CN110185383B - 一种小型室内钻孔参数快速采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型室内钻孔参数快速采集装置，包括基座，基座上设置有轮轨，驱动装置通过驱动滚轮设置在轮轨上，驱动装置一侧与动力电机的固定座相抵，驱动装置另一对侧与液压机的固定座连接，动力电机通过电机滚轮设置在轮轨上，液压机与液压杆一端连接，液压杆另一端与反力架相抵，动力电机的旋转轴通过轴联器与钻头一端连接，钻头另一端延伸至压力室内，压力室通过压力室支架设置在基座上。本发明钻进速度，钻头转速，钻进压力，钻头扭矩，水泵流速，围压情况等数据均可控制和实时监控。钻进不均匀的岩块时，动力电机工作状态的变动可反映出岩块性质的变化。三面柔性围压保证受力均匀，可以模拟深部岩体地应力状况。
Description
技术领域
本发明属于岩土力学室内试验技术领域，更具体涉及一种小型室内钻孔参数快速采集装置，它适用于在准确控制钻进状态和试样所处环境的情况下，快速记录钻进参数和环境参数等数据。
背景技术
随着我国基础设施的开发，各种岩体工程对勘察环节的要求越来越高。钻探作为基本的勘察手段，一方面在工程建设费用中占比较大，另一方面，成果利用率低，消耗大量精力的钻探成果基本只能用于地层编录，取得的岩芯样本只能用于室内试验。
室内试验的主要问题是，岩样尺寸有限，代表性不足，取样扰动不可避免，岩样在运输过程中含水率和完整性可能发生变化，特别是质地较软的岩石，结构性往往受到严重损害，所得数据缺乏真实性。即使是有一定硬度的岩样也都是完全脱离附存环境，完全释放应力的情况，数据的可靠性较差。
原位试验是在自然状态下的岩土体上进行的，所以获取的数据最为真实可靠。目前，普及率较高，技术较为成熟的原位测试方法主要有：静力触探试验、动力触探试验、标准贯入试验、十字板剪切试验、载荷试验、旁压试验、钻孔剪切试验、原位剪切试验及波速测试、高密度电法等物理探测方法。总体来说，这些方法只能获取基本岩土体参数的一部分，且适用范围不够广泛。要想全面掌握待测岩土体的强度和变形参数，需要同种试验多次和多种试验组合的方式。各种试验方法因原理和手段各异，导致精度参差不齐，数据之间的兼容性差。另外，原位试验对人力物力的消耗巨大，获取完整的岩土体力学参数周期长。
钻探的工作环境是在自然状态下的岩土体上进行，与原位测试一致，具备获得可靠参数的条件，因此，随钻测试技术应运而生。
在实际生产中，随钻测试作业对钻机工作状态缺乏有效的监控，即钻机运行参数无法定量控制。自然状态岩土结构是相对复杂的，加上钻机运行参数的随机性进一步加重了测试数据的离散性。后期需要投入大量的精力来修正数据，以建立随钻测试数据和岩土体力学参数之间的定量关系。
现有的室内钻进试验一般对岩样缺乏有效的围压控制，试验在岩土样本围岩完全释放的条件下进行。即使有一定的围压控制，但一般不容易实现连续分布的条件。围压难以准确模拟实际情况的问题也是三轴仪围压设置的一个难题。为了能够还原岩土样本赋存环境的压力状态，本装置特别设计了压力室。自然界中的岩土体内部应力分布在一定范围内是应力是可以预测的。在均质密实的状态下，岩块中应力分布是连续的，变化是均匀的。钻探作业中，钻进工作面上的应力，随着钻头的深入一直处在释放的状态。根据以上特点，特设计了应力控制的三向独立控制的全柔性围压室。这种设计能够克服不均匀应力以及刚性加载边界应力集中导致破坏的弊端。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种小型室内钻孔参数快速采集装置，能够快速建立各种类型岩石和复杂地层的随钻参数数据库，为现场的随钻测试提供数据指导。
一种小型室内钻孔参数快速采集装置，包括基座，基座上设置有轮轨，驱动装置通过驱动滚轮设置在轮轨上，驱动装置一侧与动力电机的固定座相抵，驱动装置另一对侧与液压机的固定座连接，动力电机通过电机滚轮设置在轮轨上，液压机与液压杆一端连接，液压杆另一端与反力架相抵，动力电机的旋转轴通过轴联器与钻头一端连接，钻头另一端延伸至压力室内，压力室通过压力室支架设置在基座上。
如上所述的压力室包括压力室本体，压力室本体呈立方形，压力室本体通过压力室支架设置在基座上，压力室本体朝向钻头的一侧设置有钻孔预留孔，钻头贯穿钻孔预留孔，水泵与水管一端连接，水管另一端延伸至钻孔预留孔内，压力室本体内的六个内壁面分别设置有柔性液压囊，各个柔性液压囊分别与液压囊接口连接，压力室本体朝向钻头的一侧的内壁面的柔性液压囊设置有与钻孔预留孔位置对应的钻头贯穿孔，钻头贯穿孔的孔径大于钻孔预留孔的孔径，相邻的柔性液压囊由隔离板分隔，泄水通道的进水端与钻孔预留孔连通。
一种小型室内钻孔参数快速采集装置，还包括罩设在钻孔预留孔上的防尘罩，防尘罩上开设有与钻孔预留孔位置对应的防尘罩预留孔，钻头贯穿防尘罩预留孔，泄水通道的出水端位于防尘罩内，防尘罩的底部设置有汇水槽。
如上所述的动力电机的旋转轴上设置有钻杆转速传感器和钻杆扭矩传感器，水泵与流量控制器连接，液压机与液压传感器连接，动力电机与电机功率分析仪连接。
如上所述的驱动装置上设置有驱动电机，驱动电机的旋转轴上套设固定有驱动齿轮，轮轨的顶部沿轮轨延伸方向设置有链条，驱动齿轮与链条啮合。
如上所述的动力电机上设置有位移传感器，轮轨端部设置有与位移传感器适配的挡片。
如上所述的轮轨上还设置有行走停止装置。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1.本发明体积较小。模块化设计可以分拆，方便运输，可以在工地现场开展，减少运输途中对岩样的干扰。
2.快速采集数据，节约成本。可快速安装，一个钻进回次时间短，节约时间成本；机器的操作实现了自动化，大大节约人力成本。
3. 钻机运行参数可定量控制。钻进速度，钻头转速，钻进压力，钻头扭矩，水泵流速，围压情况等数据均可控制和实时监控。
通过功率分析仪，监控动力电机的工作状况，电流、电压、功率、频率等数据，钻进不均匀的岩块时，动力电机工作状态的变动可反映出岩块性质的变化。
4.减少重力对试验的影响。钻进方向水平设置的目的是直接测量钻压，无需修正。
5.三面柔性围压。三面柔性围压保证受力均匀，可以模拟深部岩体地应力状况。
附图说明
图1 为发明的结构示意图；
图2 压力室正剖面示意图；
图3 压力室左剖面示意图。
其中：1-液压杆，2-液压机，3-动力电机，4-电机功率分析仪，5-钻杆转速传感器，6-钻杆扭矩传感器，7-轴联器，8-钻头，9-防尘罩，10-水管，11-流量控制器，12-水泵，13-压力室，14-驱动装置，1501-电机滚轮，1502-驱动滚轮，16-链条，17-位移传感器，18-轮轨，19-行走停止装置，20-汇水槽，21-泄水通道，22-压力室支架，23-基座，24-隔离板固定器，25-压力室内衬板，26-液压囊接口，27-柔性液压囊，28-压力室本体，29-隔离板，30-钻孔预留孔，31-防尘罩预留孔，32-钻头贯穿孔。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
一种小型室内钻孔参数快速采集装置，包括基座23，基座23上设置有轮轨18，驱动装置14通过驱动滚轮1502设置在轮轨18上，驱动装置14一侧与动力电机3的固定座相抵，驱动装置14另一对侧与液压机2的固定座连接，动力电机3通过电机滚轮1501设置在轮轨18上，液压机2与液压杆1一端连接，液压杆1另一端与反力架相抵，动力电机3的旋转轴通过轴联器7与钻头8一端连接，钻头8另一端延伸至压力室13内，压力室13通过压力室支架22设置在基座23上。
驱动装置14可以采用L板支架，L板支架的其中一个臂板的一侧与动力电机3的固定座相抵，臂板的另一侧与液压机2的固定座连接，动力电机3和驱动装置14分别通过电机滚轮1501和驱动滚轮1502设置在轮轨18上，动力电机3和驱动装置14均可沿轮轨18运动。如图1所示，液压机2驱动液压杆1伸缩，通过反力架向L板支架提供向右的动力，进而推动动力电机3、钻头8向右前进提供钻进动力，同时钻头8延伸至压力室13内对压力室13内的岩体实施钻进动作。
压力室13包括压力室本体28，压力室本体28呈立方形，压力室本体28通过压力室支架22设置在基座23上，压力室本体28朝向钻头8的一侧设置有钻孔预留孔30，钻头8贯穿钻孔预留孔30，水泵12与水管10一端连接，水管10另一端延伸至钻孔预留孔30内，压力室本体28内的六个内壁面分别设置有柔性液压囊27，各个柔性液压囊27分别与液压囊接口26连接，压力室本体28朝向钻头8的一侧的内壁面的柔性液压囊27设置有与钻孔预留孔30位置对应的钻头贯穿孔32，钻头贯穿孔32的孔径大于钻孔预留孔30的孔径，相邻的柔性液压囊27由隔离板29分隔，泄水通道21的进水端与钻孔预留孔30连通。
一种小型室内钻孔参数快速采集装置，还包括罩设在钻孔预留孔30上的防尘罩9，防尘罩9上开设有与钻孔预留孔30位置对应的防尘罩预留孔31，钻头8贯穿防尘罩预留孔31，泄水通道21的出水端位于防尘罩9内，防尘罩9的底部设置有汇水槽20。
压力室13采用三向柔性围压，压力由三个方向的柔性液压囊27（一对对侧设置的两个柔性液压囊27施加的压力构成一个方向的压力）提供。相邻两个方向的液压囊26由隔离板29进行阻隔，以免相互影响。隔离板29固定在隔离板固定器24上，每个焦点会有来自三个方向的隔离板29交会，均固定在隔离板固定器24上，隔离板固定器24与压力室本体28内壁固定。围压通过不断从液压囊接口26注入的液体提供。钻头贯穿孔32的孔径大于钻孔预留孔30的孔径，以方便钻头8通过钻孔预留孔30。工作时，岩样放置在三种柔性液压囊27围成的区域内。泄水通道21用以排除钻头的降温用水。
水泵12用于钻头8降温，清理岩屑和抑制灰尘。水泵12与流量控制器11连接，流量控制器11用来监控水泵12的流量变化。因为流速对钻头8温度，钻孔中的岩屑量均有影响，所以一组实验中要采用可控的流速。
防尘罩9用于控制岩屑和冷却水飞溅，泄水通道21的水也汇入防尘罩9的汇水槽20内。实验结束后统一处理。
动力电机3的旋转轴上设置有钻杆转速传感器5和钻杆扭矩传感器6，水泵12与流量控制器11连接，液压机2与液压传感器连接，动力电机3与电机功率分析仪4连接。
启动动力电机3，钻头8开始旋转，电机功率分析仪4可以实时记录动力电机3的功率、电流、电压等数据。钻杆扭矩传感器6和钻杆转速传感器5负责实时记录钻进的扭矩和转速。根据记录下来的扭矩和转速数据配合电机功率分析仪4，由电机功率分析仪4调整动力电机3的功率实现恒定扭矩和恒定转速的工作模式。液压传感器可以测量液压机2的液压压力，进而获得钻进压力。钻进过程中，液压机2通过液压杆1对动力电机3产生横向推力作为钻进压力。
驱动装置14上设置有驱动电机，驱动电机的旋转轴上套设固定有驱动齿轮，轮轨18的顶部沿轮轨18延伸方向设置有链条16，驱动齿轮与链条16啮合。
驱动电机、驱动齿轮、链条16作为辅助推动装置，当液压机2不工作时，可以通过驱动电机带动驱动齿轮旋转，驱动齿轮与链条16啮合，进而带动驱动装置14向右推进，进而推动动力电机3和钻头8，为钻头8提供向右的钻进力。
动力电机3上设置有位移传感器17，轮轨18端部设置有与位移传感器17适配的挡片。
位移传感器17监测位移传感器17与挡片之间的距离，进而获得动力电机3的位移信息。
轮轨18上还设置有行走停止装置19。为了防止出现钻头8钻穿试样之后损伤压力室13的情况，特设置了行走停止装置19，根据钻深设置其位置，强制性停止动力电机3继续向右行进。行走停止装置19可以为行程开关，当动力电机3向右行进到最右行程点时，动力电机3触碰行程开关，行程开关输出控制信号控制液压机2或驱动电机停止工作，防止出现钻头8钻穿试样之后损伤压力室13的情况。
本文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。
Claims (6)
1.一种小型室内钻孔参数快速采集装置，包括基座(23)，其特征在于，基座(23)上设置有轮轨(18)，驱动装置(14)通过驱动滚轮(1502)设置在轮轨(18)上，驱动装置(14)一侧与动力电机(3)的固定座相抵，驱动装置(14)另一对侧与液压机(2)的固定座连接，动力电机(3)通过电机滚轮(1501)设置在轮轨(18)上，液压机(2)与液压杆(1)一端连接，液压杆(1)另一端与反力架相抵，动力电机(3)的旋转轴通过轴联器(7)与钻头(8)一端连接，钻头(8)另一端延伸至压力室(13)内，压力室(13)通过压力室支架(22)设置在基座(23)上，
所述的压力室(13)包括压力室本体(28)，压力室本体(28)呈立方形，压力室本体(28)通过压力室支架(22)设置在基座(23)上，压力室本体(28)朝向钻头(8)的一侧设置有钻孔预留孔(30)，钻头(8)贯穿钻孔预留孔(30)，水泵(12)与水管(10)一端连接，水管(10)另一端延伸至钻孔预留孔(30)内，压力室本体(28)内的六个内壁面分别设置有柔性液压囊(27)，各个柔性液压囊(27)分别与液压囊接口(26)连接，压力室本体(28)朝向钻头(8)的一侧的内壁面的柔性液压囊(27)设置有与钻孔预留孔(30)位置对应的钻头贯穿孔(32)，钻头贯穿孔(32)的孔径大于钻孔预留孔(30)的孔径，相邻的柔性液压囊(27)由隔离板(29)分隔，隔离板(29)固定在隔离板固定器(24)上，隔离板固定器(24)与压力室本体(28)内壁固定，泄水通道(21)的进水端与钻孔预留孔(30)连通。
2.根据权利要求1所述的一种小型室内钻孔参数快速采集装置，其特征在于，还包括罩设在钻孔预留孔(30)上的防尘罩(9)，防尘罩(9)上开设有与钻孔预留孔(30)位置对应的防尘罩预留孔(31)，钻头(8)贯穿防尘罩预留孔(31)，泄水通道(21)的出水端位于防尘罩(9)内，防尘罩(9)的底部设置有汇水槽(20)。
3.根据权利要求2所述的一种小型室内钻孔参数快速采集装置，其特征在于，所述的动力电机(3)的旋转轴上设置有钻杆转速传感器(5)和钻杆扭矩传感器(6)，水泵(12)与流量控制器(11)连接，液压机(2)与液压传感器连接，动力电机(3)与电机功率分析仪(4)连接。
4.根据权利要求3所述的一种小型室内钻孔参数快速采集装置，其特征在于，所述的驱动装置(14)上设置有驱动电机，驱动电机的旋转轴上套设固定有驱动齿轮，轮轨(18)的顶部沿轮轨(18)延伸方向设置有链条(16)，驱动齿轮与链条(16)啮合。
5.根据权利要求3所述的一种小型室内钻孔参数快速采集装置，其特征在于，所述的动力电机(3)上设置有位移传感器(17)，轮轨(18)端部设置有与位移传感器(17)适配的挡片。
6.根据权利要求3所述的一种小型室内钻孔参数快速采集装置，其特征在于，所述的轮轨(18)上还设置有行走停止装置(19)。
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