CN108982147A - 一种基于空间凸轮机构的柱塞式振动回转取样钻机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于空间凸轮机构的柱塞式振动回转取样钻机，该型取样钻机包括动力源、激振器两大部分，动力源包括锂电池组、电缆、大功率电机、连接法兰、转换连接接头和霍尔传感器，主要负责钻机的动力输入；激振器包括轴承端盖、转速显示器、箱盖、输入轴、壳体、振子、凸轮轴承随动器、空间凸轮机构、握把、振动切换离合器、回转切换离合器、钻机控制器、输出轴、行星减速器、钻杆转换连接头、钻杆、钻头和卡簧，主要用来产生振动\回转动作，并通过钻杆传递至目标岩样以钻取岩石样品，具有体积小、重量轻、便于安装拆卸、方便运输、可单人操作的特点，还可方便快速的对取样形式进行选择，能够完成多种复杂取样对象的样本获取工作。

Description

一种基于空间凸轮机构的柱塞式振动回转取样钻机

技术领域

本发明属于地质勘探领域，具体涉及一种基于空间凸轮机构的柱塞式振动回转取样钻机。

背景技术

地质资源勘探与开发工作常常是在地势较为复杂和偏远的地域展开，这些地域普遍存在着交通不便、设备难以运达工作位置点的问题；即使顺利运达并开展工作，其耗费的人力、物力也是非常巨大的。

传统的便携式取样钻机往往只具备振动或回转一种工作模式，对地层性质的适应能力较差；同时，传统钻机常常采用双偏心轮或活塞式的原理进行设计制造，钻机体积较大、重量较高，且对配套设备要求较高的问题。因此，设计一种便于携带和安装拆卸的钻机对于浅层地质勘探工作显得尤为重要。

发明内容

有鉴于此，本发明的公开了一种基于空间凸轮机构的柱塞式振动回转取样钻机，具体地说是一种利用电机作为动力源且可以单人操作的浅层地质勘探钻机，主要由动力源、激振器两部分组成，钻机集声频振动和回转工作模式为一体，解决上述类型钻机技术和对不同地质条件适应能力上的不足。

本发明的提供一种基于空间凸轮机构的柱塞式振动回转取样钻机，包括动力源和激振器两部分，所述动力源和所述激振器通过一连接法兰进行连接，所述动力源包括用于钻机动力输入的动力机构和用于为所述动力机构提供电力的电源组件；

所述激振器包括内为空腔的壳体、位于所述壳体内的第一离合器和振动机构以及位于所述壳体底部的第二离合器和钻进机构，所述壳体顶端设有一箱盖，一输入轴沿所述壳体轴心方向穿插入所述壳体中心处，所述输入轴一端延伸至所述箱盖外连接所述动力机构，用于接收并传递所述动力机构的输入动力；位于所述壳体内的所述输入轴通过第一离合器连接所述振动机构，以驱使所述振动机构动作，使所述激振器产生振动；所述输入轴另一端延伸至所述壳体底部外通过所述第二离合器连接所述钻进机构，实现钻机的回转钻进；

所述壳体外对称固设有若干手持部，其中一所述手持部上设有钻机控制器，所述钻机控制器电连接所述第一离合器、第二离合器、动力机构和电源组件。

进一步地，所述动力机构为大功率电机，所述电源组件为锂电池组，所述锂电池组通过电缆连接所述大功率电机。

进一步地，所述大功率电机的输出轴通过一转换连接接头连接所述输入轴。

进一步地，所述连接法兰四周设有通孔，便于观察所述转换连接接头与所述大功率电机和所述输入轴的连接情况，所述连接法兰上固设有霍尔传感器，可实时监测大功率电机输出转速，所述箱盖上通过铰链设有转速显示器，所述转速显示器和所述霍尔传感器相连，可实时显示霍尔传感器所测得的电机输出轴转速。

进一步地，所述第一离合器和第二离合器均包括主动部分和从动部分，所述主动部分和从动部分沿轴向布置，且二者的旋转轴线相重合，所述从动部分内设有电磁线圈，所述钻机控制器电连接所述第一离合器和第二离合器的电磁线圈，当所述钻机控制器控制所述电磁线圈通电时，所述主动部分和从动部分的结合面紧密贴合在一起，并通过相互之间的摩擦力传递力矩。

进一步地，位于所述壳体内的所述输入轴上固定连接所述第一离合器的主动部分，所述第一离合器的从动部分固定连接所述振动机构，所述振动机构包括空间凸轮机构、若干振子和凸轮轴承随动器，所述空间凸轮机构顶部固定连接所述第一离合器的从动部分，所述空间凸轮机构外壁设有波纹状的沟槽，若干所述振子与所述凸轮轴承随动器通过螺纹一一对应连接，所述凸轮轴承随动器包括轴承滚轮和螺栓柱，所述螺栓柱一端固定在所述振子上，另一端转动连接所述轴承滚轮，所述轴承滚轮置于所述沟槽内，当所述空间凸轮机构高速旋转时，可带动对称分布的凸轮轴承随动器和振子做上下的高频运动，实现钻机的振动钻进。

进一步地，所述壳体底部间设有若干与所述振子一一对应连接的活塞缸，用作所述振子高频振动时的轨道。

进一步地，所述输入轴延伸至所述壳体底部外一端连接所述第二离合器的主动部分，所述第二离合器的从动部分固定连接所述钻进机构，所述钻进机构包括输出轴、行星减速器、钻杆转换接头、钻杆、卡簧和钻头，所述输出轴通过平键连接所述行星减速器的输入轴，所述行星减速器的输出轴通过所述钻杆转换接头连接所述钻杆，所述钻杆底端螺纹连接所述钻头，所述卡簧通过钻头限位固定于所述钻杆内部。

进一步地，所述第二离合器外的所述壳体底部设有护罩。

进一步地，所述箱盖上设有轴承座，且所述箱盖通过螺栓连接一轴承端盖，通过转动螺栓可调整所述轴承端盖内轴承的间隙。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

1、本发明能够任意在振动钻进和回转钻进的工作模式间进行切换或组合，能够极大地提高钻机对不同地质条件的适应能力；

2、结构简单，体积小，重量轻，方便运输和拆装，可以满足单人操作的要求；

3、该钻机具有转速实时显示功能，可根据不同地质条件调整钻杆转速，最大程度的提高取芯效率；

4、该钻机全部使用电子元器件，因此动力源仅需要一套锂电池组便可满足整套系统的动力需求，降低了整套系统的复杂程度，方便后期维护。

附图说明

图1是本发明实施例一种基于空间凸轮机构的柱塞式振动回转取样钻机的结构示意图；

图2是本发明实施例的结构剖视图。

图中：1-动力机构，2-连接法兰，3-霍尔传感器，4-转速显示器，5-箱盖，6-手持部，7-壳体，8-钻杆转换连接头，9-钻杆，10-钻头，11-转换连接接头，12-轴承端盖，13-电缆，14-钻机控制器，15-电源组件，16-行星减速器，17-输入轴，18-第一离合器，19-空间凸轮机构，20-凸轮轴承随动器，21-振子，22-第二离合器，23-输出轴，24-卡簧。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1和图2，本发明的实施例公开了一种基于空间凸轮机构19的柱塞式振动回转取样钻机，包括动力源和激振器两大部分，所述动力源包括动力机构1、电源组件15和转换连接接头11，所述动力机构1为大功率电机，所述大功率电机为可变速、输出扭矩较大的交流电机，主要负责钻机的动力输入，所述大功率电机包含一电机输出轴，所述电机输出轴端部通过平键连接在所述转换连接接头11其中一端；所述动力机构1通过电缆13连接有电源组件15，所述电源组件15为锂电池组，所述锂电池组采用具有高储存能量密度的锂离子电池，该锂电池组相较于传统的铅酸电池在质量方面有很大的优化，方便整套系统的运输工作，锂电池组通过电缆13为所述大功率电机提供电力；

所述激振器包括壳体7、箱盖5、轴承端盖12、输入轴17、振子21、凸轮轴承随动器20、空间凸轮机构19、第一离合器18、第二离合器22、钻机控制器14、输出轴23、行星减速器16、钻杆转换连接头8、钻杆9、卡簧24和钻头10，主要用来产生振动\回转动作并通过钻杆9传递至目标岩样以钻取岩石样品。在本实施例中，所述第一离合器18为振动切换离合器，所述第二离合器22为回转切换离合器。

所述振动切换离合器和回转切换离合器均包括主动部分和从动部分，所述主动部分和从动部分沿轴向布置，且二者的旋转轴线相重合，所述从动部分内设有电磁线圈，所述钻机控制器14电连接所述振动切换离合器和回转切换离合器的电磁线圈，当所述钻机控制器14控制所述电磁线圈通电时，所述主动部分和从动部分的结合面紧密贴合在一起，并通过相互之间的摩擦力传递力矩。

所述壳体7内为空腔，所述壳体7顶端安装所述箱盖5，且所述箱盖5上加工有轴承座和密封圈沟槽，可以保证壳体7内部空间的密封性，防止外部环境对壳体7内的结构造成影响；所述轴承端盖12通过螺栓与所述箱盖5相连，可以根据需要调整轴承端盖12内轴承的间隙。所述输入轴17、振子21、凸轮轴承随动器20、空间凸轮机构19和振动切换离合器均位于所述壳体7和所述箱盖5形成的内部空间内，所述壳体7底部中心处设有向内凹陷的凹型安装槽，用于为所述回转切换离合器的主动部分提供空间，所述凹型安装槽的横截面为圆形，且所述凹型安装槽顶部和所述箱盖5中心处设有一圆孔，所述输入轴17可穿过所述圆孔。

所述振动切换离合器和回转切换离合器均为电磁离合器，所述振动切换离合器和回转切换离合器均由主动部分和从动部分组成，所述从动部分内设有电磁线圈，所述主动部分和从动部分均可绕着离合器轴线转动，且从动部分可沿着离合器的轴线移动，并在电磁线圈得电之后使得主动部分和从动部分相接触结合。

所述输入轴17一端通过槽孔连接所述转换连接接头11另外一端，即所述输入轴17通过所述转换连接接头11与电机输出轴连接，所述输入轴17中间部分通过平键与振动切换离合器的主动部分连接，所述振动切换离合器的从动部分通过螺栓固定连接所述空间凸轮机构19，所述空间凸轮机构19为圆柱体，所述空间凸轮机构19的顶部中心处设有一凹型槽，用于固定连接所述振动切换离合器的从动部分，所述空间凸轮机构19底部中心处设有一凸型槽，用于为输入轴17上的轴承提供空间，所述空间凸轮机构19中部设有一圆形通道，所述输入轴17可穿过所述圆形通道；所述空间凸轮机构的外壁设有满足特定波形关系的沟槽，在本实施例中所述沟槽为上下波动的波形槽，且所述沟槽的侧壁为平滑的曲线；

所述壳体7内设有若干对称分布的振子21以及对应数量的凸轮轴承随动器20，若干所述振子21与所述凸轮轴承随动器20通过螺纹一一对应连接，所述凸轮轴承随动器20包括轴承滚轮和螺栓柱，所述振子21与所述螺栓柱螺纹连接之后，保持所述轴承滚轮可以绕着水平轴线转动，并且安装在振子21上的所述凸轮轴承随动器20上的轴承滚轮位于所述沟槽内，因此当所述空间凸轮机构19高速旋转时，可带动对称分布的凸轮轴承随动器20和振子21做上下的高频运动，进而带动激振器的振动，配合钻杆实现振动钻进操作。

特别地，所述壳体7底部间设有特定数量的活塞缸，所述活塞缸与所述振子一一对应连接，可作为振子21上下高频振动时的轨道，这样可以有效缓解振子21在高频振动时所述凸轮轴承随动器20的压力，延长了所述凸轮轴承随动器20的使用寿命。

特别地，在本实施例中，由于输入轴17很长，所述输入轴17与轴承端盖12的连接处以及所述输入轴17与所述凸型槽的连接处均设有轴承，不仅可以减少所述输入轴17在转动时的摩擦力，还可以对所述输入轴17进行支撑，增强所述输入轴17的刚度。

所述输入轴17另一端部穿过圆形通道和圆孔，即所述输入轴17穿出所述壳体7后，通过平键与回转切换离合器的主动部分连接，所述回转切换离合器的从动部分通过螺栓固定有钻进机构，所述钻进机构包括输出轴23、行星减速器16、钻杆转换接头8、钻杆9、卡簧24和钻头10，所述回转切换离合器的从动部分通过螺栓固定所述输出轴23，当所述回转切换离合器的主动部分和从动部分得电吸合之后，输入轴17就会带动输出轴23一起转动，负责输出钻机的回转钻进动作；所述输出轴23另一端通过平键连接所述行星减速器16的输入轴，所述行星减速器16的输出轴连接所述钻杆转换连接头8，所述钻杆转换连接头8与所述行星减速器16输出轴之间可拆卸安装，不仅装卸方便且能够适用于多种规格的钻杆9使用，同时所述行星减速器可以降低钻杆的转速并增大钻杆的钻进扭矩，所述钻杆9底端部通过螺纹连接所述钻头10，所述卡簧24通过钻头10限位固定于钻杆9内，用于所述钻杆9和所述钻头10之间的固定，所述的钻杆9、卡簧24、钻头10均采用符合国家标准的配件，增加了钻机的互换性能，降低了制造的成本，也可以增加钻机的实用性。

特别地，所述回转切换离合器外的所述壳体7底部还设有护罩，用于防止外界环境对于所述回转切换离合器工作时的影响。

所述壳体7外对称固设有若干手持部6，所述手持部6为握把，优选地为四个，实现在使用钻机时方便操作员操作，其中一所述握把上设有钻机控制器14，所述钻机控制器14上集成有钻机钻进模式切换器、电机调速器、急停按钮等，通过钻机钻进模式切换器可以调节成振动模式、或者是回转模式、或者是振动/回转模式，同时可以调节大功率电机的转动速率，且可以快速切断电源，停止该取样钻机动作。

一连接法兰2通过两端的法兰面将大功率电机与所述激振器连接在一起，所述连接法兰2四周开有通孔，可以方便的观察动力源与激振器的连接情况，即观察所述转换连接接头11与所述大功率电机和所述输入轴17的连接情况；

进一步地，所述霍尔传感器3通过螺栓安装于连接法兰2上，可以实时监测大功率电机输出转速；同时所述转速显示器4通过铰链结构安装于箱盖5上，所述转速显示器4和所述霍尔传感器3相连，能够实时显示霍尔传感器3所测得的电机输出轴转速，采用铰链结构可以方便调整转速显示器4的角度，方便操作人员观察所述转速显示器4上显示的转速值。

应用本实施例提供的基于空间凸轮机构19的柱塞式振动回转取样钻机进行野外钻进工作时，其操作过程为：

步骤一，组装钻机，根据图纸要求将钻机各部分正确装配，打开电源组件15进行整机调试，观察钻机是否运转正常，若运转不正常，则进行停机检查；

步骤二，钻机调试，当钻机调试正常时，将钻机放至待钻点，根据待钻点岩层情况选取钻进模式(包括振动钻进模式、回转钻进模式、振动\回转钻进模式)，并设定钻进参数(即电机转速)；

步骤三，操作员手扶钻机握把把控钻机钻进方向，根据钻机钻进情况可实时通过钻机控制器14调整钻机钻进模式和钻进参数；

当选取为振动钻进模式时，所述振动切换离合器的电磁线圈得电，随后主动部分和从动部分吸合，使得所述空间凸轮机构转动带动振子21进行上下的高频振动，实现振动钻进操作；

当选取为回转钻进模式时，所述回转切换离合器的电磁线圈得电，随后主动部分和从动部分吸合，使得输入轴17与输出轴23结合并带动其转动，从而实现钻杆9和钻头10的转动，实现回转钻进操作；

当选取为振动/回转钻进模式时，所述振动切换离合器和回转切换离合器的电磁线圈同时得电，使得振子21和输出轴23同时动作，即实现振动钻进又实现回转钻进操作；

步骤四，钻机可实现10-15米的钻深，当第一根钻杆9快要全部进入岩石的时候停止钻进，切换到回转钻进模式，反向转动钻机使钻杆9与钻杆转换连接头8脱离，增加一根钻杆9，安装完好后继续钻进，以此类推逐渐达到钻机最大钻深为止；

步骤五，待钻机钻进工作完成后，将钻机各部分拆卸并进行彻底清洗，装入专用的容器内部，以方便设备转移。

本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于空间凸轮机构的柱塞式振动回转取样钻机，包括动力源和激振器两部分，其特征在于：

所述动力源和所述激振器通过一连接法兰进行连接，所述动力源包括用于钻机动力输入的动力机构和用于为所述动力机构提供电力的电源组件；

所述激振器包括内为空腔的壳体、位于所述壳体内的第一离合器和振动机构以及位于所述壳体底部的第二离合器和钻进机构，所述壳体顶端设有一箱盖，一输入轴沿所述壳体轴心方向穿插入所述壳体中心处，所述输入轴一端延伸至所述箱盖外连接所述动力机构，用于接收并传递所述动力机构的输入动力；位于所述壳体内的所述输入轴通过第一离合器连接所述振动机构，以驱使所述振动机构动作，使所述激振器产生振动；所述输入轴另一端延伸至所述壳体底部外通过所述第二离合器连接所述钻进机构，实现钻机的回转钻进；

所述壳体外对称固设有若干手持部，其中一所述手持部上设有钻机控制器，所述钻机控制器电连接所述第一离合器、第二离合器、动力机构和电源组件。

2.如权利要求1所述基于空间凸轮机构的柱塞式振动回转取样钻机，其特征在于：所述动力机构为大功率电机，所述电源组件为锂电池组，所述锂电池组通过电缆连接所述大功率电机。

3.如权利要求2所述基于空间凸轮机构的柱塞式振动回转取样钻机，其特征在于：所述大功率电机的输出轴通过一转换连接接头连接所述输入轴。

4.如权利要求3所述基于空间凸轮机构的柱塞式振动回转取样钻机，其特征在于：所述连接法兰四周设有通孔，便于观察所述转换连接接头与所述大功率电机和所述输入轴的连接情况，所述连接法兰上固设有霍尔传感器，可实时监测大功率电机输出转速，所述箱盖上通过铰链设有转速显示器，所述转速显示器和所述霍尔传感器相连，可实时显示霍尔传感器所测得的电机输出轴转速。

5.如权利要求1所述基于空间凸轮机构的柱塞式振动回转取样钻机，其特征在于：所述第一离合器和第二离合器均包括主动部分和从动部分，所述主动部分和从动部分沿轴向布置，且二者的旋转轴线相重合，所述从动部分内设有电磁线圈，所述钻机控制器电连接所述第一离合器和第二离合器的电磁线圈，当所述钻机控制器控制所述电磁线圈通电时，所述主动部分和从动部分的结合面紧密贴合在一起，并通过相互之间的摩擦力传递力矩。

6.如权利要求5所述基于空间凸轮机构的柱塞式振动回转取样钻机，其特征在于：位于所述壳体内的所述输入轴上固定连接所述第一离合器的主动部分，所述第一离合器的从动部分固定连接所述振动机构，所述振动机构包括空间凸轮机构、若干振子和凸轮轴承随动器，所述空间凸轮机构顶部固定连接所述第一离合器的从动部分，所述空间凸轮机构外壁设有波纹状的沟槽，若干所述振子与所述凸轮轴承随动器通过螺纹一一对应连接，所述凸轮轴承随动器包括轴承滚轮和螺栓柱，所述螺栓柱一端固定在所述振子上，另一端转动连接所述轴承滚轮，所述轴承滚轮置于所述沟槽内，当所述空间凸轮机构高速旋转时，可带动对称分布的凸轮轴承随动器和振子做上下的高频运动，实现钻机的振动钻进。

7.如权利要求6所述基于空间凸轮机构的柱塞式振动回转取样钻机，其特征在于：所述壳体底部间设有若干与所述振子一一对应连接的活塞缸，用作所述振子高频振动时的轨道。

8.如权利要求5所述基于空间凸轮机构的柱塞式振动回转取样钻机，其特征在于：所述输入轴延伸至所述壳体底部外一端连接所述第二离合器的主动部分，所述第二离合器的从动部分固定连接所述钻进机构，所述钻进机构包括输出轴、行星减速器、钻杆转换接头、钻杆、卡簧和钻头，所述输出轴通过平键连接所述行星减速器的输入轴，所述行星减速器的输出轴通过所述钻杆转换接头连接所述钻杆，所述钻杆底端螺纹连接所述钻头，所述卡簧通过钻头限位固定于所述钻杆内部。

9.如权利要求1所述基于空间凸轮机构的柱塞式振动回转取样钻机，其特征在于：所述第二离合器外的所述壳体底部设有护罩。

10.如权利要求1所述基于空间凸轮机构的柱塞式振动回转取样钻机，其特征在于：所述箱盖上设有轴承座，且所述箱盖通过螺栓连接一轴承端盖，通过转动螺栓可调整所述轴承端盖内轴承的间隙。