CN110485990A - 多功能牙轮钻头实验设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能牙轮钻头实验设备，其由钻压加载模块、水平移动模块、扭矩加载模块组成。通过钻压加载模块、扭矩加载模块可分别实现牙轮钻头在破岩过程中钻压、扭矩的施加，并且钻压、扭矩可调节；通过水平移动模块可使牙轮钻头纵向水平移动、横向水平移动，以实现不同类型的牙轮钻头破岩实验；且实验台架的大部分零件采用铝合金材料，在满足强度要求的情况下，总体质量较小，且构件之间多采用螺栓连接，便于安装与拆卸。本发明的多功能牙轮钻头实验设备能够实现在不同钻压、不同扭矩下的不同类型的牙轮钻头破岩实验，对于获得牙轮钻头的轮体速比及新型复合钻头的研发具有实用价值。

Description

多功能牙轮钻头实验设备

技术领域

本发明涉及一种用于牙轮钻头破岩实验装置领域的多功能牙轮钻头实验设备。

背景技术

目前为止，地层适应范围最广的钻头仍然是牙轮钻头，特别是钻进硬地层、研磨性强的地层只能依靠牙轮钻头。牙轮钻头在钻压和钻柱旋转的作用下，牙齿压碎并吃入岩石，同时产生一定的滑动而剪切岩石。当牙轮在井底滚动时，牙轮上的牙齿依次冲击、压入地层，这个作用可以将井底岩石压碎一部分，同时靠牙轮滑动带来的剪切作用削掉牙齿间残留的另一部分岩石，使井底岩石全面破碎，井眼得以延伸。

按牙轮数目，牙轮钻头可分为单牙轮、双牙轮、三牙轮和多牙轮钻头。为了提高中心破岩效率，又提出了旋切钻头。牙轮钻头在破岩过程中，影响牙轮转速的因素非常复杂，牙轮钻头的轮体速比研究对于岩石破碎机理研究和钻头设计都有重要的指导意义。为了获得牙轮钻头的轮体速比，实验测试是一项直接而有效的手段。然而牙轮钻头种类较多，为了简化实验，节约成本，提出了一种适用范围广的多功能牙轮钻头实验设备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供的一种适用范围广的多功能牙轮钻头实验设备。

本发明的技术方案是：多功能牙轮钻头实验设备由钻压加载模块、水平移动模块、扭矩加载模块组成，其特征是：所述的钻压加载模块包括大带轮a、电机a、小带轮a、连接板a、滚珠丝杠a、光杆a、轴承a、连接板b、滚珠丝杠a保持架、夹板、齿轮箱盖板、夹头、橡胶垫、钻头连接短节、夹头盖板、牙轮钻头、齿轮箱壳体、轴承b、锥齿轮连接轴、锥齿轮、大带轮a连接轴，夹头、橡胶垫、钻头连接短节、夹头盖板、牙轮钻头组成钻头夹具，组装时，将橡胶垫、钻头连接短节依次装入夹头，夹头盖板与夹头通过螺栓连接，牙轮钻头与钻头连接短节通过螺纹连接，齿轮箱盖板、齿轮箱壳体、轴承b、锥齿轮连接轴、锥齿轮、大带轮a连接轴组成齿轮箱，组装时，将轴承b装入齿轮箱壳体，先安装竖直放置的锥齿轮，再将锥齿轮连接轴穿入齿轮箱壳体，将水平放置的锥齿轮安装在锥齿轮连接轴两端，大带轮a连接轴安装在齿轮箱输入端的锥齿轮上，齿轮箱盖板与齿轮箱壳体通过螺钉连接，滚珠丝杠a、光杆a、轴承a、连接板b、滚珠丝杠a保持架、夹板组成夹持架，组装时，将滚珠丝杠a、光杆a装入滚珠丝杠a保持架，轴承a装入夹板，将滚珠丝杠a、光杆a分别装入轴承a、夹板的沉头孔内，夹板与连接板b通过螺栓连接，组装钻压加载模块时，将夹头与滚珠丝杠a保持架通过螺钉连接，再将齿轮箱壳体、夹板和连接板a通过螺钉连接，大带轮a安装于大带轮a连接轴末端，小带轮a安装于电机a输出轴；所述的水平移动模块包括轴承c、轴承c保持架、导轨a、导轨座、铝型材a、手轮a、手轮b、滚珠丝杠b、滚珠丝杠b保持架、轴承d、轴承d保持架、齿条、导轨b、铝型材b、连接板c、铝型材c、导轨座调节块、轴承e保持架、圆柱齿轮连接轴、轴承e、圆柱齿轮，轴承c、轴承c保持架、导轨a、导轨座、铝型材a、手轮b、滚珠丝杠b、滚珠丝杠b保持架组成横向水平移动架，组装时，导轨a与铝型材a通过螺栓连接，再将导轨座装入导轨a，将滚珠丝杠b装入滚珠丝杠b保持架，从滚珠丝杠b末端装入轴承c，再将轴承c装入轴承c保持架，轴承c保持架与铝型材a通过螺栓连接，将手轮b安装在滚珠丝杠b末端，导轨座、手轮a、轴承d、轴承d保持架、齿条、导轨b、铝型材b、连接板c、铝型材c、导轨座调节块、轴承e保持架、圆柱齿轮连接轴、轴承e、圆柱齿轮组成纵向水平移动架，组装时，铝型材b、连接板c、铝型材c通过螺栓连接，将齿条、导轨b安装于铝型材c，将导轨座装入导轨b，将轴承d、轴承e分别装入轴承d保持架、轴承e保持架，再依次将轴承e、圆柱齿轮、轴承d从圆柱齿轮连接轴两端装入，将手轮a圆柱齿轮连接轴末端，组装水平移动模块时，先将轴承d保持架与铝型材a通过螺栓连接，再将铝型材a、导轨座调节块、导轨座通过螺栓连接；所述的扭矩加载模块包括铝型材b、铝型材c、铝型材d、岩石、小带轮b、连接板d、电机b、连接板e、轴承f、大带轮b连接轴、连接板f、大带轮b、转台，将铝型材b、铝型材c、铝型材d、连接板f通过螺栓连接，连接板e与铝型材b通过螺栓连接，将电机b安装在连接板e上，轴承f装入连接板d，将连接板d安装在铝型材b上，将大带轮b连接轴装入轴承f，在大带轮b连接轴末端安装转台，大带轮b安装于转台小端，岩石置于转台上，小带轮b安装于电机b输出轴，安装并调节皮带；组装多功能牙轮钻头实验设备时，调节牙轮钻头与岩石之间的垂直距离，再将连接板c与铝型材d通过螺栓连接，将夹板装入滚珠丝杠a保持架，将电机a安装在夹板上，安装并调节皮带，再将夹板与导轨座通过螺栓连接。电机a输出转速，经过齿轮箱调节转速，并通过滚珠丝杠a，将旋转运动转换为直线运动，夹头带动牙轮钻头竖直向下移动，牙轮钻头对岩石产生压力作用；电机b输出转速，通过带传送带动，驱使岩石旋转，对牙轮钻头产生反扭矩效果；调节手轮a、手轮b，则可以使牙轮钻头纵向水平移动、横向水平移动。

上述方案中的齿轮箱中的锥齿轮可为蜗轮蜗杆。

上述方案中的导轨a、导轨b均有刻度线，手轮a、手轮b均有锁紧装置，当手轮a、手轮b锁紧时，水平移动模块将不会发生移动。

上述方案中的电机a、电机b均为调速电机，且电机a输出转速较低，扭矩较大。

上述方案中的大带轮a、小带轮a、大带轮b、小带轮b均安装有防护罩

本发明的有益效果是：(1)通过钻压加载模块可实现牙轮钻头在破岩过程中钻压的施加，并且可调节电机a的转速，改变大带轮a、小带轮a、锥齿轮的结构参数，改变牙轮钻头在破岩过程中的钻压；(2)通过扭矩加载模块可实现牙轮钻头在破岩过程中扭矩的施加，并且可调节电机b的转速，改变大带轮b、小带轮b的结构参数，改变牙轮钻头在破岩过程中的扭矩；(3)通过水平移动模块可实现不同类型的牙轮钻头破岩实验，节约了成本；(4)多功能牙轮钻头实验设备的大部分零件采用铝合金材料，在满足强度要求的情况下，总体质量较小，且构件之间多采用螺栓连接，方便安装与拆卸。

附图说明

图1是本发明多功能牙轮钻头实验设备的结构示意图。

图2是本发明图1中钻压加载模块的结构示意图。

图3是本发明图1中钻头夹具的结构示意图。

图4是本发明图1中齿轮箱的结构示意图。

图5是本发明图1中水平移动模块的结构示意图。

图6是本发明图1中纵向水平移动架的结构示意图。

图7是本发明图1中扭矩加载模块的结构示意图。

图8是本发明多功能牙轮钻头实验设备的实验原理图。

附图标记说明：1.大带轮a，2.电机a，3.小带轮a，4.连接板a，5.滚珠丝杠a，6.光杆a，7.轴承a，8.连接板b，9.滚珠丝杠a保持架，10.夹板，11.齿轮箱盖板，12.夹头，13.橡胶垫，14.钻头连接短节，15.夹头盖板，16.牙轮钻头，17.齿轮箱壳体，18.轴承b，19.锥齿轮连接轴，20.锥齿轮，21.大带轮a连接轴，22.轴承c，23.轴承c保持架，24.导轨a，25.导轨座，26.铝型材a，27.手轮a，28.手轮b，29.滚珠丝杠b，30.滚珠丝杠b保持架，31.轴承d，32.轴承d保持架，33.齿条，34.导轨b，35.铝型材b，36.连接板c，37.铝型材c，38.导轨座调节块，39.轴承e保持架，40.圆柱齿轮连接轴，41.轴承e，42.圆柱齿轮，43.铝型材d，44.岩石，45.小带轮b，46.连接板d，47.电机b，48.连接板e，49.轴承f，50.大带轮b连接轴，51.连接板f，52.大带轮b，53.转台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

根据附图所示，多功能牙轮钻头实验设备其特征在于：多功能牙轮钻头实验设备由钻压加载模块、水平移动模块、扭矩加载模块组成，所述的钻压加载模块包括大带轮a1、电机a2、小带轮a3、连接板a4、滚珠丝杠a5、光杆a6、轴承a7、连接板b8、滚珠丝杠a保持架9、夹板10、齿轮箱盖板11、夹头12、橡胶垫13、钻头连接短节14、夹头盖板15、牙轮钻头16、齿轮箱壳体17、轴承b18、锥齿轮连接轴19、锥齿轮20、大带轮a连接轴21，夹头12、橡胶垫13、钻头连接短节14、夹头盖板15、牙轮钻头16组成钻头夹具，组装时，将橡胶垫13、钻头连接短节14依次装入夹头12，夹头盖板15与夹头12通过螺栓连接，牙轮钻头16与钻头连接短节14通过螺纹连接，齿轮箱盖板11、齿轮箱壳体17、轴承b18、锥齿轮连接轴19、锥齿轮20、大带轮a连接轴21组成齿轮箱，组装时，将轴承b18装入齿轮箱壳体17，先安装竖直放置的锥齿轮20，再将锥齿轮连接轴19穿入齿轮箱壳体17，将水平放置的锥齿轮20安装在锥齿轮连接轴19两端，大带轮a连接轴21安装在齿轮箱输入端的锥齿轮20上，齿轮箱盖板11与齿轮箱壳体17通过螺钉连接，滚珠丝杠a5、光杆a6、轴承a7、连接板b8、滚珠丝杠a保持架9、夹板10组成夹持架，组装时，将滚珠丝杠a5、光杆a6装入滚珠丝杠a保持架9，轴承a7装入夹板10，将滚珠丝杠a5、光杆a6分别装入轴承a7、夹板10的沉头孔内，夹板10与连接板b8通过螺栓连接，组装钻压加载模块时，将夹头12与滚珠丝杠a保持架9通过螺钉连接，再将齿轮箱壳体17、夹板10和连接板a4通过螺钉连接，大带轮a1安装于大带轮a连接轴21末端，小带轮a3安装于电机a2输出轴；所述的水平移动模块包括轴承c22、轴承c保持架23、导轨a24、导轨座25、铝型材a26、手轮a27、手轮b28、滚珠丝杠b29、滚珠丝杠b保持架30、轴承d31、轴承d保持架32、齿条33、导轨b34、铝型材b35、连接板c36、铝型材c37、导轨座调节块38、轴承e保持架39、圆柱齿轮连接轴40、轴承e41、圆柱齿轮42，轴承c22、轴承c保持架23、导轨a24、导轨座25、铝型材a26、手轮b28、滚珠丝杠b29、滚珠丝杠b保持架30组成横向水平移动架，组装时，导轨a24与铝型材a26通过螺栓连接，再将导轨座25装入导轨a24，将滚珠丝杠b29装入滚珠丝杠b保持架30，从滚珠丝杠b29末端装入轴承c22，再将轴承c22装入轴承c保持架23，轴承c保持架23与铝型材a26通过螺栓连接，将手轮b28安装在滚珠丝杠b29末端，导轨座25、手轮a27、轴承d31、轴承d保持架32、齿条33、导轨b34、铝型材b35、连接板c36、铝型材c37、导轨座调节块38、轴承e保持架39、圆柱齿轮连接轴40、轴承e41、圆柱齿轮42组成纵向水平移动架，组装时，铝型材b35、连接板c36、铝型材c37通过螺栓连接，将齿条33、导轨b34安装于铝型材c37，将导轨座25装入导轨b34，将轴承d31、轴承e41分别装入轴承d保持架32、轴承e保持架39，再依次将轴承e41、圆柱齿轮42、轴承d31从圆柱齿轮连接轴40两端装入，将手轮a27圆柱齿轮连接轴40末端，组装水平移动模块时，先将轴承d保持架32与铝型材a26通过螺栓连接，再将铝型材a26、导轨座调节块38、导轨座25通过螺栓连接；所述的扭矩加载模块包括铝型材b35、铝型材c37、铝型材d43、岩石44、小带轮b45、连接板d46、电机b47、连接板e48、轴承f49、大带轮b连接轴50、连接板f51、大带轮b52、转台53，将铝型材b35、铝型材c37、铝型材d43、连接板f51通过螺栓连接，连接板e48与铝型材b35通过螺栓连接，将电机b47安装在连接板e48上，轴承f49装入连接板d46，将连接板d46安装在铝型材b35上，将大带轮b连接轴50装入轴承f49，在大带轮b连接轴50末端安装转台53，大带轮b52安装于转台53小端，岩石44置于转台53上，小带轮b45安装于电机b47输出轴，安装并调节皮带；组装多功能牙轮钻头实验设备时，调节牙轮钻头16与岩石44之间的垂直距离，再将连接板c36与铝型材d43通过螺栓连接，将夹板10装入滚珠丝杠a保持架9，将电机a2安装在夹板10上，安装并调节皮带，再将夹板10与导轨座25通过螺栓连接。电机a2输出转速，经过齿轮箱调节转速，并通过滚珠丝杠a5，将旋转运动转换为直线运动，夹头12带动牙轮钻头16竖直向下移动，牙轮钻头16对岩石44产生压力作用；电机b47输出转速，通过带传送带动，驱使岩石44旋转，对牙轮钻头16产生反扭矩效果；调节手轮a27、手轮b28，则可以使牙轮钻头16纵向水平移动、横向水平移动。

上述方案中的齿轮箱中的锥齿轮20可为蜗轮蜗杆。

上述方案中的导轨a24、导轨b34均有刻度线，手轮a27、手轮b28均有锁紧装置，当手轮a27、手轮b28锁紧时，水平移动模块将不会发生移动。

上述方案中的电机a2、电机b47均为调速电机，且电机a2输出转速较低，扭矩较大。

上述方案中的大带轮a1、小带轮a3、大带轮b52、小带轮b45均安装有防护罩。

所述的多功能牙轮钻头实验设备由钻压加载模块、水平移动模块、扭矩加载模块组成。电机a2输出转速，经过齿轮箱调节转速，并通过滚珠丝杠a5，将旋转运动转换为直线运动，夹头12带动牙轮钻头16竖直向下移动，牙轮钻头16对岩石44产生压力作用，可实现牙轮钻头16在破岩过程中扭矩的施加；电机b47输出转速，通过带传送带动，驱使岩石44旋转，对牙轮钻头16产生反扭矩效果，可实现牙轮钻头16在破岩过程中扭矩的施加；调节手轮a27、手轮b28，则可以使牙轮钻头16纵向水平移动、横向水平移动，可实现不同类型的实验。

且实验台架的大部分零件采用铝合金材料，在满足强度要求的情况下，总体质量较小，且构件之间多采用螺栓连接，方便安装与拆卸。

Claims (5)

1.多功能牙轮钻头实验设备由钻压加载模块、水平移动模块、扭矩加载模块组成，其特征是：所述的钻压加载模块包括大带轮a(1)、电机a(2)、小带轮a(3)、连接板a(4)、滚珠丝杠a(5)、光杆a(6)、轴承a(7)、连接板b(8)、滚珠丝杠a保持架(9)、夹板(10)、齿轮箱盖板(11)、夹头(12)、橡胶垫(13)、钻头连接短节(14)、夹头盖板(15)、牙轮钻头(16)、齿轮箱壳体(17)、轴承b(18)、锥齿轮连接轴(19)、锥齿轮(20)、大带轮a连接轴(21)，夹头(12)、橡胶垫(13)、钻头连接短节(14)、夹头盖板(15)、牙轮钻头(16)组成钻头夹具，组装时，将橡胶垫(13)、钻头连接短节(14)依次装入夹头(12)，夹头盖板(15)与夹头(12)通过螺栓连接，牙轮钻头(16)与钻头连接短节(14)通过螺纹连接，齿轮箱盖板(11)、齿轮箱壳体(17)、轴承b(18)、锥齿轮连接轴(19)、锥齿轮(20)、大带轮a连接轴(21)组成齿轮箱，组装时，将轴承b(18)装入齿轮箱壳体(17)，先安装竖直放置的锥齿轮(20)，再将锥齿轮连接轴(19)穿入齿轮箱壳体(17)，将水平放置的锥齿轮(20)安装在锥齿轮连接轴(19)两端，大带轮a连接轴(21)安装在齿轮箱输入端的锥齿轮(20)上，齿轮箱盖板(11)与齿轮箱壳体(17)通过螺钉连接，滚珠丝杠a(5)、光杆a(6)、轴承a(7)、连接板b(8)、滚珠丝杠a保持架(9)、夹板(10)组成夹持架，组装时，将滚珠丝杠a(5)、光杆a(6)装入滚珠丝杠a保持架(9)，轴承a(7)装入夹板(10)，将滚珠丝杠a(5)、光杆a(6)分别装入轴承a(7)、夹板(10)的沉头孔内，夹板(10)与连接板b(8)通过螺栓连接，组装钻压加载模块时，将夹头(12)与滚珠丝杠a保持架(9)通过螺钉连接，再将齿轮箱壳体(17)、夹板(10)和连接板a(4)通过螺钉连接，大带轮a(1)安装于大带轮a连接轴(21)末端，小带轮a(3)安装于电机a(2)输出轴；所述的水平移动模块包括轴承c(22)、轴承c保持架(23)、导轨a(24)、导轨座(25)、铝型材a(26)、手轮a(27)、手轮b(28)、滚珠丝杠b(29)、滚珠丝杠b保持架(30)、轴承d(31)、轴承d保持架(32)、齿条(33)、导轨b(34)、铝型材b(35)、连接板c(36)、铝型材c(37)、导轨座调节块(38)、轴承e保持架(39)、圆柱齿轮连接轴(40)、轴承e(41)、圆柱齿轮(42)，轴承c(22)、轴承c保持架(23)、导轨a(24)、导轨座(25)、铝型材a(26)、手轮b(28)、滚珠丝杠b(29)、滚珠丝杠b保持架(30)组成横向水平移动架，组装时，导轨a(24)与铝型材a(26)通过螺栓连接，再将导轨座(25)装入导轨a(24)，将滚珠丝杠b(29)装入滚珠丝杠b保持架(30)，从滚珠丝杠b(29)末端装入轴承c(22)，再将轴承c(22)装入轴承c保持架(23)，轴承c保持架(23)与铝型材a(26)通过螺栓连接，将手轮b(28)安装在滚珠丝杠b(29)末端，导轨座(25)、手轮a(27)、轴承d(31)、轴承d保持架(32)、齿条(33)、导轨b(34)、铝型材b(35)、连接板c(36)、铝型材c(37)、导轨座调节块(38)、轴承e保持架(39)、圆柱齿轮连接轴(40)、轴承e(41)、圆柱齿轮(42)组成纵向水平移动架，组装时，铝型材b(35)、连接板c(36)、铝型材c(37)通过螺栓连接，将齿条(33)、导轨b(34)安装于铝型材c(37)，将导轨座(25)装入导轨b(34)，将轴承d(31)、轴承e(41)分别装入轴承d保持架(32)、轴承e保持架(39)，再依次将轴承e(41)、圆柱齿轮(42)、轴承d(31)从圆柱齿轮连接轴(40)两端装入，将手轮a(27)圆柱齿轮连接轴(40)末端，组装水平移动模块时，先将轴承d保持架(32)与铝型材a(26)通过螺栓连接，再将铝型材a(26)、导轨座调节块(38)、导轨座(25)通过螺栓连接；所述的扭矩加载模块包括铝型材b(35)、铝型材c(37)、铝型材d(43)、岩石(44)、小带轮b(45)、连接板d(46)、电机b(47)、连接板e(48)、轴承f(49)、大带轮b连接轴(50)、连接板f(51)、大带轮b(52)、转台(53)，将铝型材b(35)、铝型材c(37)、铝型材d(43)、连接板f(51)通过螺栓连接，连接板e(48)与铝型材b(35)通过螺栓连接，将电机b(47)安装在连接板e(48)上，轴承f(49)装入连接板d(46)，将连接板d(46)安装在铝型材b(35)上，将大带轮b连接轴(50)装入轴承f(49)，在大带轮b连接轴(50)末端安装转台(53)，大带轮b(52)安装于转台(53)小端，岩石(44)置于转台(53)上，小带轮b(45)安装于电机b(47)输出轴，安装并调节皮带；组装多功能牙轮钻头实验设备时，调节牙轮钻头(16)与岩石(44)之间的垂直距离，再将连接板c(36)与铝型材d(43)通过螺栓连接，将夹板(10)装入滚珠丝杠a保持架(9)，将电机a(2)安装在夹板(10)上，安装并调节皮带，再将夹板(10)与导轨座(25)通过螺栓连接。电机a(2)输出转速，经过齿轮箱调节转速，并通过滚珠丝杠a(5)，将旋转运动转换为直线运动，夹头(12)带动牙轮钻头(16)竖直向下移动，牙轮钻头(16)对岩石(44)产生压力作用；电机b(47)输出转速，通过带传送带动，驱使岩石(44)旋转，对牙轮钻头(16)产生反扭矩效果；调节手轮a(27)、手轮b(28)，则可以使牙轮钻头(16)纵向水平移动、横向水平移动。

2.根据权利要求1所述的多功能牙轮钻头实验设备，其特征是：齿轮箱中的锥齿轮(20)可为蜗轮蜗杆。

3.根据权利要求1所述的多功能牙轮钻头实验设备，其特征是：导轨a(24)、导轨b(34)均有刻度线，手轮a(27)、手轮b(28)均有锁紧装置，当手轮a(27)、手轮b(28)锁紧时，水平移动模块将不会发生移动。

4.根据权利要求1所述的多功能牙轮钻头实验设备，其特征是：电机a(2)、电机b(47)均为调速电机，且电机a(2)输出转速较低，扭矩较大。

5.根据权利要求1所述的多功能牙轮钻头实验设备，其特征是：大带轮a(1)、小带轮a(3)、大带轮b(52)、小带轮b(45)均安装有防护罩。