CN109282959B - 一种深孔钻杆小型振动模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深孔钻杆小型振动模拟试验装置，包括床身、固定平台、移动平台以及平台进给装置，移动平台上设有钻杆旋转动力装置、扭矩检测装置、电磁力扭转振动发生装置、电磁力径向振动发生装置、轴向振动发生装置、内流体模拟装置以及测速电机，固定平台上设有外流体模拟装置，内流体模拟装置包括进液装置和排液装置，排液装置内部设有空腔并设有排液口，进液装置设有进液口；外流体模拟装置包括套在试验钻杆外侧的筒体，筒体的两端与钻杆密封连接。本发明能够模拟钻杆被内、外切削液包容，且承受轴向振动、径向振动、扭转振动以及耦合振动的情形。可进而获得钻杆在受到内、外切削液流体力不同工作方式下钻杆振动及失稳情况。

Description

一种深孔钻杆小型振动模拟试验装置

技术领域

本发明涉及深孔试验平台领域，尤其涉及一种深孔钻杆小型振动模拟试验装置。

背景技术

深孔加工中的钻杆振动对被加工孔的质量产生重要影响。采用行之有效的模拟试验来反映真实加工中钻杆的振动情况及其运动规律和影响因素，有助于充分提高钻杆系统的运转稳定性、工作可靠性，从而保证深孔加工质量。深孔加工时钻杆会受到扭振、轴向振动、横向振动以及它们之间的组合振动或耦合振动等，这些都会导致切削过程中发生失稳，影响被加工内孔的品质。对深孔加工中的钻杆振动情况的研究，有助于对工程实践的生产参数做出合理而有根据的参数调整，对指导实践环节的参数优选具有意义。公告号为CN107607309A的发明专利公开了可调负载钻杆扭转振动实验台，属于钻杆性能测试领域，该实验台由机械传动装置和无线扭振测试装置组成。机械传动装置包括电动机、左联轴器、左连接杆、被测试钻杆、右连接杆、右联轴器和加载装置。无线扭振测试装置包括扭矩测量采集模块和光电转速测量采集模块，扭矩测量采集模块包括应变片、扭矩信号无线发射器和扭矩信号无线接收传输器，光电转速测量采集模块包括反光标签、光电转速传感器和转速信号采集器。本实验台可以模拟实际负载变化情况，通过无线扭振测试装置对各种类型钻杆的扭转振动特性进行测试。然而该振动实验台不能够模拟钻杆被内、外切削液包容，且承受轴向振动、径向振动、扭转振动以及它们之间的不同组合振动和耦合振动的情形。对所得试验数据进行处理分析，不能获知钻杆受内、外切削液流体力引起的涡动失稳范围。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够模拟钻杆被内、外切削液包容，且承受轴向振动、径向振动、扭转振动以及它们之间的不同组合振动和耦合振动情形的振动模拟试验装置。

为达到上述目的，采用以下技术方案。

一种深孔钻杆小型振动模拟试验装置，包括床身、固定平台、移动平台以及平台进给装置，所述移动平台上设有钻杆旋转动力装置、扭矩检测装置、电磁力扭转振动发生装置、电磁力径向振动发生装置、轴向振动发生装置、内流体模拟装置以及测速电机，所述固定平台上设有外流体模拟装置，所述扭矩检测装置包括第一扭矩传感器和第二扭矩传感器，所述内流体模拟装置包括进液装置和排液装置，所述排液装置内部设有空腔并设有排液口，其一端为第一连接杆，另一端为与试验钻杆一端螺纹配合的第一连接套口；所述进液装置设有进液口，其一端设有第二连接杆，另一端设有与试验钻杆的另一端螺纹配合的第二连接套口；所述钻杆旋转动力装置、第一扭矩传感器以及第一连接杆依次传动连接，所述第二连接杆、第二扭矩传感器以及测速电机依次传动连接；所述外流体模拟装置包括套在实验钻杆外侧的筒体，筒体的两端与钻杆密封连接。

所述深孔钻杆小型振动模拟试验装置能够模拟钻杆在工作时所受轴向振动，径向振动，扭转振动，以及三种振动的不同排列组合形成的耦合振动情况，根据所得试验数据进行深度数据处理和分析，得到被测系统的振动相似规律，这可为实际深孔加工中，采取有效措施来减小加工中深孔工艺系统发生的振动对筒体加工质量的影响，提供合理的参数优选范围，提高深孔加工质量；本深孔钻杆小型振动模拟试验装置能模拟钻杆旋转所引发的深孔工艺系统的内、外切削液流体在加工过程中对钻杆的扰动情况，通过对所得试验数据的分析处理，可获得钻杆在内排屑不同工作模式下，钻杆受到内、外切削液流体力不同工作方式组合下的钻杆振动及失稳情况，对钻杆实际工况的改善具有指导意义。

所述钻杆旋转动力装置包括钻杆旋转变频电机和减速器，钻杆旋转变频电机和减速器之间通过联轴器进行连接，在钻杆旋转变频电机、减速器底部安装有调整垫块，用于调整钻杆旋转变频电机和减速器的中心高度。保证二者中心位于同一轴线上，该动力部分用于驱动钻杆系统的旋转传动。

所述内流体模拟装置还包括进液支撑架和排液支撑架，排液支撑架包括第一支撑座和第一支撑套，第一支撑套上设有出液口，第一支撑套与排液装置转动连接并通过密封圈进行密封，进液支撑架包括第二支撑座和第二支撑套，第二支撑套上设有输液口，第二支撑套与进液装置转动连接并通过密封圈进行密封。

所述外流体模拟装置还包括筒体支撑装置以及用于驱动所述筒体旋转的筒体旋转动力装置，所述筒体旋转动力装置包括筒体旋转变频电机、大带轮和小带轮，筒体旋转变频电机通过螺栓安装在固定平台上，小带轮安装在筒体旋转变频电机的输出端，大带轮通过键安装在筒体上，大带轮和小带轮通过皮带连接。

所述筒体支撑装置包括轴承座、轴承、油杯、轴承端盖，轴承座中心内孔安装轴承，轴承左右两边有轴承端盖进行预紧，轴承端盖通过螺钉固定在轴承座上；轴承端盖与筒体之间有毡圈进行密封，与轴承座之间有密封垫圈进行密封；轴承的内圈和筒体固定，轴承座上部有油孔和油杯，在轴承座的下部有集油槽，轴承座底部设有垫块，轴承座与垫块以及垫块与固定平台之间通过螺栓进行紧固连接。通过安装在油孔上的油杯可以对轴承进行注油润滑，在轴承座的下部有集油槽，可定期进行清油处理，轴承座底部有垫块，轴承座与垫块之间通过螺栓进行连接，垫块与固定平台之间通过螺栓进行紧固连接，可以拆卸。

所述筒体的两端与钻杆通过机械密封装置进行密封，在筒体的左端口处安装有机械密封装置，机械密封装置包括从外向内依次套装在钻杆上的密封端盖、静环、动环、弹簧座以及U型套；静环与密封端盖之间通过O型密封圈进行密封，静环与U型套内孔壁相接触，静环与钻杆之间设有间隙，动环与钻杆之间设有O型密封圈，动环与弹簧座之间安装有弹簧，U型套的中心孔与钻杆形成间隙配合且两者之间安装有毡圈进行密封，U型套外圆与筒体的内壁配合并用O型密封圈进行密封，密封端盖与U型套的开口端之间用O型密封圈进行密封并通过螺钉与筒体三者固定相连。在筒体与机械密封装置部件之间填充有切削液，用于模拟钻杆工作的液体环境。

所述移动平台包括分别设置在固定平台两侧的左平台和右平台，所述左平台底部设有左滑台，所述右平台底部设有右滑台；所述平台进给装置包括双输出变频电机、第一丝杠和第二丝杠，双输出变频电机固定在固定平台的下方，第一丝杠上螺纹连接有左螺母座，左螺母座与左滑台通过螺栓进行连接，左滑台与床身上的导轨进行配合；第二丝杠上螺纹连接有右螺母座，右螺母座与右滑台通过螺栓进行连接，右滑台与床身上的导轨进行配合。启动双输出变频电机，可以带动左平台和右平台同时向左或者同时向右移动，可以模拟钻杆在筒体内轴向进给的运动情况。

所述左平台和右平台上设有钻杆支撑装置，所述钻杆支撑装置包括固定框架、旋紧手柄、螺母套、压块、镶条、V型块以及环套；固定框架通过螺栓、垫块安装在移动平台上，旋紧手柄与固定框架之间安装有螺母套，所述V型块支撑在环套的下方，环套套在钻杆上并且二者之间是间隙配合；在V型块上镶有耐磨镶条，镶条与V型块为可拆卸连接；所述旋紧手柄通过带动压块上下移动对环套的压紧，从而对钻杆进行定位。镶条磨损后可以将其拆卸，更换新的镶条，能保证装置的精度和使用寿命；通过旋转旋紧手柄可调整压块对环套的压紧度对钻杆起到良好的定心作用。

所述电磁力扭转振动发生装置包括第一支撑架、第一绕组、第二绕组、第一磁铁、第二磁铁、箍圈，第一支撑架与第一绕组、第二绕组固定连接；箍圈固定在钻杆上，其上设有关于中心点对称的两个凹槽用于安装第一磁铁、第二磁铁，所述第一绕组、第二绕组关于箍圈的中心点对称设置。对第一绕组和第二绕组通电后，根据电生磁的原理，可以在第一绕组一定范围内形成磁场，在第二绕组一定范围内形成磁场，根据同性磁极相排斥，异性磁极相吸引的原理，绕组磁场会对第一磁铁、第二磁铁产生磁力的作用，假设钻杆旋转的方向为逆时针方向，第一磁铁为N极，第二磁铁为S极，第一绕组一定范围内形成的磁场为N极，第二绕组一定范围内形成的磁场为S极，这样第一绕组的磁场对第一磁铁会产生斥力，第二绕组的磁场对第二磁铁也会产生斥力，二者联合的作用是对钻杆在旋转圆周方向的旋转产生阻力矩，方向与旋转方向相反，但是不改变钻杆的旋转方向，相当于钻杆在运动的过程中受到反方向的扭矩作用，以此来模拟钻杆受到扭转振动的情况。

所述电磁力径向振动发生装置包括第二支撑架、固定滑环、旋转滑环以及绝缘环架，固定滑环固定在第二支撑架上，固定滑环与旋转滑环滑动配合，旋转滑环固定在绝缘环架外侧，绝缘环架通过螺钉紧固在钻杆上，在绝缘环架内侧开设有凹槽用于安装第三绕组、第四绕组，固定滑环上设有可对第三绕组和第四绕组通电的电刷，钻杆上安装有绝磁套，绝磁套的绝磁材料能够减少磁力对钻杆内切削液和切屑流动的影响在绝磁套的外壁上嵌套有第三磁铁和第四磁铁，绝磁套用挡圈进行轴向固定。固定滑环通电后，旋转滑环在旋转的过程中与固定滑环相接触，可对第三绕组、第四绕组通电，假设第三磁铁为N极，第三绕组形成的磁场为S极，第四磁铁为N极，第四绕组形成的磁场为S极，根据同性磁极相排斥，异性磁极相吸引原理，则第三绕组将对第三磁铁产生吸引力的作用、第四绕组将对第四磁铁产生吸引力的作用，二者联合的作用是对钻杆在径向方向产生力的作用，采集数据分析后，可以分析钻杆会发生共振的参数范围，从而指导工程实践。

所述轴向振动发生装置包括激振器和轮盘，激振器安装在振动螺母座上，振动螺母座通过螺纹连接与振动丝杠配合传动，通过与固定光轴滑动配合进行导向；振动丝杠两端轴向固定可以带动振动螺母座轴向移动，从而调整激振器与轮盘的接触距离；激振器可提供一定的轴向振动力，激振器的输出端上安装有保护套，保护套通过螺钉与激振器输出端相连，在保护套的右端安装有滚轮，滚轮与轮盘相接触；轮盘通过键与钻杆周向固定，通过螺钉与钻杆进行轴向固定。通过轮盘将轴向力传递至钻杆，以此可以模拟出钻杆受到轴向振动的情况。

本发明的有益效果：

该深孔钻杆小型振动模拟试验装置能够模拟钻杆在工作时所受轴向振动，径向振动，扭转振动，以及三种振动的不同排列组合形成的耦合振动情况，根据所得试验数据进行深度数据处理和分析，得到被测系统的振动相似规律，这可为实际深孔加工中，采取有效措施来减小加工中深孔工艺系统发生的振动对筒体加工质量的影响，提供合理的参数优选范围，提高深孔加工质量。

该深孔钻杆小型振动模拟试验装置能模拟钻杆旋转所引发的深孔工艺系统的内、外切削液流体在加工过程中对钻杆的扰动情况，通过对所得试验数据的分析处理，可获得钻杆在内排屑不同工作模式下，钻杆受到内、外切削液流体力不同工作方式组合下的钻杆振动及失稳情况，对钻杆实际工况的改善具有指导意义。

附图说明

图1为本发明试验装置的结构示意图；

图2为钻杆支撑装置；

图3为筒体支撑安装示意图；

图4为机械密封装置结构示意图；

图5为电磁力扭转振动发生装置；

图6为电磁力径向振动发生装置；

图7为轮盘安装示意图；

图8为激振器安装示意图；

图9为排液装置的示意图；

钻杆旋转动力装置：钻杆旋转变频电机-2、联轴器-3、减速器-4；

筒体-9、筒体旋转动力装置-8、筒体旋转变频电机-81、大带轮-82、小带轮-83；

钻杆-14、测速电机-15、床身-29、第一扭矩传感器-5、第二扭矩传感器-51、左平台-19、右平台-1、固定平台-30、双输出变频电机-24、左滑台-20、右滑台-26、左螺母座-21、右螺母座-27、第一丝杠-22、第二丝杠-28；

钻杆支撑装置6：固定框架-61、旋紧手柄-62、螺母套-63、压块-64、镶条-65、V型块-66、环套-67；

筒体支撑装置7：轴承座-71、毡圈-72、轴承端盖-73、筒体轴承-74、油杯-76；

机械密封装置10：弹簧座-100、U型套-101、O型密封圈-102、动环-103、密封端盖-104、静环-106、弹簧-110；

进液装置-16：第二连接杆-161、第二连接套口-162；进液支撑架：第二支撑套-163、第二支撑座-164；

排液装置-18：第一连接杆-181、第一连接套口-182；排液支撑架：第一支撑套-183、第一支撑座-184；

电磁力扭转振动发生装置11：第一支撑架-111、第一绕组-112-a、第二绕组-112-b、第一磁铁-113-a、第二磁铁-113-b、箍圈-114；

电磁力径向振动发生装置12：绝缘环架-121、第三磁铁-122-a、第四磁铁-122-b、绝磁套-123、固定滑环-124、旋转滑环-125、第二支撑架-126、第三绕组-c1、第四绕组-c2；

轴向振动发生装置13：机架-131、振动丝杠-132、振动螺母座-133、激振器-134、保护套-135、滚轮-136、轮盘-137、固定光轴-138。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1-9。本说明书所附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，一种深孔钻杆小型振动模拟试验装置，包括床身29、固定平台30、移动平台以及平台进给装置，所述移动平台上设有钻杆旋转动力装置、扭矩检测装置、电磁力扭转振动发生装置11、电磁力径向振动发生装置12、轴向振动发生装置13、内流体模拟装置以及测速电机15，所述固定平台30上设有外流体模拟装置，所述扭矩检测装置包括第一扭矩传感器5和第二扭矩传感器51，所述内流体模拟装置包括进液装置16和排液装置18，所述排液装置18内部设有空腔并设有排液口，其一端为第一连接杆181，另一端为与试验钻杆14一端螺纹配合的第一连接套口182；所述进液装置16设有进液口，其一端设有第二连接杆161，另一端设有与试验钻杆14的另一端螺纹配合的第二连接套口162；所述钻杆旋转动力装置、第一扭矩传感器5以及第一连接杆181依次传动连接，所述第二连接杆161、第二扭矩传感器51以及依次测速电机15依次传动连接；所述外流体模拟装置包括套在试验钻杆14外侧的筒体9，筒体9的两端与钻杆14密封连接。

所述深孔钻杆小型振动模拟试验装置能够模拟钻杆14在工作时所受轴向振动，径向振动，扭转振动，以及三种振动的不同排列组合形成的耦合振动情况，根据所得试验数据进行深度数据处理和分析，得到被测系统的振动相似规律，这可为实际深孔加工中，采取有效措施来减小加工中深孔工艺系统发生的振动对筒体9加工质量的影响，提供合理的参数优选范围，提高深孔加工质量；本深孔钻杆小型振动模拟试验装置能模拟钻杆14旋转所引发的深孔工艺系统的内、外切削液流体在加工过程中对钻杆14的扰动情况，通过对所得试验数据的分析处理，可获得钻杆14在内排屑不同工作模式下，钻杆14受到内、外切削液流体力不同工作方式组合下的钻杆14振动及失稳情况，对钻杆14实际工况的改善具有指导意义。

所述钻杆旋转动力装置，由钻杆旋转变频电机2和减速器4组成，钻杆旋转变频电机2和减速器4之间通过联轴器3进行连接，在钻杆旋转变频电机2、减速器4底部安装有调整垫块，用于调整钻杆旋转变频电机2和减速器4的中心高度。保证二者中心位于同一轴线上，该动力部分用于驱动钻杆14系统的旋转传动。

所述内流体模拟装置还包括进液支撑架和排液支撑架，如图9所示，排液支撑架包括第一支撑座184和第一支撑套183，第一支撑套183上设有出液口，第一支撑套183与排液装置18转动连接并通过密封圈进行密封，进液支撑架包括第二支撑座164和第二支撑套163，第二支撑套163上设有输液口，第二支撑套163与进液装置16转动连接并通过密封圈进行密封。

所述外流体模拟装置还包括筒体支撑装置7以及用于驱动所述筒体9旋转的筒体旋转动力装置8，所述筒体旋转动力装置8包括筒体旋转变频电机81、大带轮82和小带轮83，筒体旋转变频电机81通过螺栓安装在固定平台30上，小带轮83安装在筒体旋转变频电机81的输出端，大带轮82通过键安装在筒体9上，大带轮82和小带轮83通过皮带连接。

如图3所示，所述筒体支撑装置7包括轴承座71、筒体轴承74、油杯76、轴承端盖73，轴承座71中心内孔安装筒体轴承74，筒体轴承74左右两边有轴承端盖73进行预紧，轴承端盖73通过螺钉固定在轴承座71上；轴承端盖73与筒体9之间有毡圈72进行密封，与轴承座71之间有密封垫圈进行密封；筒体轴承74的内圈和筒体固定，轴承座71上部有油孔和油杯76，在轴承座71的下部有集油槽，轴承座71底部设有垫块，轴承座71与垫块以及垫块与固定平台30之间通过螺栓进行紧固连接。通过安装在油孔上的油杯76可以对筒体轴承74进行注油润滑，在轴承座71的下部有集油槽，可定期进行清油处理，轴承座71底部有垫块，轴承座71与垫块之间通过螺栓进行连接，垫块与固定平台30之间通过螺栓进行紧固连接，可以拆卸。

所述筒体9的两端与钻杆14通过机械密封装置10进行密封，在筒体9的左端口处安装有机械密封装置10，机械密封装置10包括从外向内依次套装在钻杆14上的密封端盖104、静环106、动环103、弹簧座100以及U型套101；静环106与密封端盖104之间通过O型密封圈102进行密封，静环106与U型套101内孔壁相接触，静环106与钻杆14之间设有间隙，动环103与钻杆14之间设有O型密封圈102，动环103与弹簧座100之间安装有弹簧110，U型套101的的中心孔与钻杆14形成间隙配合且两者之间安装有毡圈进行密封，U型套101外圆与筒体9的内壁配合并用O型密封圈102进行密封，密封端盖104与U型套101的开口端之间用O型密封圈102进行密封并通过螺钉与筒体9三者固定相连。在筒体9与机械密封装置10部件之间填充有切削液，用于模拟钻杆14工作的液体环境。

所述移动平台包括分别设置在固定平台30两侧的左平台和右平台，所述左平台底部设有左滑台20，所述右平台底部设有右滑台26；所述平台进给装置包括双输出变频电机24、第一丝杠22和第二丝杠28，双输出变频电机24固定在固定平台30的下方，第一丝杠22上螺纹连接有左螺母座21，左螺母座21与左滑台20通过螺栓进行连接，左滑台20与床身29上的导轨进行配合；第二丝杠28上螺纹连接有右螺母座27，右螺母座27与右滑台26通过螺栓进行连接，右滑台26与床身29上的导轨进行配合。启动双输出变频电机24，可以带动左平台和右平台同时向左或者同时向右移动，可以模拟钻杆14在筒体9内轴向进给的运动情况。

如图2所示，所述左平台和右平台上设有钻杆支撑装置6，所述钻杆支撑装置6包括固定框架61、旋紧手柄62、螺母套63、压块64、镶条65、V型块66以及环套67；固定框架61通过螺栓、垫块安装在移动平台上，旋紧手柄62与固定框架61之间安装有螺母套63，所述V型块66支撑在环套67的下方，环套67套在钻杆14上并且二者之间是间隙配合；在V型块66上镶有耐磨镶条65，镶条65与V型块66为可拆卸连接；所述旋紧手柄62通过带动压块64上下移动对环套67的压紧，从而对钻杆14进行定位。镶条65磨损后可以将其拆卸，更换新的镶条65，能保证装置的精度和使用寿命；通过旋转旋紧手柄62可调整压块64对环套67的压紧度对钻杆14起到良好的定心作用。

如图5所示，所述电磁力扭转振动发生装置11包括第一支撑架111、第一绕组112-a、第二绕组112-b、第一磁铁113-a、第二磁铁113-b以及箍圈114，第一支撑架111与第一绕组112-a、第二绕组112-b固定连接；箍圈114固定在钻杆14上，其上设有关于中心点对称的两个凹槽用于安装第一磁铁113-a、第二磁铁113-b，所述第一绕组112-a、第二绕组112-b关于箍圈114的中心点对称设置。对第一绕组112-a和第二绕组112-b通电后，根据电生磁的原理，可以在第一绕组112-a一定范围内形成磁场，在第二绕组112-b一定范围内形成磁场，根据同性磁极相排斥，异性磁极相吸引的原理，绕组磁场会对第一磁铁113-a、第二磁铁113-b产生磁力的作用，假设钻杆14旋转的方向为逆时针方向，第一磁铁113-a为N极，第二磁铁113-b为S极，第一绕组112-a一定范围内形成的磁场为N极，第二绕组112-b一定范围内形成的磁场为S极，这样第一绕组112-a的磁场对第一磁铁113-a会产生斥力，第二绕组112-b的磁场对第二磁铁113-b也会产生斥力，二者联合的作用是对钻杆14在旋转圆周方向的旋转产生阻力矩，方向与旋转方向相反，但是不改变钻杆14的旋转方向，相当于钻杆14在运动的过程中受到反方向的扭矩作用，以此来模拟钻杆14受到扭转振动的情况。

所述电磁力径向振动发生装置12包括第二支撑架126、固定滑环124、旋转滑环125以及绝缘环架121，固定滑环124固定在第二支撑架126上，固定滑环124与旋转滑环125滑动配合，旋转滑环125固定在绝缘环架121外侧，绝缘环架121通过螺钉紧固在钻杆14上，在绝缘环架121内侧开设有凹槽用于安装第三绕组c1、第四绕组c2，固定滑环124上设有可对第三绕组c1和第四绕组c2通电的电刷，钻杆14上安装有绝磁套123，绝磁套123的绝磁材料能够减少磁力对钻杆14内切削液和切屑流动的影响在绝磁套123的外壁上嵌套有第三磁铁122-a和第四磁铁122-b，绝磁套123用挡圈进行轴向固定。固定滑环124通电后，旋转滑环125在旋转的过程中与固定滑环124相接触，可对第三绕组c1、第四绕组c2通电，假设第三磁铁122-a为N极，第三绕组c1形成的磁场为S极，第四磁铁122-b为N极，第四绕组c2形成的磁场为S极，根据同性磁极相排斥，异性磁极相吸引原理，则第三绕组c1将对第三磁铁122-a产生吸引力的作用、第四绕组c2将对第四磁铁122-b产生吸引力的作用，二者联合的作用是对钻杆14在径向方向产生力的作用，采集数据分析后，可以分析钻杆14会发生共振的参数范围，从而指导工程实践。

所述轴向振动发生装置13包括激振器134和轮盘137，激振器134安装在振动螺母座133上，振动螺母座133通过螺纹连接与振动丝杠132配合传动，通过与固定光轴138滑动配合进行导向；振动丝杠132两端轴向固定可以带动振动螺母座133轴向移动，从而调整激振器134与轮盘137的接触距离；激振器134可提供一定的轴向振动力，激振器134的输出端上安装有保护套135，保护套135通过螺钉与激振器134输出端相连，在保护套135的右端安装有滚轮136，滚轮136与轮盘137相接触；轮盘137通过键与钻杆14周向固定，通过螺钉与钻杆14进行轴向固定。通过轮盘137将轴向力传递至钻杆14，以此可以模拟出钻杆14受到轴向振动的情况。

本发明试验装置的具体工作过程如下：

钻杆旋转变频电机2通过联轴器与减速器右端相连接，减速器左端动力输出后经联轴器与第一扭矩传感器5右端连接，第一扭矩传感器5左侧通过联轴器与第一连接杆181的右端相连接，第一连接杆181外侧安装有排液装置18，第一支撑套183与第一连接杆181接触部位通过O型密封圈进行密封，第一支撑套183安装在第一支撑座184上靠螺栓紧固，第一支撑套183右下侧开设有内螺纹接口，用于和排屑管道相连，排液装置18左端通过第一连接套口182与钻杆14右端的外螺纹套进行配合连接，在外螺纹套和排液装置之间安装有密封垫圈，防止切削液泄漏。

钻杆14经钻杆支撑装置6进行支撑，钻杆支撑装置6根据钻杆14的长度进行轴向合理布置，然后钻杆14穿过筒体9，筒体9左右两端通过机械密封装置10进行密封，筒体两端外圆靠筒体支撑装置7进行支撑，筒体9内部空间填充有切削液。筒体9中间外圆上安装有大带轮82，通过键进行连接，大带轮82通过带与筒体旋转变频电机81上的小带轮83相连接，钻杆14穿过筒体9后由轴向分布的钻杆支撑装置6进行支撑，然后钻杆穿过电磁力扭转振动发生装置11，电磁力扭转振动发生装置11左侧依次安装有电磁力径向振动发生装置12、轴向振动发生装置13、进液装置16、第二扭矩传感器51、测速电机15。左平台19安装在左滑台20上，左滑台20与床身29上的导轨进行配合，左螺母座21与左滑台20通过螺栓进行连接，左螺母座21通过螺纹连接与第一丝杠22配合，右平台1安装在右滑台26上，右滑台26与床身29上的导轨进行配合，右滑台26与右螺母座27通过螺栓进行连接，右螺母座27通过螺纹连接与第二丝杠28配合，第一丝杠22右端与双输出变频电机24左端相连接，第二丝杠28右端与双输出变频电机24右端相连接，第一丝杠22和第二丝杠28均通过轴承进行支撑且位于同一轴线上。

工作方式一：

扭转振动的试验如图1和图5所示，在进液装置16的入口通入切削液，接通电磁力扭转振动发生装置11，启动钻杆旋转变频电机2、筒体旋转变频电机81、双输出变频电机24，钻杆旋转变频电机2可带动钻杆系统运动，筒体旋转变频电机81可带动筒体9旋转，双输出变频电机24可以带动左右侧平台轴向移动，电磁力扭转振动发生装置11可对钻杆施加与运动方向相反的阻力矩，此种工作模式下，能够模拟出钻杆14在圆周方向受到与运动方向相反的阻力矩且钻杆内、外受到切削液流体作用时的振动情况。

工作方式二：

径向振动的试验如图1和图6所示，该实施例与实施例一的不同之处在于在进液装置16的入口通入切削液，接通电磁力径向振动发生装置12，启动钻杆旋转变频电机2、筒体旋转变频电机81、双输出变频电机24，钻杆旋转变频电机2可带动钻杆系统运动，筒体旋转变频电机81可带动筒体9旋转，双输出变频电机24可以带动左右侧平台轴向移动，电磁力径向振动发生装置12可对钻杆施加电磁力的作用，此种工作模式下，能够模拟出钻杆14在径向受到力的作用且钻杆内、外都受到切削液流体作用时的振动情况。

工作方式三：

轴向振动的试验如图1、图7和图8所示，该实施例与实施例一、二的不同之处在于在进液装置16的入口通入切削液，启动钻杆旋转变频电机2、筒体旋转变频电机81、双输出变频电机24，启动激振器134，激振器134能够提供一定的轴向振动力，钻杆旋转变频电机2可带动钻杆系统运动，筒体旋转变频电机81可带动筒体9旋转，双输出变频电机24可以带动左右侧平台轴向移动，此种工作模式下可以模拟出钻杆受到轴向振动且钻杆内、外都受到切削液流体作用时的振动情况。

工作方式四：

a、径向振动与扭转振动试验的耦合：如图1、图5、图6所示，在进液装置16的入口通入切削液，启动钻杆旋转变频电机2、筒体旋转变频电机81、双输出变频电机24，接通电磁力扭转振动发生装置11和电磁力径向振动发生装置12，钻杆旋转变频电机2可带动钻杆系统运动，筒体旋转变频电机81可带动筒体9旋转，双输出变频电机24可以带动左右侧平台轴向移动，电磁力扭转振动发生装置11可对钻杆施加与运动方向相反的阻力矩，电磁力径向振动发生装置12可对钻杆施加电磁力的作用，此种工作模式下能够模拟出钻杆受到径向与扭转振动耦合的工作情况；

b、轴向振动与扭转振动试验的耦合：如图1、图5、图7和图8所示，在进液装置16的入口通入切削液，启动钻杆旋转变频电机2、筒体旋转变频电机81、双输出变频电机24，接通电磁力扭转振动发生装置11，启动激振器134，激振器134能够提供一定的轴向振动力，钻杆旋转变频电机2可带动钻杆系统运动，筒体旋转变频电机81可带动筒体9旋转，双输出变频电机24可以带动左右侧平台轴向移动，电磁力扭转振动发生装置11可对钻杆施加与运动方向相反的阻力矩，此种工作模式下能够模拟出钻杆受到轴向与扭转振动耦合的工作情况；

c、轴向振动与径向振动试验的耦合：如图1、图6、图7和图8所示，在进液装置16的入口通入切削液，启动钻杆旋转变频电机2、筒体旋转变频电机81、双输出变频电机24，启动激振器134，激振器134能够提供一定的轴向振动力，接通电磁力径向振动发生装置12，电磁力径向振动发生装置12可对钻杆施加电磁力的作用，钻杆旋转变频电机2可带动钻杆系统运动，筒体旋转变频电机81可带动筒体9旋转，双输出变频电机24可以带动左右侧平台轴向移动，此种工作模式下能够模拟出钻杆受到轴向与径向振动耦合的工作情况；

d、轴向、径向、扭转振动的耦合振动：如图1、图5、图6、图7和图8所示，在进液装置16的入口通入切削液，启动钻杆旋转变频电机2、筒体旋转变频电机81、双输出变频电机24，接通电磁力扭转振动发生装置11，电磁力径向振动发生装置12，启动激振器134，钻杆旋转变频电机2可带动钻杆系统运动，筒体旋转变频电机81可带动筒体9旋转，双输出变频电机24可以带动左右侧平台轴向移动，电磁力扭转振动发生装置11可对钻杆施加与运动方向相反的阻力矩，电磁力径向振动发生装置12可对钻杆施加电磁力的作用，激振器134能够提供一定的轴向振动力，此种工作模式下能够模拟出钻杆同时受到轴向、径向、扭转振动的耦合振动情况。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种深孔钻杆小型振动模拟试验装置，其特征在于：包括床身、固定平台、移动平台以及平台进给装置，所述移动平台上设有钻杆旋转动力装置、扭矩检测装置、电磁力扭转振动发生装置、电磁力径向振动发生装置、轴向振动发生装置、内流体模拟装置以及测速电机，所述固定平台上设有外流体模拟装置，所述扭矩检测装置包括第一扭矩传感器和第二扭矩传感器，所述内流体模拟装置包括进液装置和排液装置，所述排液装置内部设有空腔并设有排液口，其一端为第一连接杆，另一端为与试验钻杆一端螺纹配合的第一连接套口；所述进液装置设有进液口，其一端设有第二连接杆，另一端设有与试验钻杆的另一端螺纹配合的第二连接套口；所述钻杆旋转动力装置、第一扭矩传感器以及第一连接杆依次传动连接，所述第二连接杆、第二扭矩传感器以及测速电机依次传动连接；所述外流体模拟装置包括套在试验钻杆外侧的筒体，筒体的两端与钻杆密封连接。

2.根据权利要求1所述深孔钻杆小型振动模拟试验装置，其特征在于：所述内流体模拟装置还包括进液支撑架和排液支撑架，排液支撑架包括第一支撑座和第一支撑套，第一支撑套上设有出液口，第一支撑套与排液装置转动连接并通过密封圈进行密封，进液支撑架包括第二支撑座和第二支撑套，第二支撑套上设有输液口，第二支撑套与进液装置转动连接并通过密封圈进行密封。

3.根据权利要求1所述深孔钻杆小型振动模拟试验装置，其特征在于：所述外流体模拟装置还包括筒体支撑装置以及用于驱动所述筒体旋转的筒体旋转动力装置，所述筒体旋转动力装置包括筒体旋转变频电机、大带轮和小带轮，筒体旋转变频电机通过螺栓安装在固定平台上，小带轮安装在筒体旋转变频电机的输出端，大带轮通过键安装在筒体上，大带轮和小带轮通过皮带连接。

4.根据权利要求3所述深孔钻杆小型振动模拟试验装置，其特征在于：所述筒体支撑装置包括轴承座、筒体轴承、油杯、轴承端盖，轴承座中心内孔安装轴承，筒体轴承左右两边有轴承端盖进行预紧，轴承端盖通过螺钉固定在轴承座上；轴承端盖与筒体之间有毡圈进行密封，与轴承座之间有密封垫圈进行密封；筒体轴承的内圈和筒体固定，轴承座上部有油孔和油杯，在轴承座的下部有集油槽，轴承座底部设有垫块，轴承座与垫块以及垫块与固定平台之间通过螺栓进行紧固连接。

5.根据权利要求3所述深孔钻杆小型振动模拟试验装置，其特征在于：所述筒体的两端与钻杆通过机械密封装置进行密封，在筒体的左端口处安装有机械密封装置，机械密封装置包括从外向内依次套装在钻杆上的密封端盖、静环、动环、弹簧座以及U型套；静环与密封端盖之间通过O型密封圈进行密封，静环与U型套内孔壁相接触，静环与钻杆之间设有间隙，动环与钻杆之间设有O型密封圈，动环与弹簧座之间安装有弹簧，U型套的中心孔与钻杆形成间隙配合且两者之间安装有毡圈进行密封，U型套外圆与筒体的内壁配合并用O型密封圈进行密封，密封端盖与U型套的开口端之间用O型密封圈进行密封并通过螺钉与筒体三者固定相连。

6.根据权利要求1所述深孔钻杆小型振动模拟试验装置，其特征在于：所述钻杆旋转动力装置包括钻杆旋转变频电机和减速器，钻杆旋转变频电机和减速器之间通过联轴器进行连接，在钻杆旋转变频电机、减速器底部安装有调整垫块；所述移动平台包括分别设置在固定平台两侧的左平台和右平台，所述左平台底部设有左滑台，所述右平台底部设有右滑台；所述平台进给装置包括双输出变频电机、第一丝杠和第二丝杠，双输出变频电机固定在固定平台的下方，第一丝杠上螺纹连接有左螺母座，左螺母座与左滑台通过螺栓进行连接，左滑台与床身上的导轨进行配合；第二丝杠上螺纹连接有右螺母座，右螺母座与右滑台通过螺栓进行连接，右滑台与床身上的导轨进行配合。

7.根据权利要求6所述深孔钻杆小型振动模拟试验装置，其特征在于：所述左平台和右平台上均设有钻杆支撑装置，所述钻杆支撑装置包括固定框架、旋紧手柄、螺母套、压块、镶条、V型块以及环套；固定框架通过螺栓、垫块安装在移动平台上，旋紧手柄与固定框架之间安装有螺母套，所述V型块支撑在环套的下方，环套套在钻杆上并且二者之间是间隙配合；在V型块上镶有耐磨镶条，镶条与V型块为可拆卸连接；所述旋紧手柄通过带动压块上下移动对环套的压紧，从而对钻杆进行定位。

8.根据权利要求1所述深孔钻杆小型振动模拟试验装置，其特征在于：所述电磁力扭转振动发生装置包括第一支撑架、第一绕组、第二绕组、第一磁铁、第二磁铁以及箍圈；第一支撑架与第一绕组、第二绕组固定连接；箍圈固定在钻杆上，其上设有关于中心点对称的两个凹槽用于安装第一磁铁、第二磁铁，所述第一绕组、第二绕组关于箍圈的中心点对称设置。

9.根据权利要求1所述深孔钻杆小型振动模拟试验装置，其特征在于：所述电磁力径向振动发生装置包括第二支撑架、固定滑环、旋转滑环以及绝缘环架，固定滑环固定在第二支撑架上，固定滑环与旋转滑环滑动配合，旋转滑环固定在绝缘环架外侧，绝缘环架通过螺钉紧固在钻杆上，在绝缘环架内侧开设有凹槽用于安装第三绕组、第四绕组，固定滑环上设有可对第三绕组和第四绕组通电的电刷，钻杆上安装有绝磁套，在绝磁套的外壁上嵌套有第三磁铁和第四磁铁，绝磁套用挡圈进行轴向固定。

10.根据权利要求1所述深孔钻杆小型振动模拟试验装置，其特征在于：所述轴向振动发生装置包括激振器和轮盘，激振器安装在振动螺母座上，振动螺母座通过螺纹连接与振动丝杠配合传动，通过与固定光轴滑动配合进行导向；振动丝杠两端轴向固定可以带动振动螺母座轴向移动，从而调整激振器与轮盘的接触距离；激振器可提供一定的轴向振动力，激振器的输出端上安装有保护套，保护套通过螺钉与激振器输出端相连，在保护套的右端安装有滚轮，滚轮与轮盘相接触；轮盘通过键与钻杆周向固定，通过螺钉与钻杆进行轴向固定。

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