CN111929181A - 一种冲击碎岩机理试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲击碎岩机理试验装置，包括冲锤机构、碎岩夹持组件、预压力机构、碎岩齿夹持机构、岩样固定机构、数据采集系统等，所述冲锤机构位于碎岩夹持组件的上空并正对碎岩夹持组件，通过调整冲锤机构的冲击高度和/或冲锤质量来调节碎岩受到的冲击功大小；所述碎岩夹持组件通过改变第一半夹具和第二半夹具的形状最终改变碎岩的形状和尺寸，从而选出适合特殊地层钻进的碎岩；预压力机构对测试岩样施加预压力以模拟真实碎岩工况。本发明能够通过调节冲锤质量、冲击高度两种方式调节冲击能，可更换不同规格尺寸和形状的冲击齿，可实现测试岩样周向和轴向预压，可重复性好，可监测岩样试块受力及破碎过程，有利于深入揭示碎岩机理。

Description

一种冲击碎岩机理试验装置

技术领域

本发明涉及冲击碎岩机理的研究领域，尤其涉及一种冲击碎岩机理试验装置及其使用方法。

背景技术

目前，对冲击回转钻进工艺技术的研究多集中于钻具，而疏于对碎岩机理的研究，虽然在一些地层的应用中取得了良好的效果，在另一些地层中效果却不明显。根据冲击碎岩理论，冲击工具所产生的冲击载荷，其作用力的大小在极短的时间内存在很大的变化幅度，冲击工具内部的冲锤冲击砧体柱，在相互撞击部分，其作用力在几十微秒内就由零骤增至几吨，再经过几百微秒又重新下降到零，这种瞬间变化幅度极大的力，对岩样产生一个冲击波。为了研究冲击波对岩石破坏作用，需要一种与冲击工具工况贴近的、可重复性好的、安全可靠的试验装置。

现有技术中授权公告号为CN103645100B的中国专利文件公开了一种单齿单次冲击碎岩实验装置，对圆柱形岩样施加了周向压力，没有对岩样施加轴向压力，存在岩样装卡工具无法对冲击工具冲击岩样的实际工况进行还原的缺点，其冲锤下落控制方式不明确，缺乏安全保护方面的设计。

现有技术中授权公告号为CN104142278B的中国专利文件公开了一种落锤式动静组合加载冲击实验装置，考察试样在轴向静压状态下，冲击载荷对岩样的破坏，模拟冲击矿压对揭露岩层的破坏，没有对岩样四周进行预压，该装置采用固定形状的半球形冲击齿，不能更换冲击齿，采用电动抓钩抓取冲锤，结构复杂，该试验台没有设置传感器和数据采集、处理系统。

现有技术中授权公告号为CN101738348B的中国专利文件公开了磁性开关控制落锤式冲击试验台，考察纤维混凝土试样抗冲击能力，对岩样周向设置了挡板，在轴向和周向没有施加预压力，冲击组件为圆球，无法替换为冲击齿，该试验台没有设置传感器和数据采集、处理系统。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种冲击碎岩机理试验装置，能够针对不同的地层岩样，通过调节冲击功大小、改变冲击工具尺寸和形状，并且实现测试岩样周向和轴向预压，探索冲击碎岩机理，指导钻具的研发。

为达到上述目的，本发明采取如下技术手段：

一种冲击碎岩机理试验装置，包括冲锤机构、碎岩夹持组件以及预压力机构；

所述冲锤机构位于碎岩夹持组件的上空并正对碎岩夹持组件，通过调整冲锤机构的冲击高度和/或冲锤质量来调节碎岩受到的冲击功大小；

所述碎岩夹持组件包括第一半夹具和第二半夹具，第一半夹具和第二半夹具中心对称并在中心对称处预留有碎岩槽，通过改变第一半夹具和第二半夹具的形状来改变碎岩槽的形状最终改变碎岩的形状和尺寸，从而选出适合特殊地层钻进的碎岩；

所述预压力机构在冲锤机构落下前对碎岩夹持组件以及碎岩底部的测试岩样施加预压力以模拟真实碎岩工况。

进一步，所述冲锤机构包括冲锤组件以及磁吸升降组件；

所述冲锤组件包括冲锤；

所述磁吸升降组件包括滑轮升降结构和磁吸结构，滑轮升降结构与磁吸结构连接调整磁吸结构的升降高度，磁吸结构与冲锤组件采用电磁吸附，通电时磁吸结构吸附冲锤组件上升到一定高度，断电时冲锤落下。

更进一步，所述冲锤组件还包括冲锤固定板，其中部设有冲锤安装通孔，安装有冲锤，冲锤上部通过螺纹盲孔连接有磁吸盘，冲锤的外周设置有冲锤定位套，在冲锤固定板两侧上表面和下表面上对称设置有扶正轮；

所述磁吸结构包括电磁铁固定板，在其中部上表面固定连接有吊环，在其下表面固定连接有电磁铁，在其两侧的上表面和下表面对称设置有扶正轮；

所述滑轮升降结构包括竖向的立柱和与立柱连接且平行的两根导杆，两根导杆同时穿过冲锤固定板和电磁铁固定板限定冲锤机构的位移，在立柱的顶部设置有定滑轮结构，定滑轮结构与吊环连接；

沿所述立柱高度方向设置有标尺用于精确控制冲锤下落高度。

其中，所述碎岩夹持组件还包括砧体、第一耳销和第二耳销，砧体外表面设有对称的两个固定槽，用于插入所述第一耳销和第二耳销；

所述砧体内设有异径通孔，异形通孔下侧包括锥面、弧面、圆形面、方形面以及其他不规则面，从异径通孔下侧安装所述第一半夹具和第二半夹具，第一半夹具和第二半夹具夹持衬轴形成一带有盲孔的夹具，该盲孔可夹持所述碎岩齿，同时形成一个与异形通孔下侧形状适配的面，配合并施以轴向敲击力夹住碎岩齿，从异径通孔上侧伸入辅助工具敲卸所述第一半夹具和第二半夹具以更换不同的碎岩齿。

进一步，所述预压力机构包括加压防回弹组件和夹持固定组件；

所述加压防回弹组件包括弹簧加压器、弹簧提升器和加压连杆；加压连杆位于底部且通过加压连杆将弹簧加压器和弹簧提升器连接，

所述弹簧加压器对加压连杆施加向下的力，包括第一弹簧、手轮、手轮丝杆和第一弹簧下压头，所述第一弹簧下压头下端面与所述加压连杆连接；

所述弹簧提升器用当第一弹簧卸压时，将加压连杆提升到与第二水平支撑板下侧贴靠位置，方便岩样夹持固定机构安装，包括丝杆、第二弹簧和螺母，所述丝杆下端与所述加压连杆固定，上端依次套装所述螺母和第二弹簧；所述加压连杆包括加压杆、加压杆一侧的支撑球头和另一侧的U形加压支架，所述U形加压支架用于下压所述碎岩夹持组件；

所述夹持固定组件用于给碎岩底部的测试岩样施加周向的预压力。

进一步，所述夹持固定组件包括第一侧立板、第二侧立板、左立板、右立板、压紧板、压紧垫片、顶紧块和加压丝杠，所述第一侧立板、第二侧立板、左立板、右立板共同围构成了放置测试岩样的方形空间，所述第一侧立板与第二侧立板通过左右两侧设置的螺栓孔固定连接，所述顶紧块两侧设有与第一侧立板、第二侧立板的螺栓孔相匹配的通孔，以与其相对固定，中部设有螺纹通孔，所述加压丝杠左端设有手轮，穿过所述顶紧块的中部螺纹通孔，右端紧顶左立板，通过旋紧加压丝杠的手轮，推动左立板夹紧测试岩样。

此外，还包括台座，台座为立方体框架结构，台座支腿下两侧分别设有第一减震调平支座，第二减震调平支座，第三减震调平支座和第四减震调平支座，立方体框架结构上冲锤机构、碎岩夹持组件以及预压力机构。

此外，还包括底部安装机构和顶部安装机构；

所述顶部安装机构包括定滑轮安装板、第三水平支撑板、卷扬机安装板，所述定滑轮安装板后部固定于立柱之上，前部设有若干定滑轮安装槽，所述第三水平支撑板后部固定于立柱之上，前部分别与所述两根导杆固定连接，中部与卷扬机安装板固定连接，所述卷扬机安装板下端与第三水平支撑板固定连接，中部设有卷扬机若干安装孔用于安装卷扬机；

所述底部安装机构包括第一水平支撑板、第二水平支撑板、垂直支撑板、左支撑杆和右支撑杆，所述第一水平支撑板后部固定安装于立柱上，下侧与所述垂直支撑板连接，前部与左支撑杆、右支撑杆分别固定连接，第一水平支撑板中部设有加压防回弹组件安装通孔和碎岩齿夹持组件安装通孔，第一水平支撑板左侧及右侧与所述两个导杆连接提供支撑力；所述第二水平支撑板中部设有岩样砧体方形通孔，岩样砧体方形通孔四周设置有岩样夹持固定机构安装通孔，后部与所述垂直支撑板固定连接，垂直支撑板下端与台座固定连接。

同时，还包括控制部分，控制磁吸升降组件的通电以及冲锤组件的高度；控制部分还包括传感器、监测设备和处理器，所述传感器用于采集夹持固定组件中测试岩样的数据，监测设备用于监测系统并记录数据；所述处理器用于进行冲击力与冲击高度的转换。

本发明所述冲击碎岩机理试验装置的操作方法如下：

步骤一：安装好台座、底部安装机构和顶部安装机构，通电并调试控制部分对卷扬机和磁吸升降组件的控制；

步骤二：装卡测试岩样和传感器，利用数据传输线缆将传感器与监测设备连接；

步骤三：用碎岩夹持组件装卡碎岩，安装于测试岩样正上方，用扶正块使碎岩夹持组件保持竖直；

步骤四：安装预压力机构，压住第一耳销和第二耳销，通过旋转手轮对碎岩施加压力压紧岩样，根据试验需要调节压力；

步骤五：通过处理器计算所需的冲击能，通过重力势能计算公式换算出冲击高度，控制提升磁吸升降组件和冲锤组件，使冲锤组件的冲击高度与计算的冲击高度相同；

步骤六：通电，使电磁铁消磁，冲锤组件在重力作用下冲击碎岩夹持机构的砧体，碎岩工具对测试岩样完成一次冲击；

步骤七：通过监测设备记录数据并保存；

步骤八：将碎岩夹持组件拆卸后，取出测试岩样，一次冲击检测完成；

步骤九：更换碎岩和测试岩样，重复步骤三至八，继续进行下一次试验。

本发明的有益效果是：

1、可通过调整冲锤组件的冲击高度、冲锤质量可灵活调节冲击功大小，考察冲击功对特殊岩层碎岩效果的影响规律，指导冲击工具设计。

2、可通过改变碎岩工具形状和尺寸，探索最适合特殊地层钻进的碎岩工具，指导钻头设计。

3、通过加压防反弹装置使碎岩齿以一定压力对岩样进行预压，预压力根据实钻钻进工艺参数进行设置，通过岩样夹持固定机构对方形岩样四周进行预压，岩样底部设置了实心钢块砧体，一定程度上还原岩样在岩层中受围岩挤压的状态，与真实碎岩工况保持一致。

4、自动化程度高，操作简易，试验可重复性好。

5、冲锤组件受导轨限位，并且设置有扶正轮，使冲锤重力势能充分转化为动能的同时，保证试验人员安全。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

附图1显示了本发明的冲击碎岩机理试验装置的结构示意图。

附图2显示了本发明的磁吸升降组件结构示意图。

附图3显示了本发明的冲锤组件结构示意图。

附图4显示了本发明的碎岩齿夹持机构结构示意图。

附图5显示了本发明的加压防回弹组件结构示意图。

附图6显示了本发明的岩样夹持固定机构结构示意图。

附图7显示了本发明的冲击碎岩机理试验装置的承载支撑部分示意图。

附图标记：1.台座；2.立柱；3.标尺；4.左导杆；5.右导杆；6.底部安装机构；7.顶部安装机构；8.控制箱；9.升降控制线；10.磁通断控制线；11.卷扬机；12.定滑轮；13.钢丝绳；14.磁吸升降组件；15.冲锤组件；16.碎岩齿夹持组件；17.加压防回弹组件；18.扶正块；19.岩样夹持固定机构；20.岩样砧体；21.压力传感器；22.数据线缆；23.采集器；24.处理器；

101.第一减震调平支座；102.第二减震调平支座；103.第三减震调平支座；104.第四减震调平支座；

601.第一水平支撑板；602.第二水平支撑板；603.垂直支撑板；604.左支撑杆；605.右支撑杆；606.加压防回弹组件安装通孔；607.碎岩齿夹持组件安装通孔；608.岩样砧体方形通孔；609.弹簧提升器安装通孔；610.岩样夹持固定机构安装通孔；

701.定滑轮安装板；702.第三水平支撑板；703.卷扬机安装板；704.定滑轮安装槽；705.卷扬机安装孔；

1401.电磁铁固定板；1402.电磁铁；1403.吊环；1404.第一扶正轮；1405.第二扶正轮；1406.第三扶正轮；1407.第四扶正轮；1408.第一左导杆通孔；1409.第一右导杆通孔；

1501.冲锤固定板；1502.冲锤；1503.冲锤定位套；1504.磁吸盘；1505.第五扶正轮；1506.第六扶正轮；1507.第七扶正轮；1508.第八扶正轮；1509.第二左导杆通孔；1510.第二右导杆通孔；

1601.砧体；1602.第一耳销；1603.第二耳销；1604.左半夹具；1605.右半夹具；1606.衬轴；1607.切缝、1608.碎岩齿；

1701.套筒；1702.第一弹簧；1703.手轮；1704.手轮丝杆；1705.第一弹簧顶座；1706.第一弹簧压盖；1707.第一弹簧下压头；1708.丝杆；1709.第二弹簧；1710.螺母；1711.垫圈；1712.加压杆；1713.支撑球头；1714.U形加压支架；

1901.第一侧立板；1902.第二侧立板；1903.左立板；1904.右立板；1905.压紧板；1906.压紧垫片；1907.顶紧块；1908.加压丝杠。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”、“周向的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如过附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1：

参见图1，显示了本发明的冲击碎岩机理试验装置，由台座、冲锤机构、碎岩夹持机构、预压力机构、控制部分、底部顶部安装机构等构成。所述冲锤机构位于碎岩夹持组件的上空并正对碎岩夹持组件，通过调整冲锤机构的冲击高度和/或冲锤质量来调节碎岩受到的冲击功大小，包括冲锤组件以及磁吸升降组件，所述磁吸升降组件包括滑轮升降结构和磁吸结构，滑轮升降结构包括竖向的立柱2和与立柱2连接且平行的两根导杆(左导杆4、右导杆5)，标尺3安装于立柱2前侧。预压力机构包括加压防回弹组件和夹持固定组件。

参见图1，台座1支腿下设有第一减震调平支座101，第二减震调平支座102，第三减震调平支座103，第四减震调平支座104。所述底部安装机构6由第一水平支撑板601、第二水平支撑板602、垂直支撑板603、左支撑杆604、右支撑杆605组成，所述第一水平支撑板601后部固定安装于立柱2上，下侧与所述垂直支撑板603连接，前部与左支撑杆604、右支撑杆605分别固定连接，中部设有加压防回弹组件安装通孔、碎岩齿夹持组件安装通孔，左侧与所述左导杆4连接，为其提供支撑力，右侧与所述右导杆5连接，为其提供支撑力，所述第二水平支撑板602中部设有岩样砧体方形通孔，岩样砧体方形通孔四周设置有岩样夹持固定机构安装通孔，后部与所述垂直支撑板603固定连接，所述垂直支撑板603上端与所述第一水平支撑板601固定连接，下端与台座1固定连接，中部与所述第二水平支撑板602固定连接，所述左支撑杆604上端与所述第一水平支撑板601固定连接，下端与所述台座1固定连接，所述右支撑杆605上端与所述第一水平支撑板601固定连接，下端与所述台座1固定连接。

所述顶部安装机构7由定滑轮安装板701、第三水平支撑板702、卷扬机安装板703组成，所述定滑轮安装板701后部固定于立柱2之上，前部设有若干定滑轮安装槽，所述第三水平支撑板702后部固定于立柱2之上，前部分别与所述左导杆4、右导杆5固定连接，中部与所述卷扬机安装板固定703连接，所述卷扬机安装板703下端与第三水平支撑板702固定连接，中部设有卷扬机若干安装孔。

参见图2，冲锤组件15和磁吸升降组件14构成冲锤控制系统，有控制箱8、升降控制线9、磁通断控制线10、卷扬机11、定滑轮12、钢丝绳13等。所述磁吸升降组件14由电磁铁固定板1401、电磁铁1402、吊环1403、第一扶正轮1404、第二扶正轮1405、第三扶正轮1406、第四扶正轮1407组成，所述电磁铁固定板1401左部设有第一左导杆通孔，上侧设有第一扶正轮1404，下侧设有第二扶正轮1405，中部上侧固定连接吊环1403，下侧固定连接电磁铁1402，右部设有第一右导杆通孔，上侧设有第三扶正轮1406，下侧设有第四扶正轮1407。

参见图3，所述冲锤组件15由冲锤固定板1501、冲锤1502、冲锤定位套1503、磁吸盘1504、第五扶正轮1505、第六扶正轮1506、第七扶正轮1507、第八扶正轮1508组成，所述冲锤固定板1501中部设有冲锤安装通孔，左部设有第二左导杆通孔，上侧设有第五扶正轮1505，下侧设有第六扶正轮1506，中部设有冲锤安装通孔，右部设有第二右导杆通孔，上侧设有第七扶正轮1507，下侧设有第八扶正轮1508，所述冲锤1502下部外径大，中部设有一台阶，上部外径小，上部顶端设有螺纹盲孔，上部通过螺纹盲孔与所述磁吸盘1504固定，由下至上穿过所述冲锤固定板1501的冲锤安装通孔和所述冲锤定位套1503的内孔，所述冲锤定位套1503下端限位于冲锤固定板1501上侧，上端限位于磁吸盘1504下侧。

参见图4，所述碎岩夹持机构16，由砧体1601、第一耳销1602、第二耳销1603、左半夹具1604、右半夹具1605、衬轴1606和碎岩齿组成，所述砧体1601穿过所述第一水平支撑板601的碎岩齿夹持组件安装通孔进行相对固定，所述砧体1601外表面设有对称的两个固定槽，用于插入所述第一耳销1602和第二耳销1603，所述砧体1601设有异径通孔，异形通孔下侧为锥面，可从下侧安装所述左半夹具1604和右半夹具1605，左半夹具1604和右半夹具1605夹持衬轴1606可形成一带有盲孔的夹具，该盲孔可夹持所述碎岩齿，同时也形成一个锥面，两个锥面配合并施以轴向敲击力，可夹住碎岩齿，可从上侧伸入辅助工具敲卸所述左半夹具1604和右半夹具1605，以更换不同的碎岩齿。

参见图5，所述加压防回弹组件17，安装于所述第一水平支撑板上，由弹簧加压器、弹簧提升器、加压连杆组成，所述弹簧加压器由套筒1701、第一弹簧1702、手轮1703、手轮丝杆1704、第一弹簧顶座1705、第一弹簧压盖1706、第一弹簧下压头1707组成，所述套筒1701下端与所述第一水平支撑板601固定，所述第一弹簧下压头1707下端面与所述加压连杆连接，所述弹簧提升器由丝杆1708、第二弹簧1709、螺母1710、垫圈1711组成，所述丝杆1708穿过所述第一水平支撑板601的弹簧提升器安装通孔，下端与所述加压连杆固定，上部依次套装所述螺母1710、垫圈1711和第二弹簧1709，所述第二弹簧1709限定于所述垫圈1711和所述第一水平支撑板601两者之间，所述加压连杆由加压杆1712、支撑球头1713、U形加压支架1714组成，加压杆1712左侧与支撑球头1713通过螺纹连接，加压杆1712左部上侧与所述丝杆1708固定连接，加压杆1712中部与所述第一弹簧下压头1707接触连接，加压杆1712右部与U形加压支架1714固定连接，所述U形加压支架1714可同时下压所述碎岩齿夹持组件16的第一耳销1602和第二耳销1603。所述弹簧提升器用于当第一弹簧卸压时，将加压连杆提升到与第二水平支撑板下侧贴靠位置，方便岩样夹持固定机构安装。

参见图6，所述夹持固定组件即岩样夹持固定机构19，放置于第二水平支撑板602上，由第一侧立板1901、第二侧立板1902、左立板1903、右立板1904、压紧板1905、压紧垫片1906、顶紧块1907和加压丝杠1908组成，所述第一侧立板1901、第二侧立板1902、左立板1903、右立板1904共同围构成了放置测试岩样的方形空间，所述第一侧立板1901与第二侧立板1902通过左右两侧设置的螺栓孔固定连接，所述顶紧块1907两侧设有与第一侧立板1901、第二侧立板1902的螺栓孔相匹配的通孔，以与其相对固定，中部设有螺纹通孔，所述加压丝杠1908左端设有手轮，穿过所述顶紧块的中部螺纹通孔，右端紧顶左立板1903，通过旋紧加压丝杠的手轮，可推动左立板1903夹紧测试岩样，所述左立板1903、右立板1904设置有通孔，压紧板1905两端设置有槽孔，通过长螺栓，与第二水平支撑板602上的岩样夹持固定机构安装通孔固定连接，以使岩样完全固定。

参见图1，岩样砧体20的下端与所述台座1固定，上端可穿过所述第二水平支撑板602的岩样砧体方形通孔，顶紧测试岩样。

所述控制部分，即数据采集系统，由压力传感器21、数据线缆22、采集器23、处理器24组成，所述压力传感器21设置在岩样上。

由此，通过上述结构的冲击碎岩机理试验装置可实现冲击碎岩机理的研究，具体使用方法主要包括以下几个步骤：

步骤一：安装好试验台架，通电并调试控制箱8对卷扬机11和磁吸升降组件14的控制。

步骤二：打开岩样夹持固定机构19，装卡测试岩样和传感器21，装卡完毕后与岩样砧体20上方的第二水平支撑板602固定，利用数据传输线缆22将传感器21与采集器23连接，采集器23与处理器24插接。

步骤三：用碎岩齿夹持机构16装卡碎岩齿，安装于测试岩样正上方，用扶正块18使碎岩齿夹持机构16保持竖直。

步骤四：安装加压防回弹组件17，用U形加压支架1714压住碎岩齿夹持机构16的的第一耳销1602和第二耳销1603，通过旋转手轮1703，使第一弹簧1702对碎岩齿施加压力压紧岩样，根据试验需要调节弹簧压力。

步骤五：根据试验需要计算冲击能，通过重力势能计算公式换算出冲击高度，通过控制箱8提升磁吸升降组件14和冲锤组件15，使冲锤组件15的冲击高度与计算的冲击高度相同。

步骤六：通电，使电磁铁消磁，冲锤组件在重力作用下冲击碎岩齿夹持机构16的砧体1601，碎岩齿对测试岩样完成一次冲击。

步骤七：通过监测系统记录数据并保存。

步骤八：将岩样夹持固定机构19拆卸后，取出测试岩样，拍照记录，一次冲击检测完成。

步骤九：根据试验方案更换碎岩齿和测试岩样，重复步骤二至八，继续进行下一次试验。

实施例2:

本实施例提供一种冲击碎岩机理试验装置，包括台座1、立柱2、冲锤组件、磁吸升降组件14、导杆、岩样砧体20、立方体岩样夹具、碎岩工具夹持机构、加压机构、卷扬机11、标尺3、钢丝绳13、控制箱、传感器、监测设备及数据传输线缆等，所述立柱2安装于台座1上，左导杆4与右导杆5的上端与立柱2顶端连接，下端与台座1连接，并且保持竖直状态，构成其余机构的承载体，卷扬机11安装于立柱2顶端。所述磁吸升降组件14由电磁铁固定块1401、电磁铁1402、丁滑轮12和吊环1403螺栓组成，安装于两根导杆(左导杆4与右导杆5)上，可沿导杆上下滑动，并且通过钢丝绳13与卷扬机11连接。所述标尺3安装于立柱2上，长度与导杆长度一致，标尺3下端与导杆下端保持齐平，标尺3上端与导杆上端保持齐平。

所述岩样砧体20由实心高强度合金钢加工而成，安装于台座1上，位于两根导杆下端中间位置。

所述立方体岩样夹具，即岩样夹持固定机构19，由第一侧立板1901、第二侧立板1902、左立板1903、右立板1904、压紧板1905、压紧垫片1906、顶紧块1907、加压丝杠1908组成，侧板通过螺栓连接，端板与侧板通过斜面配合，将测试岩样夹紧，如过岩样制作形状有缺陷，还可以通过加压手柄使端板对岩样侧面提供合适的支撑力，在测试时，装卡完测试岩样后安装于岩样砧体正上方立架的岩样托板上，通过螺栓固定。

所述加压机构，即加压防回弹组件17，由套筒1701、第一弹簧1702、手轮1703、手轮丝杆1704、第一弹簧顶座1705、第一弹簧压盖1706、第一弹簧下压头1707、丝杆1708、第二弹簧1709、螺母1710、垫圈1711、加压杆1712、支撑球头1713、U形加压支架1714组成，加压弹簧安装于套筒内部，弹簧压盖与丝杆通过端部的螺纹连接，弹簧顶座与套筒通过卡口连接实现装卡和拆卸，弹簧顶座与丝杆通过丝杆中部的长螺纹连接，通过两者螺纹配合，在弹簧顶座与套筒卡口限位的情况下，顺时针旋转丝杆，使丝杆下行推动弹簧压盖下行，压缩加压弹簧，加压弹簧将压力依次传递给弹簧下压头、连杆、加压支架，加压支架与碎岩工具夹持机构耳销连接，最终将弹簧压力传递给碎岩工具，使碎岩工具压紧测试岩样。

其中，所述台座1支腿下设有减震调平支座。

其中，所述底部安装机构6由第一水平支撑板601、第二水平支撑板602、垂直支撑板603、左支撑杆604、右支撑杆605等组成，所述第一水平支撑板601后部固定安装于立柱2上，下侧与所述垂直支撑板603连接，前部与左支撑杆604、右支撑杆605分别固定连接，中部设有加压防回弹组件安装通孔606、碎岩齿夹持组件安装通孔607，左侧与所述左导杆4连接，为其提供支撑力，右侧与所述右导杆5连接，为其提供支撑力，所述第二水平支撑板602中部设有岩样夹持固定机构安装通孔610和岩样砧体方形通孔608，后部与所述垂直支撑板603固定连接，所述垂直支撑板603上端与所述第一水平支撑板601固定连接，下端与台座1固定连接，中部与所述第二水平支撑板602固定连接，所述左支撑杆604上端与所述第一水平支撑板601固定连接，下端与所述台座1固定连接，所述右支撑杆605上端与所述第一水平支撑板601固定连接，下端与所述台座1固定连接。

其中，所述顶部安装机构7由定滑轮安装板701、第三水平支撑板702、卷扬机安装板703等组成，所述定滑轮安装板701后部固定于立柱2之上，前部设有若干定滑轮安装槽704，所述第三水平支撑板702后部固定于立柱2之上，前部分别与所述左导杆4、右导杆5固定连接，中部与所述卷扬机板703固定连接，所述卷扬机安装板703下端与第三水平支撑板702固定连接，中部设有若干卷扬机安装孔705。

其中，所述磁吸升降组件14由电磁铁固定板1401、电磁铁1402、吊环1403、第一扶正轮1404、第二扶正轮1405、第三扶正轮1406、第四扶正轮1407等组成，所述电磁铁固定板1401左部设有第一左导杆通孔1408，上侧设有第一扶正轮1404，下侧设有第二扶正轮1405，中部上侧固定连接吊环1403，下侧固定连接电磁铁1402，右部设有第一右导杆通孔1409，上侧设有第三扶正轮1406，下侧设有第四扶正轮1407。

其中，所述冲锤组件15由冲锤固定板1501、冲锤1502、冲锤定位套1503、磁吸盘1504、第五扶正轮1505、第六扶正轮1506、第七扶正轮1507、第八扶正轮1508组成，所述冲锤固定板1501中部设有冲锤安装通孔，左部设有第二左导杆通孔1509，上侧设有第五扶正轮1505，下侧设有第六扶正轮1506，中部设有冲锤安装通孔，右部设有第二右导杆通孔1510，上侧设有第七扶正轮1507，下侧设有第八扶正轮1508，所述冲锤1502下部外径大，中部设有一台阶，上部外径小，上部顶端设有螺纹盲孔，上部通过螺纹盲孔与所述磁吸盘固定，由下至上穿过所述冲锤固定板1501的冲锤安装通孔和所述冲锤定位套的内孔，所述冲锤定位套1503下端限位于冲锤固定板1501上侧，上端限位于磁吸盘下侧。

其中，所述碎岩齿夹持组件，由砧体1601、第一耳销1602、第二耳销1603、左半夹具1604、右半夹具1605、衬轴1606、切缝1607、碎岩齿1608组成，所述夹具由两部分组成，中间设置有切缝1607，在测试时，用夹具将碎岩工具夹好，然后安装在砧体1601下方，通过锥面配合将碎岩工具夹紧，装卡完碎岩工具后，安装于立方岩样夹具装卡的岩样正上方。所述砧体1601穿过所述第一水平支撑板601的碎岩齿夹持组件安装通孔进行相对固定，所述砧体1601外表面设有对称的两个固定槽，用于插入所述第一耳销1602和第二耳销1603，所述砧体1601设有异径通孔，异形通孔下侧为锥面，可从下侧安装所述左半夹具1604和右半夹具1605，左半夹具1604和右半夹具1605夹持衬轴可形成一带有盲孔的夹具，该盲孔可夹持所述碎岩齿，同时也形成一个锥面，两个锥面配合并施以轴向敲击力，可夹住碎岩齿，可从上侧伸入辅助工具敲卸所述左半夹具1604和右半夹具1605，以更换不同的碎岩齿。

优选地，所述加压防回弹组件，安装于所述第一水平支撑板061上，由弹簧加压器、弹簧提升器、加压连杆组成，所述弹簧加压器由套筒1701、第一弹簧1702、手轮1703、手轮丝杆1704、第一弹簧顶座1705、第一弹簧压盖176、第一弹簧下压头1707组成，所述套筒1701下端与所述第一水平支撑板601固定，所述第一弹簧下压头1707下端面与所述加压连杆连接，所述弹簧提升器由丝杆1708、第二弹簧1709、螺母1710、垫圈1711等组成，所述丝杆1708穿过所述第一水平支撑板601的弹簧提升器安装通孔609，下端与所述加压连杆固定，上部依次套装所述螺母1710、垫圈1711和第二弹簧1709，所述第二弹簧1709限定于所述螺母1710和所述第一水平支撑板601两者之间，所述加压连杆由加压杆1712、支撑球头1713、U型加压支架1714组成，加压杆1712左侧与支撑球头1713通过螺纹连接，加压杆1712左部上侧与所述丝杆1708固定连接，加压杆1712中部与所述第一弹簧下压头1707接触连接，加压杆1712右部与U型加压支架1714固定连接，所述U型加压支架1714可同时下压所述碎岩齿夹持组件的第一耳销1602和第二耳销1603。

优选地，所述岩样夹持固定机构，放置于第二水平支撑板602上，所述第一侧立板1901、第二侧立板1902、左立板1903和右立板1904共同围构成了放置测试岩样的方形空间，所述第一侧立板1901与第二侧立板1902通过左右两侧设置的螺栓孔固定连接，所述顶紧块1907两侧设有与第一侧立板1901、第二侧立板1902的螺栓孔相匹配的通孔，以与其相对固定，中部设有螺纹通孔，所述加压丝杠1908左端设有加压丝杠手轮，穿过所述顶紧块1907的中部螺纹通孔，右端紧顶左立板1903，通过旋紧加压丝杠1908的手轮，可推动左立板1903夹紧测试岩样，所述左立板1903、右立板1903设置有通孔，压紧板1905两端设置有槽孔，通过长螺栓，与第二水平支撑板602上的岩样夹持固定机构安装通孔固定连接。

所述数据采集系统由压力传感器21、数据线缆22、采集器23、处理器24等组成，所述压力传感器21设置在岩样上，控制箱由电路板和开关组成，分别控制卷扬机11的升降和电磁铁的通断；所述监测设备由笔记本电脑及配套监测软件组成；所述传感器根据试验要求选配。

本发明的试验方法包括如下步骤：

步骤一：安装好试验台架，通电并调试控制箱对卷扬机11和磁吸升降组件14的控制；

步骤二：打开岩样夹持固定机构，装卡测试岩样和压力传感器21，装卡完毕后与岩样砧体上方的第二水平支撑板602固定，利用数据传输线缆将压力传感器21与采集器23连接，采集器23与处理器24插接；

步骤三：用碎岩齿夹持机构装卡碎岩齿1608，安装于测试岩样正上方，用扶正块使碎岩齿夹持机构保持竖直；

步骤四：安装加压防回弹组件，用U形加压支架1714压住碎岩齿夹持机构的耳销，通过旋转手轮1703，使第一弹簧1702对碎岩齿施加压力压紧岩样，根据试验需要调节弹簧压力；

步骤五：根据试验需要计算冲击能，通过重力势能计算公式换算出冲击高度，通过控制箱提升磁吸升降组件14和冲锤组件15，使冲锤组件15的冲击高度与计算的冲击高度相同；

步骤六：通电，使电磁铁1402消磁，冲锤组件15在重力作用下冲击碎岩齿夹持机构的砧体，碎岩齿1608对测试岩样完成一次冲击；

步骤七：通过数据采集系统记录数据并保存；

步骤八：将岩样夹持固定机构拆卸后，取出测试岩样，拍照记录，一次冲击检测完成；

步骤九：根据试验方案更换碎岩齿1608和测试岩样，重复步骤二至八，继续进行下一次试验。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (10)

1.一种冲击碎岩机理试验装置，其特征在于：包括冲锤机构、碎岩夹持组件以及预压力机构；

所述冲锤机构位于碎岩夹持组件的上空并正对碎岩夹持组件，通过调整冲锤机构的冲击高度和/或冲锤质量来调节碎岩受到的冲击功大小；

所述碎岩夹持组件包括第一半夹具和第二半夹具，第一半夹具和第二半夹具中心对称并在中心对称处预留有碎岩槽，通过改变第一半夹具和第二半夹具的形状来改变碎岩槽的形状最终改变碎岩的形状和尺寸，从而选出适合特殊地层钻进的碎岩；

所述预压力机构在冲锤机构落下前对碎岩夹持组件以及碎岩底部的测试岩样施加预压力以模拟真实碎岩工况。

2.如权利要求1所述的冲击碎岩机理试验装置，其特征在于：所述冲锤机构包括冲锤组件以及磁吸升降组件；

所述冲锤组件包括冲锤和碎岩齿；

所述磁吸升降组件包括滑轮升降结构和磁吸结构，通过两路开关分别控制，滑轮升降结构与磁吸结构连接调整磁吸结构的升降高度，磁吸结构与冲锤组件采用电磁吸附，通电时磁吸结构吸附冲锤组件上升到一定高度，断电时冲锤落下。

3.如权利要求2所述的冲击碎岩机理试验装置，其特征在于：所述冲锤组件还包括冲锤固定板，其中部设有冲锤安装通孔，安装有冲锤，冲锤上部通过螺纹盲孔连接有磁吸盘，冲锤的外周设置有冲锤定位套，在冲锤固定板两侧上表面和下表面上对称设置有扶正轮；

所述磁吸结构包括电磁铁固定板，在其中部上表面固定连接有吊环，在其下表面固定连接有电磁铁，在其两侧的上表面和下表面对称设置有扶正轮；

所述滑轮升降结构包括竖向的立柱和与立柱连接且平行的两根导杆，两根导杆同时穿过冲锤固定板和电磁铁固定板限定冲锤机构的位移，在立柱的顶部设置有定滑轮结构，定滑轮结构与吊环连接；

沿所述立柱高度方向设置有标尺用于精确控制冲锤下落高度。

4.如权利要求1所述的冲击碎岩机理试验装置，其特征在于：所述碎岩夹持组件还包括砧体、第一耳销和第二耳销，砧体外表面设有对称的两个固定槽，用于插入所述第一耳销和第二耳销；

所述砧体内设有异径通孔，异形通孔下侧包括锥面、弧面、圆形面、方形面以及其他不规则面，从异径通孔下侧安装所述第一半夹具和第二半夹具，第一半夹具和第二半夹具夹持衬轴形成一带有盲孔的夹具，该盲孔可夹持所述碎岩齿，同时形成一个与异形通孔下侧形状适配的面，配合并施以轴向敲击力夹住碎岩齿，从异径通孔上侧伸入辅助工具敲卸所述第一半夹具和第二半夹具以更换不同类型的碎岩齿。

5.如权利要求3所述的冲击碎岩机理试验装置，其特征在于：所述预压力机构包括加压防回弹组件和夹持固定组件；

所述加压防回弹组件包括弹簧加压器、弹簧提升器和加压连杆；加压连杆位于底部且通过加压连杆将弹簧加压器和弹簧提升器连接，

所述弹簧加压器对加压连杆施加向下的力，包括第一弹簧、手轮、手轮丝杆和第一弹簧下压头，所述第一弹簧下压头下端面与所述加压连杆连接；

所述弹簧提升器用于当第一弹簧卸压时，将加压连杆提升到与第二水平支撑板下侧贴靠位置，方便岩样夹持固定机构安装，包括丝杆、第二弹簧和螺母，所述丝杆下端与所述加压连杆固定，上端依次套装所述螺母和第二弹簧；

所述加压连杆包括加压杆、加压杆一侧的支撑球头和另一侧的U形加压支架，所述U形加压支架用于下压所述碎岩夹持组件；

所述夹持固定组件用于给碎岩底部的测试岩样施加周向的预压力。

6.如权利要求5所述的冲击碎岩机理试验装置，其特征在于：所述夹持固定组件包括第一侧立板、第二侧立板、左立板、右立板、压紧板、压紧垫片、顶紧块和加压丝杠，所述第一侧立板、第二侧立板、左立板、右立板共同围构成了放置测试岩样的方形空间，所述第一侧立板与第二侧立板通过左右两侧设置的螺栓孔固定连接，所述顶紧块两侧设有与第一侧立板、第二侧立板的螺栓孔相匹配的通孔，以与其相对固定，中部设有螺纹通孔，所述加压丝杠左端设有手轮，穿过所述顶紧块的中部螺纹通孔，右端紧顶左立板，通过旋紧加压丝杠的手轮，推动左立板夹紧测试岩样。

7.如权利要求5所述的冲击碎岩机理试验装置，其特征在于：还包括台座，台座为立方体框架结构，台座支腿下两侧分别设有第一减震调平支座，第二减震调平支座，第三减震调平支座和第四减震调平支座，立方体框架结构上冲锤机构、碎岩夹持组件以及预压力机构。

8.如权利要求7所述的冲击碎岩机理试验装置，其特征在于：还包括底部安装机构和顶部安装机构；

所述顶部安装机构包括定滑轮安装板、第三水平支撑板、卷扬机安装板，所述定滑轮安装板后部固定于立柱之上，前部设有若干定滑轮安装槽，所述第三水平支撑板后部固定于立柱之上，前部分别与所述两根导杆固定连接，中部与卷扬机安装板固定连接，所述卷扬机安装板下端与第三水平支撑板固定连接，中部设有卷扬机若干安装孔用于安装卷扬机；

所述底部安装机构包括第一水平支撑板、第二水平支撑板、垂直支撑板、左支撑杆和右支撑杆，所述第一水平支撑板后部固定安装于立柱上，下侧与所述垂直支撑板连接，前部与左支撑杆、右支撑杆分别固定连接，第一水平支撑板中部设有加压防回弹组件安装通孔和碎岩齿夹持组件安装通孔，第一水平支撑板左侧及右侧与所述两个导杆连接提供支撑力；所述第二水平支撑板中部设有岩样砧体方形通孔，岩样砧体方形通孔四周设置有岩样夹持固定机构安装通孔，后部与所述垂直支撑板固定连接，垂直支撑板下端与台座固定连接。

9.如权利要求8所述的冲击碎岩机理试验装置，其特征在于：还包括控制部分，控制磁吸升降组件的通断电以及冲锤组件的高度；控制部分还包括传感器、监测设备和处理器，所述传感器用于采集夹持固定组件中测试岩样的数据，监测设备用于监测系统并记录数据；所述处理器用于进行冲击力与冲击高度的转换。

10.如权利要求9所述的冲击碎岩机理试验装置，其特征在于，所述冲击碎岩机理试验装置的操作方法如下：

步骤一：安装好台座、底部安装机构和顶部安装机构，通电并调试控制部分对卷扬机和磁吸升降组件的控制；

步骤二：装卡测试岩样和传感器，利用数据传输线缆将传感器与监测设备连接；

步骤三：用碎岩夹持组件装卡碎岩，安装于测试岩样正上方，用扶正块使碎岩夹持组件保持竖直；

步骤四：安装预压力机构，压住第一耳销和第二耳销，通过旋转手轮对碎岩施加压力压紧岩样，根据试验需要调节压力；

步骤五：通过处理器计算所需的冲击能，通过重力势能计算公式换算出冲击高度，控制提升磁吸升降组件和冲锤组件，使冲锤组件的冲击高度与计算的冲击高度相同；

步骤六：通电，使电磁铁消磁，冲锤组件在重力作用下冲击碎岩夹持机构的砧体，碎岩工具对测试岩样完成一次冲击；

步骤七：通过监测设备记录数据并保存；

步骤八：将碎岩夹持组件拆卸后，取出测试岩样，一次冲击检测完成；

步骤九：更换碎岩和测试岩样，重复步骤三至八，继续进行下一次试验。

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