CN112282664A - 多自由度微钻试验台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多自由度微钻试验台，包括：机架；可进行竖向移动、横向移动和角度调节的位置调节机构，连接于机架；安装于位置调节机构的钻机机构；设于机架底部的岩样箱，正对于钻机机构的下方设置；设于机架底部且连通于岩样箱的泥浆池，泥浆池连接有泥浆泵，泥浆泵和钻机机构的上端连通。本发明解决现有技术中微钻实验台无法根据岩样和钻具的相对位置以及钻进需求进行调节，难以满足实验要求的问题。

Description

多自由度微钻试验台

技术领域

本发明涉及钻探领域，尤指一种多自由度微钻试验台。

背景技术

近年来我国盾构施工技术的不断普及，和深度资源的勘察与开发，对钻进深度的要求越来越深，勘察的经济成本也越来越高，而钻头的强度与稳定性、岩石的可钻性与研磨性都直接决定了勘察的经济成本。长期以来，钻头时效、寿命、磨损与岩石可钻性、研磨性等参数都是根据钻探作业现场实际钻头的使用磨损数据来总结归纳。从而获得岩石性质和改进施工工艺。但野外作业条件复杂，环境因素影响大，人为操作的随机性都使得现场取得的数据不能完全说明问题。而目前常用的钻探设备都相对笨重，体积较大，不易运输。

中国地质大学(北京)的地质超深钻探国家专业实验室设计了MDES2000型微钻进实验台。实验台机构主要包括:回转机构、给进机构、平台移动机构、泥浆循环系统、数据测量传感元件。在工作过程中，该微钻试验台可以完成实时钻进参数的采集和监测功能并可以通过计算机进行处理和存储，还可自动或手动控制完成钻探任务。

中国地质大学(武汉)在2001年研制的微钻实验台由主机、泵站、操纵台三大件分体设计，同时拥有钻压传感器、转速传感器、泥浆流量计、钻速传感器和扭矩传感器等数据采集装置。

但是，上述的微钻实验台无法根据岩样和钻具的相对位置以及钻进需求进行调节，难以满足实验要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种多自由度微钻试验台，解决现有技术中微钻实验台无法根据岩样和钻具的相对位置以及钻进需求进行调节，难以满足实验要求的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供一种多自由度微钻试验台，包括：

机架；

可进行竖向移动、横向移动和角度调节的位置调节机构，连接于所述机架；

安装于所述位置调节机构的钻机机构；

设于所述机架底部的岩样箱，正对于所述钻机机构的下方设置；以及

设于所述机架底部且连通于所述岩样箱的泥浆池，所述泥浆池连接有泥浆泵，所述泥浆泵和所述钻机机构的上端连通。

本发明多自由度微钻试验台的进一步改进在于，所述位置调节机构包括：

设于所述机架的驱动机构；

竖向设于所述机架的竖轨；

滑设于所述竖轨的横轨；

滑设于所述横轨的滑块，所述滑块和所述驱动机构驱动连接；

固定于所述滑块的角度调节板，开设有半圆形轨，所述钻机机构连接于所述角度调节板且可沿着所述半圆形轨调节角度。

本发明多自由度微钻试验台的进一步改进在于，

所述竖轨有两个，两个所述竖轨竖向并排设置于所述机架；

所述横轨横向滑设于两个所述竖轨。

本发明多自由度微钻试验台的进一步改进在于，所述驱动机构包括：

设于所述机架的伺服电机；

安装于所述伺服电机的位置编码器，通过矢量控制且搭配伺服电机控制器实现调节定位。

本发明多自由度微钻试验台的进一步改进在于，所述钻机机构包括：

安装于所述位置调节机构的安装板；

固定于所述安装板的钻机电机；

通过联轴器竖向驱动连接于所述钻机电机的钻杆和连接于所述钻杆的钻头。

本发明多自由度微钻试验台的进一步改进在于，所述安装板形成有凸块，所述安装板贴设于所述角度调节板，且所述凸块插设于所述半圆形轨，通过调节所述凸块沿着所述半圆形轨移动从而调节所述安装板的角度，通过螺栓穿设所述安装板和所述角度调节板进行固定。

本发明多自由度微钻试验台的进一步改进在于，所述钻杆和所述安装板之间安装有推力球轴承。

本发明多自由度微钻试验台的进一步改进在于，

所述钻杆套设有主轴；

所述主轴的顶部固定有连通于所述主轴的套管，所述套管通过软管连通所述泥浆泵，通过所述泥浆泵将所述泥浆池的冷却水向上泵送到所述套管内并流入所述主轴内以冷却所述钻杆。

本发明多自由度微钻试验台的进一步改进在于，还包括：

固定于所述岩样箱的相邻两侧壁的两个螺母；

分别水平穿设于对应的螺母且相互垂直的两个螺杆，两个所述螺杆顶撑于设于所述岩样箱内的岩样的相邻两侧壁，实现限位所述岩样。

本发明多自由度微钻试验台的有益效果：

本发明通过在机架上设置位置调节机构，将钻机机构安装于位置调节机构，通过位置调节机构进行竖向移动、横向移动和角度调节钻机机构的位置，满足钻机机构和岩样的相对位置的钻进要求。本发明解决现有技术中微钻实验台无法根据岩样和钻具的相对位置以及钻进需求进行调节，难以满足实验要求的问题。

附图说明

图1为本发明多自由度微钻试验台的主视图。

图2为本发明多自由度微钻试验台的侧视图。

图3为本发明多自由度微钻试验台的岩样箱和泥浆池平面视图。

图4为本发明多自由度微钻试验台的位置调节机构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参阅图1，显示了本发明多自由度微钻试验台的主视图。图2为本发明多自由度微钻试验台的侧视图。图3为本发明多自由度微钻试验台的岩样箱和泥浆池平面视图。结合图1至图3所示，本发明多自由度微钻试验台包括：

机架10；

可进行竖向移动、横向移动和角度调节的位置调节机构20，连接于机架10；

安装于位置调节机构20的钻机机构30；

设于机架10底部的岩样箱40，正对于钻机机构30的下方设置；以及

设于机架10底部且连通于岩样箱40的泥浆池50，泥浆池50连接有泥浆泵，泥浆泵和钻机机构30的上端连通。

作为本发明多自由度微钻试验台的一较佳实施方式，参阅图4为本发明多自由度微钻试验台的位置调节机构的示意图。结合图4所示，位置调节机构20包括：设于机架10的驱动机构21；

竖向设于机架10的竖轨22；滑设于竖轨22的横轨23；滑设于横轨23的滑块24，滑块24和驱动机构21驱动连接；固定于滑块24的角度调节板25，开设有半圆形轨，钻机机构30连接于角度调节板25且可沿着半圆形轨调节角度。

具体地，驱动机构21包括伺服电机和驱动连接于伺服电机的丝杠210。位置调节机构20用于调节驱动钻机机构30进行移动调节，主要功能是为钻进过程提供钻压，钻进结束后提升钻机机构30。

作为本发明多自由度微钻试验台的一较佳实施方式，竖轨22有两个，两个竖轨22竖向并排设置于机架10；横轨23横向滑设于两个竖轨22。

由于试验台需要实现斜向钻进，所以设置两组竖轨22负责竖直方向上的分运动。一组横轨23负责水平方向上的分运动。

作为本发明多自由度微钻试验台的一较佳实施方式，驱动机构21包括：设于机架10的伺服电机；安装于伺服电机的位置编码器，通过矢量控制且搭配伺服电机控制器实现调节定位。

具体地，伺服电机安装位置编码器，采用矢量控制，搭配CM40L伺服电机控制器，可实现恒速给进，无极调速以及正反转，从而升降机可实现钻机机构30的提升和下降功能。

作为本发明多自由度微钻试验台的一较佳实施方式，钻机机构30包括：安装于位置调节机构20的安装板31；固定于安装31板的钻机电机32；通过联轴器竖向驱动连接于钻机电机32的钻杆33和连接于钻杆33的钻头。

具体地，钻机电机32采用180系列伺服电机，采用HJ4L智能运动控制器控制转速的无极调控，通过联轴器将电机动力传给主轴。

作为本发明多自由度微钻试验台的一较佳实施方式，安装板31形成有凸块，安装板31贴设于角度调节板25，且凸块插设于半圆形轨，通过调节凸块沿着半圆形轨移动从而调节安装板31的角度，通过螺栓穿设安装板31和角度调节板25进行固定。通过角度调节板25和安装板31可实现钻头在竖直方向上45°至90°之间无极调节钻进。

具体地，在钻进开始前，可完成定位和确定钻进角度，调节横轨23和滑块24，旋转安装板31并拧紧固定螺栓来确定钻进角度。确保钻头钻入岩样的过程中不会出现偏差。

作为本发明多自由度微钻试验台的一较佳实施方式，钻杆33和安装板31之间安装有推力球轴承。通过推力球轴承将载荷传递给连接板，从而避免钻机电机32因受到轴向压力而损坏。整体结构设计简单紧凑，便于调整。

作为本发明多自由度微钻试验台的一较佳实施方式，钻杆33套设有主轴；主轴的顶部固定有连通于主轴的套管34，套管34通过软管连通泥浆泵，通过泥浆泵将泥浆池50的冷却水向上泵出，流经软管到达套管34，再由套管和主轴的水口流入钻杆内部，以冷却钻杆33。

在钻头钻进岩样的过程中，通过泥浆泵将泥浆池的冷却水泵出，流经软管到达套管34，再由套管和主轴的水口流入钻杆内部，流经钻头并进行冷却，同时携带出钻进过程中产生的岩屑。

进一步地，岩样箱40和泥浆池50存在高度差，冷却水沿着钻杆流入岩样箱40，接着从岩样箱40的泥浆槽流入泥浆池50进行沉淀，之后继续进行循环使用。

作为本发明多自由度微钻试验台的一较佳实施方式，本发明还包括：固定于岩样箱40的相邻两侧壁的两个螺母41；分别水平穿设于对应的螺母41且相互垂直的两个螺杆42，两个螺杆42顶撑于设于岩样箱40内的岩样的相邻两侧壁，实现限位岩样60。

在实际取样时岩样的形状存在很大的随机性，在进行钻进模拟时需要对岩样进行有效固定，防止在钻进过程中产生移动而损坏机具。一方面固定方式要便于操作，方式灵活，结构可靠，另一方面还要保证岩样能够得到最大的有效钻进体积。采用两个螺杆42在两个方向上对岩样60进行约束。螺杆42的尺寸可根据岩样尺寸进行更换。

具体地，机架10为横杆和竖杆交叉固定成的长方体框架结构。横杆和竖杆采用3030铝型材制成。各个机构可自由拆解，便于运输。工作时只需装配好并拧紧定位螺丝即可。

本发明多自由度微钻试验台的有益效果为：

本发明通过在机架上设置位置调节机构，将钻机机构安装于位置调节机构，通过位置调节机构进行竖向移动、横向移动和角度调节钻机机构的位置，满足钻机机构和岩样的相对位置的钻进要求。本发明解决现有技术中微钻实验台无法根据岩样和钻具的相对位置以及钻进需求进行调节，难以满足实验要求的问题。

本发明的钻机机构的位置可控，能够在实验室内确保相同岩样条件、钻进参数、钻头结构下进行模拟试验，根据模拟钻进过程中获得的监测数据对岩样特性进行分析，可提高空间和资源的利用率，在一定程度上提升施工效率，进一步指导实际钻进的相关改进措施。还可使用微钻试验台划分岩石可钻性，既与实际钻进破岩机理有着一致性，又避免了人为和环境因素的影响，为岩石可钻性从硬件上提供了简单的分级方法，测得可钻性等级比较准确可靠

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多自由度微钻试验台，其特征在于，包括：

机架；

可进行竖向移动、横向移动和角度调节的位置调节机构，连接于所述机架；

安装于所述位置调节机构的钻机机构；

设于所述机架底部的岩样箱，正对于所述钻机机构的下方设置；以及

设于所述机架底部且连通于所述岩样箱的泥浆池，所述泥浆池连接有泥浆泵，所述泥浆泵和所述钻机机构的上端连通。

2.如权利要求1所述的多自由度微钻试验台，其特征在于，所述位置调节机构包括：

设于所述机架的驱动机构；

竖向设于所述机架的竖轨；

滑设于所述竖轨的横轨；

滑设于所述横轨的滑块，所述滑块和所述驱动机构驱动连接；

固定于所述滑块的角度调节板，开设有半圆形轨，所述钻机机构连接于所述角度调节板且可沿着所述半圆形轨调节角度。

3.如权利要求2所述的多自由度微钻试验台，其特征在于，

所述竖轨有两个，两个所述竖轨竖向并排设置于所述机架；

所述横轨横向滑设于两个所述竖轨。

4.如权利要求2所述的多自由度微钻试验台，其特征在于，所述驱动机构包括：

设于所述机架的伺服电机；

安装于所述伺服电机的位置编码器，通过矢量控制且搭配伺服电机控制器实现调节定位。

5.如权利要求2所述的多自由度微钻试验台，其特征在于，所述钻机机构包括：

安装于所述位置调节机构的安装板；

固定于所述安装板的钻机电机；

通过联轴器竖向驱动连接于所述钻机电机的钻杆和连接于所述钻杆的钻头。

6.如权利要求5所述的多自由度微钻试验台，其特征在于，所述安装板形成有凸块，所述安装板贴设于所述角度调节板，且所述凸块插设于所述半圆形轨，通过调节所述凸块沿着所述半圆形轨移动从而调节所述安装板的角度，通过螺栓穿设所述安装板和所述角度调节板进行固定。

7.如权利要求5所述的多自由度微钻试验台，其特征在于，所述钻杆和所述安装板之间安装有推力球轴承。

8.如权利要求5所述的多自由度微钻试验台，其特征在于，

所述钻杆套设有主轴；

所述主轴的顶部固定有连通于所述主轴的套管，所述套管通过软管连通所述泥浆泵，通过所述泥浆泵将所述泥浆池的冷却水向上泵送到所述套管内并流入所述主轴内以冷却所述钻杆。

9.如权利要求1所述的多自由度微钻试验台，其特征在于，还包括：

固定于所述岩样箱的相邻两侧壁的两个螺母；

分别水平穿设于对应的螺母且相互垂直的两个螺杆，两个所述螺杆顶撑于设于所述岩样箱内的岩样的相邻两侧壁，实现限位所述岩样。

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