CN110905491B - 一种自动制动精确控制式石油钻井用泥浆脉冲器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动制动精确控制式石油钻井用泥浆脉冲器，同轴设置的铁芯和驱动轴，且驱动轴位于铁芯内，所述铁芯与驱动轴之间设有外空心柱和内空心柱，且外空心柱和内空心柱分别与铁芯的内侧壁、驱动轴的外侧壁固定相连，所述内空心柱的侧壁上对称嵌设有多个永磁体，所述外空心柱上对称开设有多个安装槽，且每个安装槽内均固定安装有螺线圈和制动机构。本发明结构新颖，检修、更换便捷，并且通过螺线圈、永磁体等装置能够为驱动轴提供平稳的拉力；制动轮可使驱动轴快速制动，并且不会出现回弹问题，因此本装置中的泥浆脉冲器的行程精度更高。

Description

一种自动制动精确控制式石油钻井用泥浆脉冲器

技术领域

本发明涉及石油技术领域，尤其涉及一种自动制动精确控制式石油钻井用泥浆脉冲器。

背景技术

在油田勘测、开采时，需要进行多项钻井任务，以便于获取目标油田的各种信息，随着石油工业的发展与科学技术的进步，辅助钻井用器械也越来多丰富，泥浆脉冲器作为钻井用器械的代表也得到了越来越广泛的应用，泥浆脉冲器主要有三类：正脉冲泥浆发生器、负脉冲泥浆发生器和连续波泥浆脉冲发生器，因为连续波泥浆脉冲发生器在反馈数据时更加可靠和快速，因此，在石油钻井作业中，常使用连续波泥浆脉冲器。

现有的连续波泥浆脉冲器主要依靠弹簧与电磁铁共同作用，从而驱动控制机构运动，在长时间使用后，弹簧的抗疲劳性下降，会导致控制机构的移动精度降低，因此需要根据泥浆脉冲器的工作时长更换新的弹簧；此外，即使是同一批次生产出的弹簧，其参数也有细微差别，所以在每次更换弹簧后都需要对泥浆脉冲器的行程位移进行精调，使用极不方便；另一方面，在需要控制机构停止运动时，由于弹簧自身会有一定回弹力，导致推动控制机构的推拉力大小发生变化，无法精确控制泥浆脉冲器中驱动轴的位移量。

为此，我们提出一种自动制动精确控制式石油钻井用泥浆脉冲器。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中泥浆脉冲器传动精度低、更换弹簧后还需对装置进行精调的缺点，而提出的一种自动制动精确控制式石油钻井用泥浆脉冲器。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种自动制动精确控制式石油钻井用泥浆脉冲器，包括同轴设置的铁芯和驱动轴，且驱动轴位于铁芯内，所述铁芯与驱动轴之间设有外空心柱和内空心柱，且外空心柱和内空心柱分别与铁芯的内侧壁、驱动轴的外侧壁固定相连，所述内空心柱的侧壁上对称嵌设有多个永磁体，且每个永磁体的磁场方向均相同，所述外空心柱上对称开设有多个安装槽，且每个安装槽内均固定安装有螺线圈和制动机构；

每个所述制动机构均包括对称焊接在对应安装槽内壁上的两个滑动槽和滑动安装在其中一个滑动槽上的伸缩块，相对应的两个所述滑槽上通过连杆共同滑动安装有多个制动轮，且每个制动轮与对应连杆之间均为转动连接，每个所述伸缩块均与对应连杆的一端固定相连，所述外空心柱内还安装有多个触发机构，且每个触发机构的输出端均与对应伸缩块电连接。

优选地，每个所述触发机构均包括阻磁板和安装在对应阻磁板上的感应线圈，每个所述感应线圈的位置均与对应螺线圈的位置相对应，每个所述感应线圈均包括两个接线端，且两个接线端分别通过两根导线与对应伸缩块电性相连。

优选地，每个所述阻磁板均为L型，且每个阻磁板的位置均靠近内空心柱所在位置。

优选地，每个所述制动轮均包括阻尼外圈、多个第一阻尼内圈和多个第二阻尼内圈，且每个第一阻尼内圈与第二阻尼内圈均位于对应的阻尼外圈内，相对应的所述第一阻尼内圈与第二阻尼内圈之间为同轴交叠设置。

优选地，每个所述第一阻尼内圈与每个第二阻尼内圈内均分别放置有第一磁条和第二磁条，且每个第一磁条、第二磁条的极性均相同。

优选地，所述驱动轴的上端通过限位装置固定安装有转阀装置。

本发明的有益效果：

1、通过设置螺线圈、永磁体、内空心柱、外空心柱等装置，向螺线圈内通入大小恒定、方向快速变化的电流时，各个螺线圈产生的磁场方向也会发生快速变化，永磁体在磁场带来的吸引力与斥力作用下均速向同一方向移动，从而保证驱动轴受到的拉力或推力的大小适中保持恒定。

2、本发明利用电磁耦合原理，通过向螺线圈内通入不同大小、方向的电流，即可对驱动轴产生不同大小、方向上的拉力，无需使用弹簧等装置，即使泥浆脉冲器在长时间工作后也能保证行程位移的精度。

3、通过设置感应线圈，可通过螺线圈产生的磁场的大小变化来判断驱动轴的制动时间，不需要外接电源、控制器等装置，安装方便，此外，由于感应线圈与螺线圈之间利用互感现象产生相互耦合的关系，所以当螺线圈产生的磁场发生变化时，感应线圈上的感应电流可同步变化，无需考虑信号延迟问题。

4、通过设置阻磁板，且阻磁板的形状为L型，既可保证螺线圈与感应线圈共同构成互感线圈，又不会因感应线圈的磁场变化而影响永磁体的运动速度或方向。

5、电致伸缩材料制成的伸缩块具有重复性好、响应时间快等优点，使用寿命长，并且伸缩块的体积很小，泥浆脉冲器的整体体积并不会因此增加。

6、通过设置制动轮，在对驱动轴进行减速的过程中，阻尼外圈先通过摩擦力对其进行降速，然后第一阻尼内圈、第二阻尼内圈、阻尼外圈之间的摩擦力再次减缓阻尼外圈的转动速度，同时，第一磁条与第二磁条相互吸引，阻止相邻的第一阻尼内圈与第二阻尼内圈之间发生相对运动，因此，相较于普通泥浆脉冲器，本发明中的泥浆脉冲器驱动轴的制动效果更好，并且不会发生回弹现象，具有更高的移动精度。

7、普通泥浆脉冲器需要定期检修、更换弹簧，并且更换弹簧后还需要对泥浆脉冲器的行程位移进行精调，操作复杂，本发明中的泥浆脉冲器只需更换制动轮即可，并且制动轮与内空心柱之间依靠摩擦作用力进行降速，因此即使制动轮的规格有些许差异也并不影响制动效果。

综上所述，本发明结构新颖，检修、更换便捷，并且通过螺线圈、永磁体等装置能够为驱动轴提供平稳的拉力；制动轮可使驱动轴快速制动，并且不会出现回弹问题，因此本装置中的泥浆脉冲器的行程精度更高。

附图说明

图1为本发明提出的一种自动制动精确控制式石油钻井用泥浆脉冲器的结构示意图；

图2为图1中A处放大图；

图3为图2中B处放大图；

图4本发明提出的一种自动制动精确控制式石油钻井用泥浆脉冲器中制动轮的剖视图。

图中：1铁芯、2驱动轴、3定子、4转子、5定位环、6防转环、7螺线圈、8外空心柱、9制动机构、10固定座、11内空心柱、12触发机构、13永磁体、14阻磁板、15感应线圈、16连杆、17制动轮、1701阻尼外圈、18直杆、19滑动槽、20伸缩块、21第一阻尼内圈、2101第一磁条、22第二阻尼内圈、2201第二磁条。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-4，一种自动制动精确控制式石油钻井用泥浆脉冲器，包括同轴设置的铁芯1和驱动轴2，且驱动轴2位于铁芯1内，铁芯1与驱动轴2之间设有外空心柱8和内空心柱11，且外空心柱8和内空心柱11分别与铁芯1的内侧壁、驱动轴2的外侧壁固定相连，内空心柱11的侧壁上对称嵌设有多个永磁体13，且每个永磁体13的磁场方向均相同，外空心柱8上对称开设有多个安装槽，且每个安装槽内均固定安装有螺线圈7和制动机构9；

每个制动机构9均包括对称焊接在对应安装槽内壁上的两个滑动槽19和滑动安装在其中一个滑动槽19上的伸缩块20，相对应的两个滑动槽19上通过连杆16共同滑动安装有多个制动轮17，且每个制动轮17与对应连杆16之间均为转动连接，每个伸缩块20均与对应连杆16的一端固定相连，外空心柱8内还安装有多个触发机构12，且每个触发机构12的输出端均与对应伸缩块20电连接；

每个伸缩块20上均固定连接有直杆18，直杆18远离对应伸缩块20的一端位于另一滑动槽19内并与连杆16固定相连；

伸缩块20为电致伸缩材料制成，电致伸缩材料选用高介电常数材料，如钙钛矿型结构的弥散相变铁电体(铌镁酸铅系材料)或电致伸缩陶瓷类材料，使用上述材料制成的伸缩块20电致应变量可达到10³量级，因此伸缩块20的体积较小，不会导致泥浆脉冲器的整体体积增大。

本发明中，每个触发机构12均包括阻磁板14和安装在对应阻磁板14上的感应线圈15，每个感应线圈15的位置均与对应螺线圈7的位置相对应，每个感应线圈15均包括两个接线端，且两个接线端分别通过两根导线与对应伸缩块20电性相连。

每个阻磁板14均为L型，且每个阻磁板14的位置均靠近内空心柱11所在位置，而在感应线圈15与对应螺线圈7相邻的一侧并未设置阻磁板14，因此，既可保证螺线圈7与感应线圈15共同构成互感线圈，又不会因感应线圈15的磁场影响永磁体13的运动，即驱动轴2的运动；

阻磁板14为非铁磁性材料，且其外侧包裹有特殊处理后的镀锌铁皮，从而减弱其所在方向上的磁场强度。

每个制动轮17均包括阻尼外圈1701、多个第一阻尼内圈21和多个第二阻尼内圈22，且每个第一阻尼内圈21与第二阻尼内圈22均位于对应的阻尼外圈1701内，相对应的第一阻尼内圈21与第二阻尼内圈22之间为同轴交叠设置；

每个第一阻尼内圈21与每个第二阻尼内圈22内均分别放置有第一磁条2101和第二磁条2201，且每个第一磁条2101、第二磁条2201的极性均相同，位于最内侧的第一磁条2101或第二磁条2201与连杆16固定连接；

自然状态下，第一磁条2201与第二磁条2201相互吸引，阻止相邻的第一阻尼内圈21与第二阻尼内圈22之间发生相对运动；阻尼外圈1701、第一阻尼内圈21、第二阻尼内圈22均为耐磨防滑型材料制成。

驱动轴2的上端通过限位装置固定安装有转阀装置，限位装置包括固定安装于铁芯1上端的定位环5和防转环6，且定位环5与防转环6共轴，驱动轴2滑动设置与定位环5与防转环6内，防转环6上对称开设有多个止转槽，驱动轴2的上部焊接有多个止转条，且止转条的规格与止转槽的规格相匹配；

转阀装置包括定子3和转子4，定子3与铁芯1固定相连，转子4转动设置于驱动轴2的上端并与定子3共同构成密封环体；

铁芯1下端设有固定座10，且两者之间通过高强螺栓固定连接，外空心柱8上开设有多个竖直方向上的置线槽，相对应的螺线圈7之间通过导线与外界电源相连并构成闭合回路，导线固定卡设在置线槽内。

本发明使用时，通过导线将对应的螺线圈7与外接电源相连，使之构成闭合回路，以驱动轴2沿竖直方向向下运动为例，向螺线圈7内通入大小恒定、方向快速变化的电流，各个螺线圈7产生的磁场方向也会发生快速变化，但磁场大小不变，由于永磁体13对称嵌设在内空心柱11的侧壁中，因此，每个永磁体13均交替受到磁场带来的吸引力与斥力，从而使每个永磁体13均以相同速度向下方移动，因为内空心柱11与驱动轴2固定相连，因此驱动轴2也匀速向下移动；

在此过程中，螺线圈7产生的磁场在方向变化的瞬间均会在感应线圈15处出现互感现象，因此，感应线圈15上会出现感应电流，因为螺线圈7中的电流方向发生快速变化，所以感应线圈15上的感应电流的方向也会快速变化，感应电流通过导线传递至伸缩块20处，电致伸缩材料制成的伸缩块20在方向反复变化的电流的作用下不断重复进行伸长、收缩的动作，由于电流方向变化很快，因此伸缩块12的位移很小，相当于在不断震动，制动轮17此时仍处在安装槽内；

当驱动轴2即将到达即定位置，螺线圈7内的电流逐渐减小且方向不再发生变化，因此螺线圈7产生的磁场方向相同，且磁场强度逐渐减小，根据麦克斯韦方程

可知：变化的磁场可激发电场，因为位置相对应的螺线圈7与感应线圈15之间共同构成一对互感线圈，所以当通过螺线圈7的电流均速减小时，感应线圈15内的磁场强度保持不变(因为磁通量不变，所以磁场强度也不会变化)，感应线圈15上通过的感应电流的大小也不变；

当伸缩块20受到电流激发时，其会发生弹性形变，在本发明中，伸缩块20的体积会增加，推动连杆16向内空心柱11方向运动，当内空心柱11与制动轮17接触时，在阻尼外圈1701与内空心柱11之间的摩擦力的作用下，内空心柱11即驱动轴2的速度会降低；

因为制动轮17与连杆16转动连接，在摩擦力作用下，阻尼外圈1701发生转动，由于阻尼外圈1701与第一阻尼内圈21之间有较大摩擦力，第一阻尼内圈21与第二阻尼内圈22之间也有较大摩擦力，并且第一磁条2101与第二磁条2201相互吸引，阻值第一阻尼内圈21与第二阻尼内圈22发生相对运动，因此内空心柱11的动能会快速转变为各装置之间的内能和阻尼外圈1701、第一阻尼内圈21、第二阻尼内圈22的动能，从而达到内空心柱11快速制动的目的；

制动完后，断开螺线圈7上的电流即可。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种自动制动精确控制式石油钻井用泥浆脉冲器，包括同轴设置的铁芯(1)和驱动轴(2)，且驱动轴(2)位于铁芯(1)内，其特征在于，所述铁芯(1)与驱动轴(2)之间设有外空心柱(8)和内空心柱(11)，且外空心柱(8)和内空心柱(11)分别与铁芯(1)的内侧壁、驱动轴(2)的外侧壁固定相连，所述内空心柱(11)的侧壁上对称嵌设有多个永磁体(13)，所述外空心柱(8)上对称开设有多个安装槽，且每个安装槽内均固定安装有螺线圈(7)和制动机构(9)；

每个所述制动机构(9)均包括对称焊接在对应安装槽内壁上的两个滑动槽(19)和滑动安装在其中一个滑动槽(19)上的伸缩块(20)，相对应的两个所述滑动槽(19)上通过连杆(16)共同滑动安装有多个制动轮(17)，且每个制动轮(17)与对应连杆(16)之间均为转动连接，每个所述伸缩块(20)均与对应连杆(16)的一端固定相连，所述外空心柱(8)内还安装有多个触发机构(12)；

每个所述触发机构(12)均包括阻磁板(14)和安装在对应阻磁板(14)上的感应线圈(15)，每个所述感应线圈(15)的位置均与对应螺线圈(7)的位置相对应，且每个感应线圈(15)均通过两个接线端与对应伸缩块(20)电性相连；

每个所述制动轮(17)均包括阻尼外圈(1701)、多个第一阻尼内圈(21)和多个第二阻尼内圈(22)，且每个第一阻尼内圈(21)与第二阻尼内圈(22)均位于对应的阻尼外圈(1701)内，相对应的所述第一阻尼内圈(21)与第二阻尼内圈(22)之间为同轴交叠设置；

每个所述第一阻尼内圈(21)与每个第二阻尼内圈(22)内均分别放置有第一磁条(2101)和第二磁条(2201)，且每个第一磁条(2101)、第二磁条(2201)的极性均相同；

所述驱动轴(2)的上端通过限位装置固定安装有转阀装置。

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