CN112252990A - 一种自扫激光麻花钻头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自扫激光麻花钻头，涉及月球资源勘探钻具技术领域，解决了钻头切削效率一般，岩屑排出困难的技术问题。该自扫激光麻花钻头，包括麻花钻头体、自扫装置、混合装置、激光组件和透光组件；激光组件设置在混合装置内；混合装置设置在麻花钻头体内，用于对激光组件发出的激光束进行分组导向；透光组件设置在麻花钻头体的透光孔上，用于激光透过；自扫装置与透光组件连接用以对透光组件进行清扫；自扫装置为无外动力输入型自扫装置。本发明用于月球地质钻探，具有破岩速度快、岩屑排出快、设备寿命长、钻井效率高的特点，在无气无水的月球适用。

Description

一种自扫激光麻花钻头

技术领域

本发明涉及月球资源勘探钻具技术领域，尤其是涉及一种自扫激光麻花钻 头。

背景技术

随着航天技术的飞速发展,人类对宇宙的探索不断深入。我国在星球探测无 人自主钻探装置设计研究领域还处于起步阶段,关键性技术亟待突破。在认识月 球本身，比如月壤成分及资源利用等方面急需钻探新技术的支撑。

在月球资源勘探方面，国内外普遍使用的回转钻进的方式，利用镶焊硬质 合金带有上升螺旋槽的钻头完成。这种钻头因为钻头和螺旋槽不能完整的对应 连接，导致其切削效率一般，并且岩屑排出困难。在月球表层钻探中，月球勘 探的装备重量往往受到航天器的携带限制，并且适合太空钻探的相关技术也欠 缺，导致钻进深度受限，对月球地层地质的认识仅停留在浅表层。激光辅助破 岩技术，是将激光直接作用于井底岩石，岩石在高能量激光作用下出现弱化直 至熔融甚至汽化的状态，可以显著提高开发效率和钻进深度。

传统激光破岩需要高压气体制备装置，高压气体可以保证激光通路通畅和 井下碎屑的运移排出，如果岩屑不能及时排出，钻头的效率将大大降低。月球 处于无水、高真空、微重力、日夜温差悬殊的极端环境，没有制备高压气体的 条件，如果用航天器携带高压气体会大大增加钻进成本。无外动力输入自扫装 置免去了高压储气等相关装备的冗杂性，节省了航天器的携带成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自扫激光麻花钻头，以解决现有技术中存在的 钻头切削效率一般，岩屑排出困难的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种自扫激光麻花钻头，包括麻花钻头体、自扫装置、混合 装置、激光组件和透光组件；所述激光组件转动设置在所述混合装置内；所述 混合装置设置在所述麻花钻头体内，用于对所述激光组件发出的激光束进行分 组导向；所述透光组件设置在所述麻花钻头体的透光孔上，用于激光透过；所 述自扫装置与所述透光组件连接用以对所述透光组件进行清扫；所述自扫装置 为无外动力输入型自扫装置。

作为本发明的进一步改进，所述透光组件的数量为两套，相对设置在所述 麻花钻头体的螺旋槽内，所述自扫装置数量为两套，与两套所述透光组件一一 对应设置。

作为本发明的进一步改进，每套所述自扫装置均包括转子叶片、连接杆、 传动机构和去尘罩；所述连接杆设置在所述麻花钻头体内，一端伸出所述麻花 钻头体延伸到螺旋槽内且通过齿轮与所述转子叶片转动连接，另一端通过齿轮 和转轴与所述透光组件转动连接，所述传动机构分别与所述转子叶片和所述透 光组件连接，所述去尘罩罩设在所述透光组件伸出所述透光孔部位外侧，且所 述去尘罩上对应于所述透光组件的激光射出位置开设有窗口。

作为本发明的进一步改进，所述去尘罩形状与规格与所述透光组件伸出所 述透光孔部分的形状与规格相同。

作为本发明的进一步改进，所述传动机构设置在所述连接杆内部，包括设 置在所述转子叶片上的齿轮和所述转轴上的齿轮和与所述齿轮啮合连接的齿 条。

作为本发明的进一步改进，所述透光组件包括圆盘透镜，所述圆盘透镜的 中心穿设在所述转轴上，且其部分弧段伸出所述透光孔，所述混合装置导出的 激光经所述圆盘透镜的端面部分进入从另一侧端面部分透出。

作为本发明的进一步改进，所述混合装置包括壳体、和依次从上向下设置 在所述壳体内的方形轴承座、分束器和透光片，所述壳体下端通过螺钉固定在 所述麻花钻头体内，所述分束器放置在所述壳体内的安放室内，所述透光片固 定在所述分束器出光侧，所述激光组件通过所述方形轴承座转动设置在所述壳 体内，所述壳体下部相对的两侧分别设置有出光口，所述分束器将垂直入射的 激光分成两组倾斜的光束通过所述出光口射出，所述透光组件位于两个所述出 光口外侧。

11.作为本发明的进一步改进，所述分束器为可将一束激光在某一平面上 分成多束向不同角度传播的光束的一维激光分束元件。

作为本发明的进一步改进，所述混合装置顶部设置有用于防止灰尘进入的 密封件。

作为本发明的进一步改进，所述密封件为盖设在所述方形轴承座的滚珠上 方的塑胶圈。

本发明提供的一种自扫激光麻花钻头，包括麻花钻头体、自扫装置、混合 装置、激光组件和透光组件，麻花钻头体为内含容纳腔的麻花钻头，自扫装置 包括连接杆、转子叶片、传动机构和去尘罩，透光组件为圆盘透光镜，混合装 置容纳在容纳腔内，通过螺钉固定在钻头体内，混合装置内含有激光组件的安 放室和分束器的安放室，激光组件通过轴承与混合装置的壳体连接，激光经过 分束器、透光片出光口和圆盘透光镜后作用在井底岩石上，加速井底岩石破碎， 再通过采用一体式的麻花钻头体，利用麻花钻头体的螺旋槽快速排出岩屑，破 岩速度和岩屑排出速度加快，提高钻井效率；

本发明提供的自扫激光麻花钻头，由于月球无气无水环境，在使用激光组 件进行激光辅助碎岩时，无高压气体吹扫，容易造成钻头的透光孔堵塞，故将 透光组件设置在透光孔处不仅能将激光透出，而且还能将透光孔堵住防止岩屑 进入，由于透光组件外移到透光孔处，如果岩屑堆积附着容易造成设备故障， 通过设置自扫装置对透光组件进行清扫，避免透光组件的岩屑附着堆积，提高 设备寿命，保证设备正常运行，通过采用无外动力输入的自扫装置，不需要高 压气体清理井底岩屑，螺旋形的容纳槽在旋转作用下利于岩屑排出，自扫装置 利用岩屑运移产生的动力使圆盘透镜绕轴心旋转，固定在钻头体上的去尘罩在 滑动摩擦作用下清扫圆盘透镜，避免激光作用在透镜上时附着的岩屑阻碍光路 并且损坏透镜；

本发明相较传统激光辅助破岩技术，可加快破岩速度，切削刃和激光周期 性作用下，岩石始终处于碎裂状态，激光能量利用效率更高；通过切削刃不断 产生新的碎裂区，可以一直保持很高的激光照射效率，这个过程不断重复，实 现了井底激光辅助机械高效破岩；

本发明相较传统麻花钻头，可减缓切削刃磨损，在激光作用后，岩石的可 钻性提高，更易破碎，切削刃更多的是参与剥离井底岩屑，这增加了切削刃的 使用寿命，增大了单趟钻的进尺，提高了钻井生产效率；

本发明克服了激光辅助破岩中清理岩屑的难题，激光破坏岩石结构，利用 切削刃剥离井底岩屑，螺旋线型导屑槽将岩屑带离井底，自扫装置保证光路畅 通，激光能够始终照射在新鲜岩石表面。除此之外，还提高了激光利用效率， 延缓了钻头磨损。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明自扫激光麻花钻头的结构示意图；

图2是本发明自扫激光麻花钻头的局部结构示意图；

图3是本发明自扫激光麻花钻头中自扫装置的结构示意图；

图4是本发明自扫激光麻花钻头中混合装置的结构示意图；

图5是本发明自扫激光麻花钻头中混合装置的剖面图；

图6是本发明自扫激光麻花钻头中混合装置的仰视图；

图7是本发明自扫激光麻花钻头中透光组件和去尘罩组合在一起时的结构 示意图；

图8是本发明自扫激光麻花钻头中透光组件的结构示意图；

图9是本发明自扫激光麻花钻头中自扫装置和混合装置的布置位置图。

图中1、麻花钻头体；2、自扫装置；3、去尘罩；4、透光孔；5、圆盘透 镜；6、混合装置；7、螺钉；8、滚珠；9、塑胶圈；10、方形轴承座；11、方 形凹槽；12、透光片；13、安放室；14、连接杆；15、转子叶片；16、转轴； 17、窗口；18、出光口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方 案进行详细的描述。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。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 造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

如图1和图2所示，本发明提供了一种自扫激光麻花钻头，以提升月球钻 探的效率，并且降低岩屑无法排除导致的风险，具体的，自扫激光麻花钻头包 括麻花钻头体1、自扫装置2、混合装置6、激光组件和透光组件；激光组件转 动设置在混合装置6内；混合装置6设置在麻花钻头体1内，用于对激光组件 发出的激光束进行分组导向；透光组件设置在麻花钻头体1的透光孔4上，用 于激光透过；自扫装置2与透光组件连接用以对透光组件进行清扫；自扫装置 2为无外动力输入型自扫装置。

透光组件的数量为两套，相对设置在麻花钻头体1的螺旋槽内，自扫装置 2数量为两套，与两套透光组件一一对应设置。

如图3所示，每套自扫装置2均包括转子叶片15、连接杆14、传动机构 和去尘罩3；连接杆14设置在麻花钻头体1内，一端伸出麻花钻头体1延伸到 螺旋槽内且通过齿轮与转子叶片15转动连接，另一端通过齿轮和转轴16与透 光组件转动连接，传动机构分别与转子叶片15和透光组件连接，去尘罩3罩设 在透光组件伸出透光孔4部位外侧，且去尘罩3上对应于透光组件的激光射出 位置开设有窗口17。

如图7所示，去尘罩3形状与规格与透光组件伸出透光孔4部分的形状与 规格相同，且去尘罩3内壁与透光组件外轮廓之间具有小间隙，使得透光组件 转动时，能够利用窗口17边部的去尘罩3将岩屑去除。

传动机构设置在连接杆14内部，包括设置在转轴16上的齿轮和转子叶片 15上的齿轮和与齿轮啮合连接的齿条。转子叶片15由至少三片叶片组成，通 内置齿轮连接传动齿条传递扭矩。

如图8所示，透光组件包括圆盘透镜5，圆盘透镜5的中心穿设在转轴16 上能跟随转轴16一起转动，且圆盘透镜5的部分弧段伸出透光孔4，也就是说 圆盘透镜5少于半圆部分外露于透光孔4将透光孔4堵住，混合装置6导出的 激光经圆盘透镜5的端面部分进入从另一侧端面部分透出。

如图4、图5和图6所示，混合装置6包括壳体、和依次从上向下设置在 壳体内的方形轴承座10、分束器和透光片12，壳体下端通过螺钉7固定在麻花 钻头体1内，分束器放置在壳体内的安放室13内，透光片12固定在分束器出 光侧，激光组件放置在方形轴承座10上方形凹槽11内，方形轴承座10转动设 置在壳体内，如图9所示，壳体下部相对的两侧分别设置有出光口18，分束器 将垂直入射的激光分成两组倾斜的光束通过出光口18射出，透光组件位于两个 出光口18外侧。

具体的，分束器为可将一束激光在某一平面上分成多束向不同角度传播的 光束的一维激光分束元件。再此需要说明的是，分束器采用现有技术产品实现。

混合装置6顶部设置有用于防止灰尘进入的密封件。

进一步的，密封件为盖设在方形轴承座10的滚珠8上方的塑胶圈9。

本发明的自扫激光麻花钻头作为激光-机械联合破岩的工作原理：

麻花钻头体1在动力钻具作用下旋转，切削刃周期性的作用在井底岩石， 激光组件轴向固定在混合装置6上，激光经过混合装置6再经过圆盘透镜5周 期性的作用在岩石上。两种不同的破岩作用周期性的交替作用在岩石上，提高 了钻进效率。

当进行钻进作业时，放置在混合装置6中的激光分束器将激光头发出的一 束激光束整形成多束夹角相等的光束，光束通过圆盘透镜5作用在岩石上。激 光降低岩石的硬度，提高岩石的可钻性。

当进行钻井作业时，切削刃将岩石碎屑剥离井底岩层，露出新鲜岩石表面 同时产生岩石碎裂区。配合螺旋线形结构设计的导屑槽将岩石碎屑向上运移排 出。

当进行钻井作业时，从导屑槽运移向上的碎屑会带动转子叶片15转动，通 过连接杆14间接带动圆盘透镜5转动。圆盘透镜5发生绕中心轴旋转时，外置 的去尘罩3会清扫掉透镜上覆盖的碎屑，保证激光通过透光镜的光路始终畅通。

本发明相较传统激光辅助破岩技术，可加快破岩速度，切削刃和激光周期 性作用下，岩石始终处于碎裂状态，激光能量利用效率更高；通过切削刃不断 产生新的碎裂区，可以一直保持很高的激光照射效率，这个过程不断重复，实 现了井底激光辅助机械高效破岩；

本发明相较传统麻花钻头，可减缓切削刃磨损，在激光作用后，岩石的可 钻性提高，更易破碎，切削刃更多的是参与剥离井底岩屑，这增加了切削刃的 使用寿命，增大了单趟钻的进尺，提高了钻井生产效率；

本发明克服了激光辅助破岩中清理岩屑的难题，激光破坏岩石结构，利用 切削刃剥离井底岩屑，螺旋线型导屑槽将岩屑带离井底，自扫装置保证光路畅 通，激光能够始终照射在新鲜岩石表面。除此之外，还提高了激光利用效率， 延缓了钻头磨损。

这里首先需要说明的是，“向内”是朝向容置空间中央的方向，“向外” 是远离容置空间中央的方向。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、 “长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、 “右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、 “逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于 附图1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，而不是 指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗 示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、 “第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中， “多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连 接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆 卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也 可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作 用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具 体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上” 或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间 接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一 特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。 第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特 征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示 例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述 的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。 在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。 而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示 例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可 以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结 合和组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到 变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应 以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种自扫激光麻花钻头，其特征在于，包括麻花钻头体、自扫装置、混合装置、激光组件和透光组件；所述激光组件设置在所述混合装置内；所述混合装置设置在所述麻花钻头体内，用于对所述激光组件发出的激光束进行分组导向；所述透光组件设置在所述麻花钻头体的透光孔上，用于激光透过；所述自扫装置与所述透光组件连接用以对所述透光组件进行清扫；所述自扫装置为无外动力输入型自扫装置。

2.根据权利要求1所述的自扫激光麻花钻头，其特征在于，所述透光组件的数量为两套，相对设置在所述麻花钻头体的螺旋槽内，所述自扫装置数量为两套，与两套所述透光组件一一对应设置。

3.根据权利要求2所述的自扫激光麻花钻头，其特征在于，每套所述自扫装置均包括转子叶片、连接杆、传动机构和去尘罩；所述连接杆设置在所述麻花钻头体内，一端伸出所述麻花钻头体延伸到螺旋槽内且通过齿轮与所述转子叶片转动连接，另一端通过齿轮和转轴与所述透光组件转动连接，所述传动机构分别与所述转子叶片和所述透光组件连接，所述去尘罩罩设在所述透光组件伸出所述透光孔部位外侧，且所述去尘罩上对应于所述透光组件的激光射出位置开设有窗口。

4.根据权利要求3所述的自扫激光麻花钻头，其特征在于，所述去尘罩形状与规格与所述透光组件伸出所述透光孔部分的形状与规格相同。

5.根据权利要求3所述的自扫激光麻花钻头，其特征在于，所述传动机构设置在所述连接杆内部，包括设置在所述转子叶片上的齿轮和所述转轴上的齿轮和与所述齿轮啮合连接的齿条。

6.根据权利要求3所述的自扫激光麻花钻头，其特征在于，所述透光组件包括圆盘透镜，所述圆盘透镜的中心穿设在所述转轴上，且其部分弧段伸出所述透光孔，所述混合装置导出的激光经所述圆盘透镜的端面部分进入从另一侧端面部分透出。

7.根据权利要求6所述的自扫激光麻花钻头，其特征在于，所述混合装置包括壳体、和依次从上向下设置在所述壳体内的方形轴承座、分束器和透光片，所述壳体下端通过螺钉固定在所述麻花钻头体内，所述分束器放置在所述壳体内的安放室内，所述透光片固定在所述分束器出光侧，所述激光组件通过所述方形轴承座转动设置在所述壳体内，所述壳体下部相对的两侧分别设置有出光口，所述分束器将垂直入射的激光分成两组倾斜的光束通过所述出光口射出，所述透光组件位于两个所述出光口外侧。

8.根据权利要求7所述的自扫激光麻花钻头，其特征在于，所述分束器为可将一束激光在某一平面上分成多束向不同角度传播的光束的一维激光分束元件。

9.根据权利要求7所述的自扫激光麻花钻头，其特征在于，所述混合装置顶部设置有用于防止灰尘进入的密封件。

10.根据权利要求8所述的自扫激光麻花钻头，其特征在于，所述密封件为盖设在所述方形轴承座的滚珠上方的塑胶圈。

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