能综合试验台及试验方法 |
| CN112548623B (zh) * | 2020-12-02 | 2022-07-08 | 嘉兴市劼力机械科技有限公司 | 一种钻床 |
| CN112642555A (zh) * | 2021-01-05 | 2021-04-13 | 石家庄宣渠科技有限公司 | 一种利用声波震动的地下碎石机 |
| CN114718462B (zh) * | 2022-04-02 | 2023-07-21 | 中国地质大学（北京） | 一种浅层超磁致伸缩驱动声波钻 |
| CN115405223B (zh) * | 2022-11-01 | 2023-02-28 | 溧阳市东南机械有限公司 | 一种土壤取样用高频声波钻机 |
Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102012324A (zh) * | 2010-11-24 | 2011-04-13 | 南京航空航天大学 | 超声波钻探器 |
| CN102373908A (zh) * | 2011-10-08 | 2012-03-14 | 龚大建 | 一种煤层气井下超声波增产抽采装置 |
| CN102568747A (zh) * | 2012-02-01 | 2012-07-11 | 天津大学 | 一种井下超声波匹配电感及其作业施工系统 |
| CN102562029A (zh) * | 2011-12-11 | 2012-07-11 | 贵州航天凯山石油仪器有限公司 | 避免超声换能器旋转安装的方法及超声换能器紧固结构 |
| CN102587874A (zh) * | 2012-03-28 | 2012-07-18 | 中国石油大学(华东) | 超声波辅助稠油层内水热催化裂解实验装置及实验方法 |
| CN103061711A (zh) * | 2012-12-21 | 2013-04-24 | 张家港睿能科技有限公司 | 超声波在油井解堵中的应用 |
| CN103573261A (zh) * | 2012-08-03 | 2014-02-12 | 中国石油天然气集团公司 | 一种井下超声波顶底板测量方法及装置 |
| CN104060980A (zh) * | 2014-06-12 | 2014-09-24 | 中国石油天然气股份有限公司 | 井下集流型超声波多普勒流量-含水率计 |
| CN104179491A (zh) * | 2014-08-26 | 2014-12-03 | 山东科技大学 | 井下岩体裂隙钻孔超声波探测装置和系统 |
| CN105464588A (zh) * | 2016-01-15 | 2016-04-06 | 吉林大学 | 一种超声波振动碎岩实验装置及实验方法 |
| CN205297317U (zh) * | 2016-01-15 | 2016-06-08 | 吉林大学 | 一种超声波振动碎岩实验装置 |
| CN106321043A (zh) * | 2016-10-17 | 2017-01-11 | 广汉市思科信达科技有限公司 | 一种旋转式超声换能器 |
| CN106351633A (zh) * | 2016-10-17 | 2017-01-25 | 广汉市思科信达科技有限公司 | 一种线性超声换能器阵列 |
| CN207245618U (zh) * | 2017-09-26 | 2018-04-17 | 吉林大学 | 一种全电动超声波钻机 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6968910B2 (en) * | 2001-12-20 | 2005-11-29 | Yoseph Bar-Cohen | Ultrasonic/sonic mechanism of deep drilling (USMOD) |
-
2017
- 2017-09-26 CN CN201710880714.XA patent/CN107503687B/zh active Active
Patent Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102012324A (zh) * | 2010-11-24 | 2011-04-13 | 南京航空航天大学 | 超声波钻探器 |
| CN102373908A (zh) * | 2011-10-08 | 2012-03-14 | 龚大建 | 一种煤层气井下超声波增产抽采装置 |
| CN102562029A (zh) * | 2011-12-11 | 2012-07-11 | 贵州航天凯山石油仪器有限公司 | 避免超声换能器旋转安装的方法及超声换能器紧固结构 |
| CN102568747A (zh) * | 2012-02-01 | 2012-07-11 | 天津大学 | 一种井下超声波匹配电感及其作业施工系统 |
| CN102587874A (zh) * | 2012-03-28 | 2012-07-18 | 中国石油大学(华东) | 超声波辅助稠油层内水热催化裂解实验装置及实验方法 |
| CN103573261A (zh) * | 2012-08-03 | 2014-02-12 | 中国石油天然气集团公司 | 一种井下超声波顶底板测量方法及装置 |
| CN103061711A (zh) * | 2012-12-21 | 2013-04-24 | 张家港睿能科技有限公司 | 超声波在油井解堵中的应用 |
| CN104060980A (zh) * | 2014-06-12 | 2014-09-24 | 中国石油天然气股份有限公司 | 井下集流型超声波多普勒流量-含水率计 |
| CN104179491A (zh) * | 2014-08-26 | 2014-12-03 | 山东科技大学 | 井下岩体裂隙钻孔超声波探测装置和系统 |
| CN105464588A (zh) * | 2016-01-15 | 2016-04-06 | 吉林大学 | 一种超声波振动碎岩实验装置及实验方法 |
| CN205297317U (zh) * | 2016-01-15 | 2016-06-08 | 吉林大学 | 一种超声波振动碎岩实验装置 |
| CN106321043A (zh) * | 2016-10-17 | 2017-01-11 | 广汉市思科信达科技有限公司 | 一种旋转式超声换能器 |
| CN106351633A (zh) * | 2016-10-17 | 2017-01-25 | 广汉市思科信达科技有限公司 | 一种线性超声换能器阵列 |
| CN207245618U (zh) * | 2017-09-26 | 2018-04-17 | 吉林大学 | 一种全电动超声波钻机 |
Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 超声波振动下非均匀岩石损伤过程数值模拟与试验;尹崧宇;赵大军;周宇;赵博;;吉林大学学报(地球科学版)(02);全文 * |
Also Published As
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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