CN114459940B - 一种旋转刮切单齿实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转刮切单齿实验装置，所述的旋转刮切单齿实验装置包括轴向进给机构、伸缩机构、角度调整机构和岩石回转机构，所述角度调整机构上安装有PDC单齿，角度调整机构用来调节PDC单齿的角度，轴向进给机构驱动PDC单齿的轴向运动，伸缩机构驱动PDC单齿的径向运动，所述岩石回转机构包括岩石夹具和旋转组件，所述旋转组件驱动所述岩石夹具转动。所述的控制系统包括PLC控制器，所述轴向进给机构、伸缩机构和岩石回转机构中的动力驱动部件均与所述PLC控制器相关联。所述的旋转刮切单齿实验装置能够测量出不同参数对PDC单齿破岩的影响，而且角度的调整精度极高，另外结构简单，使用方便。

Description

一种旋转刮切单齿实验装置

技术领域

本发明涉及一种旋转刮切单齿实验装置，属于油气开发模拟钻井实验技术领域。

背景技术

石油、天然气的开采十分不容易，石油、天然气主要储存在地底，要开采石油、天然气，必须依靠钻井系统。钻头是钻井系统的基本组成部分，而钻头上的钻齿则是钻头的基本组成部分，大多数的钻井作业都是通过钻头从地面钻取井眼至石油、天然气储存处，这一过程，最困难的一步就是如何破坏钻井路径上的岩石。在地底，有些岩石硬度很高，比如硅质岩，达到硬度7，若钻井时遇到此类岩石，钻头极易磨损，甚至断裂，其他硬度的岩石也会对钻头造成不同程度的磨损，这会大大降低钻井效率，提高钻井成本，并且这种磨损是我们现在无法避免的。

现有技术中，目前所出现的单齿破岩装置，都在各自的领域内具有较好的表现，但是，也仅仅是只针对于其具体研究的方向，现有的单齿破岩实验装置对PDC钻头的实际工作状态还原也不是很充分，极易因一些微小参数的变化影响实验结果，目前还没有一款单齿破岩装置能支持所有的单齿在不同钻井参数下的破岩实验，并且现有的单齿破岩实验装置结构较为复杂，操作繁琐，且成本较高。

发明内容

本发明针对现有技术存在单齿破岩装置不能支持所有的单齿在不同钻井参数下的破岩实验，以及实验装置结构较为复杂，操作繁琐，且成本较高的技术问题。提供一种旋转刮切单齿实验装置及控制系统，所述的旋转刮切单齿实验装置能够测量出不同的切削速度，不同切削深度，不同切削角度等破岩参数对PDC单齿破岩的影响，角度的调整精度极高，而且结构简单，使用方便。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种旋转刮切单齿实验装置，所述的旋转刮切单齿实验装置包括轴向进给机构、伸缩机构、角度调整机构和岩石回转机构，所述角度调整机构上安装有PDC单齿，所述角度调整机构用来调节PDC单齿的角度，所述轴向进给机构驱动所述PDC单齿的轴向运动，所述伸缩机构驱动所述PDC单齿的径向运动，所述岩石回转机构包括岩石夹具和旋转组件，所述旋转组件驱动所述岩石夹具转动。

本发明的有益效果是：将待切削的岩石使用所述的岩石夹具固定，旋转组件带动岩石转动的情况下，PDC单齿实现对岩石的切削，旋转组件的转速控制实现了对PDC单齿的切削速度控制，轴向进给机构用于调节并控制PDC单齿的切削深度，角度调整机构用于调节并控制PDC单齿的刮切角度，从而便于实验室中收集不同的切削速度、不同切削深度、不同切削角度等破岩参数对PDC单齿破岩的影响数据，方便科研的进展；通过旋转岩石来实现回转刮切，增强了整个装置在切削岩石时的稳定性，能够测得较为准确地实验数据。另外，伸缩机构的设置，便于调节并控制PDC单齿的刮切半径，实现一岩多用的目的，大大降低实验成本，简化实验工序。而且结构简单，使用方便。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步的，所述的角度调整机构包括前倾角度调整组件和侧倾角度调整组件，所述前倾角度调整组件和侧倾角度调整组件均通过蜗轮蜗杆啮合结构实现角度的调整。

采用上述进一步方案的有益效果是：前倾角度调整组件和侧倾角度调整组件的设置，可以实现PDC单齿在不同角度的调整，从而便于实验室中对不同切削角度研究的实验开展。

进一步的，所述的前倾角度调整组件包括伸缩臂、一级蜗轮和一级蜗杆，所述侧倾角度调整组件包括偏转臂、二级蜗轮和二级蜗杆；

所述伸缩臂上转动安装所述一级蜗杆，所述一级蜗轮和一级蜗杆互相啮合，所述一级蜗轮与所述偏转臂固定连接，所述一级蜗轮与所述偏转臂同步转动；所述偏转臂上转动安装所述二级蜗杆，所述二级蜗轮和二级蜗杆互相啮合，所述二级蜗轮与PDC单齿固定连接，所述二级蜗轮与所述PDC单齿同步转动。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用蜗轮蜗杆的形式可精确调整PDC单齿切入岩石的前倾角度和侧倾角度，精度可达1°。

进一步的，所述一级蜗杆的导程角小于一级蜗轮和一级蜗杆接触的摩擦角；所述二级蜗杆的导程角小于二级蜗轮和二级蜗杆接触的摩擦角。

采用上述进一步方案的有益效果是：蜗轮蜗杆可以实现机械自锁，即蜗杆可以带动蜗轮转动，蜗轮不能带动蜗杆转动，蜗轮蜗杆之间存在间隙，所以PDC单齿旋转刮切时，可以使蜗轮蜗杆在一个面上的始终接触。

进一步的，所述偏转臂上设有一级轴杆，所述一级轴杆中部与所述伸缩臂转动安装，所述一级轴杆与所述一级蜗轮通过轴向插接安装，所述一级轴杆的端部安装有固定螺母；

所述二级蜗轮与PDC单齿通过二级轴杆固定连接，所述二级轴杆的一端固定安装所述PDC单齿，所述二级轴杆的中部穿过所述偏转臂，所述二级轴杆的中部与所述偏转臂转动安装，所述二级轴杆与所述二级蜗轮通过轴向插接安装，所述二级轴杆的端部安装有固定螺母。

采用上述进一步方案的有益效果是：可以通过固定螺母将蜗轮二次固定，有效的避免了蜗轮在工作时因为间隙而出现角度的偏差，从而影响实验结果。

进一步的，所述的轴向进给机构包括轴向驱动部件和滑动组件，所述滑动组件包括固定部和滑动部，所述轴向驱动部件驱动所述滑动部在固定部上滑动，所述滑动部固定安装所述伸缩机构。

所述轴向驱动部件为液压缸、气缸、伺服电缸或直线电机，但不局限与这几种；所述伸缩机构为液压缸、气缸、伺服电缸或直线电机，但不局限与这几种。

采用上述进一步方案的有益效果是：轴向驱动部件和滑动组件的设置，可以确保PDC单齿能够在轴向上直线运动，避免运动轨迹出现偏移。

进一步的，所述滑动组件的固定部为支撑光轴，所述支撑光轴的下端固定安装在台架上，所述支撑光轴上固定安装有顶板，所述顶板上固定安装所述轴向驱动部件，所述滑动部通过直线轴承与所述支撑光轴滑动安装，所述轴向驱动部件驱动所述滑动部沿轴向运动。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过直线轴承的导向功能使PDC单齿在进行轴向进给的时候不会出现偏心现象，同时直线轴承可承受大径向载荷，如果周强驱动部件采用液压缸，可以有效避免了液压缸因承受径向载荷而出现泄露，活塞杆弯曲等破坏。

进一步的，所述的岩石夹具包括中心齿轮、若干齿条基座和若干夹爪，所述夹爪通过齿条基座与所述中心齿轮配合安装，所述齿条基座上啮合安装有丝杠，所述丝杠的转动带动所述夹爪在通过中心齿轮圆心的直线上运动。

采用上述进一步方案的有益效果是：岩石夹具的结构设置可以使圆形岩石能够实现自定心，始终保持岩石中心与切削中心重合，有效避免了因安装误差导致PDC单齿切削岩石时，造成局部切削深度和切削面积不同，从而影响实验结果。

进一步的，所述齿条基座的侧面设有直齿条，所述直齿条与所述中心齿轮互相啮合，所述齿条基座的上端面设有斜齿条，所述夹爪的下端面与所述斜齿条互相啮合。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过旋转丝杠，实现夹爪对岩石的夹紧或放松，当岩石夹具需要夹紧时，通过旋转丝杠，丝杠带动齿条基座向丝杠有较长空余量的一端移动；直齿条带动中心齿轮旋转，中心齿轮带动其他齿条基座做同步运动，夹爪在斜齿条的作用下，所有的夹爪同时向岩石夹具中心移动，达到岩石自定心并最终夹紧岩石目的。

进一步的，所述的旋转组件包括旋转驱动部件、主动齿轮和从动齿轮，所述旋转驱动部件带动所述主动齿轮转动，所述主动齿轮与所述从动齿轮互相啮合，所述从动齿轮的上端固定安装所述岩石夹具。所述旋转驱动部件为伺服电动机，但不局限于这一种电机。

采用上述进一步方案的有益效果是：旋转组件的结构设置简单，安装方便，而且可以实现对岩石夹具的稳定旋转。

进一步的，所述从动齿轮上固定安装有固定盘，所述固定盘上设有卡槽罩，所述中心齿轮、齿条基座和夹爪均置于所述卡槽罩内，至少一根所述丝杠的端部伸出所述卡槽罩。

采用上述进一步方案的有益效果是：所述卡槽罩的设置便于中心齿轮、齿条基座和夹爪的安装，而且中心齿轮、齿条基座安装在卡槽罩内，可以避免碎渣对中心齿轮、齿条基座和夹爪之间的啮合传动产生影响。另外，至少一根所述丝杠的端部伸出卡槽罩，更利于实验人员对丝杠的旋转操作。

本发明还公开了所述旋转刮切单齿实验装置的控制系统，所述的控制系统包括PLC控制器，所述轴向进给机构、伸缩机构和岩石回转机构中的动力驱动部件均与所述PLC控制器相关联。

PLC控制器（可编辑逻辑控制器）是旋转刮切单齿实验装置的主要控制系统，PLC控制器采用大规模集成电路技术，内部的电路采取了先进的抗干扰技术，同时，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息，极大的增强了整个控制系统的可靠性。PLC具有强大的控制功能，可应用于位置，温度，CNC等工业控制领域，PLC用存储逻辑的方式代替了传统的接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大大缩短，同时也极易维护，实用性极强。

通过PLC控制器来控制各个动力驱动部件的速度信号、位置信号、启闭信号等，从而精准控制所述旋转刮切单齿实验装置的运行状况，便于研发人员采集到更加精准的实验数据。

附图说明

图1为实施例中所述旋转刮切单齿实验装置的立体结构示意图；

图2为实施例中所述轴向进给机构的立体结构示意图；

图3为实施例中所述角度调整机构的立体结构示意图；

图4为实施例中所述角度调整机构另一角度的立体结构示意图；

图5为实施例中所述一级蜗轮的结构示意图；

图6为实施例中所述伸缩臂的结构示意图；

图7为实施例中所述一级轴杆的结构示意图；

图8为实施例中所述二级轴杆的结构示意图；

图9为实施例中所述岩石回转机构的立体结构示意图；

图10为实施例中所述岩石夹具的内部结构示意图；

图11为实施例中所述中心齿轮、齿条基座和夹爪之间配合关系的示意图；

图中，1伸缩臂、2一级蜗轮、3一级蜗杆、4偏转臂、5二级蜗轮、6二级蜗杆、7 PDC单齿、8固定螺母、9插槽，10插轨，11一级轴杆、12二级轴杆、13回转臂、14滑动部、15支撑光轴、16台架、17顶板、18液压缸、19柱塞泵、20伺服电缸、21中心齿轮、22齿条基座、23夹爪、24丝杠、25直齿条、26斜齿条、27主动齿轮、28从动齿轮、29伺服电动机、30固定盘、31卡槽罩。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

如图1所示，一种旋转刮切单齿实验装置，所述的旋转刮切单齿实验装置包括轴向进给机构、伸缩机构、角度调整机构和岩石回转机构，所述角度调整机构上安装有PDC单齿7，所述角度调整机构用来调节PDC单齿7的角度，所述轴向进给机构驱动所述PDC单齿7的轴向运动，所述伸缩机构驱动所述PDC单齿7的径向运动，所述岩石回转机构包括岩石夹具和旋转组件，所述旋转组件驱动所述岩石夹具转动。

具体的，如图3-图4所示，所述的角度调整机构包括前倾角度调整组件和侧倾角度调整组件，所述前倾角度调整组件和侧倾角度调整组件均通过蜗轮蜗杆啮合结构实现角度的调整。通过旋转蜗轮蜗杆调整装置可精确调整PDC单齿7切入岩石的前倾角度和侧倾角度，精度可达1°。

具体的，所述的前倾角度调整组件包括伸缩臂1、一级蜗轮2和一级蜗杆3，所述侧倾角度调整组件包括偏转臂4、二级蜗轮5和二级蜗杆6；

所述伸缩臂1上转动安装所述一级蜗杆3，所述一级蜗杆3的蜗杆轴与所述伸缩臂1之间通过角接触轴承实现转动安装，所述一级蜗轮2和一级蜗杆3互相啮合，所述一级蜗轮2与所述偏转臂4固定连接，所述一级蜗轮2与所述偏转臂4同步转动；

所述偏转臂4上转动安装所述二级蜗杆6，所述二级蜗杆6的蜗杆轴与所述偏转臂4之间通过角接触轴承实现转动安装，所述二级蜗轮5和二级蜗杆6互相啮合，所述二级蜗轮5与PDC单齿7固定连接，所述二级蜗轮5与所述PDC单齿7同步转动，所述一级蜗杆3和二级蜗杆6的蜗杆轴均向外伸出一截，便于实验人员对一级蜗杆3和二级蜗杆6的转动操作，从而使PDC单齿7的角度调节更加便利。

具体的，一级蜗杆3和二级蜗杆6的蜗杆轴端部均设有螺纹，当一级蜗杆3和二级蜗杆6的旋转位置确定后，在蜗杆轴的端部螺接上螺母，可以实现辅助固定，避免PDC单齿7角度发生变化。螺纹线的方向与装置回转刮削的方向相反，避免刮削过程中螺母发生松动。

具体的，所述一级蜗杆3的导程角小于一级蜗轮2和一级蜗杆3接触的摩擦角；所述二级蜗杆6的导程角小于二级蜗轮5和二级蜗杆6接触的摩擦角。可以实现蜗轮蜗杆机械自锁，即蜗杆可以带动蜗轮转动，蜗轮不能带动蜗杆转动，蜗轮蜗杆之间存在间隙，所以PDC单齿7旋转刮切时，可以使蜗轮蜗杆在一个面上的始终接触。

具体的，如图5-图8所示，述偏转臂4上设有一级轴杆11，所述一级轴杆11中部与所述伸缩臂1转动安装，所述一级轴杆11与所述一级蜗轮2通过轴向插接安装，所述一级轴杆11的端部安装接有固定螺母8；所述一级蜗轮2的中间孔处设有四个均匀分布的插槽9，所述一级轴杆11的侧壁设有与插槽9相配合的插轨10，所述一级轴杆11和一级蜗轮2通过插槽9和插轨10实现插接安装，使一级轴杆11和一级蜗轮2之间不会发生相对转动，但是一级蜗轮2可以在一级轴杆11的轴向上滑动，从而可以通过拧紧固定螺母8将一级蜗轮2与伸缩臂1压紧，实现一级蜗轮2的二次固定，另外，一级轴杆11的中部无插轨10；伸缩臂1上设有通孔，通孔内也设有与一级蜗轮2位置相同的插轨10，便于整个一级轴杆11的直接穿过所述伸缩臂1的通孔，安装方便，而且不会影响一级轴杆11与伸缩臂1之间的相对转动；

所述二级蜗轮5与PDC单齿7通过二级轴杆12固定连接，所述二级轴杆12的一端固定安装所述PDC单齿7，所述二级轴杆12的中部穿过所述偏转臂4，所述二级轴杆12的中部与所述偏转臂4转动安装，所述二级轴杆12与所述二级蜗轮5通过轴向插接安装，所述二级轴杆12的端部安装有固定螺母8。所述二级蜗轮5的中间孔处设有四个均匀分布的插槽9，所述二级轴杆12的侧壁设有与插槽9相配合的插轨10，所述二级轴杆12和二级蜗轮5通过插槽9和插轨10实现插接安装，使二级轴杆12和二级蜗轮5之间不会发生相对转动，但是二级蜗轮5可以在二级轴杆12的轴向上滑动，从而可以通过拧紧固定螺母8将二级蜗轮5与偏转臂4压紧，实现二级蜗轮5的二次固定，避免PDC单齿7的角度发生变化，导致实验数据不准确。另外，二级轴杆12的中部无插轨10；偏转臂4上设有通孔，通孔内也设有与二级蜗轮5位置相同的插轨10，便于整个二级轴杆12的直接穿过所述偏转臂4的通孔，安装方便，而且不会影响二级轴杆12与偏转臂4之间的相对转动。一级轴杆11和二级轴杆12上的螺纹线的方向与装置回转刮削的方向相反，从而使刮削过程中，固定螺母8可以更加紧固，避免松动。

具体的，所述二级轴杆12的端部固定安装有回转臂13，所述PDC单齿7焊接在圆柱体上，所述圆柱体与所述回转臂13通过螺纹连接，螺纹线方向与装置回转刮削的方向相反，保证了PDC单齿7在刮削过程中与回转臂13的再次固定。

具体的，所述的轴向进给机构包括轴向驱动部件和滑动组件，所述滑动组件包括固定部和滑动部14，所述轴向驱动部件驱动所述滑动部14在固定部上滑动，所述滑动部14固定安装所述伸缩机构。

具体的，如图2所示，所述滑动组件的固定部为三根支撑光轴15，所述支撑光轴15的下端固定安装在台架16上，所述支撑光轴15上固定安装有顶板17，所述顶板17上固定安装所述轴向驱动部件，所述滑动部14通过直线轴承与所述支撑光轴15滑动安装，所述轴向驱动部件驱动所述滑动部14沿轴向运动。所述的台架16主要材料为16NiCr4合金钢，该材料具有较强的抗弯曲能力和抗压能力。

所述轴向驱动部件为液压缸18，所述液压缸18的缸筒外部焊接有带有三个螺纹孔的连接板，连接板通过螺栓连接固定于顶板17，所述液压缸18的活塞杆固定连接所述活动部，所述台架16内固定安装有柱塞泵19，所述柱塞泵19与所述液压缸18相连，通过控制柱塞泵19输出流量的大小，进而控制液压缸18的活塞杆推进速度，从而实现PDC单齿7轴向进给速度。

具体的，所述伸缩机构为伺服电缸20，所述伺服电缸20的缸体与所述滑动部14固定连接，所述伺服电缸20的伸缩杆通过螺纹与所述伸缩臂1固定连接，螺纹方向为顺时针方向，PDC单齿7在切削岩石时受到垂直向上的轴向力，轴向力方向与螺纹紧方向一致，可以保证PDC单齿7切削岩石时进一步固定伸缩臂1，避免伸缩臂1因螺纹连接松弛而影响实验结果；所述伺服电缸20推动伸缩臂1进行径向移动，从而增大PDC单齿7的刮切半径，可达到一岩多用的目的，大大降低实验成本，简单实验工序。

具体的，如图9-图11所示，所述的岩石夹具包括中心齿轮21、若干个齿条基座22和若干个夹爪23，所述夹爪23通过齿条基座22与所述中心齿轮21配合安装，各个齿条基座22在中心齿轮21的外周上均匀分布，每个齿条基座22上配合安装有所述的夹爪23，所述齿条基座22上啮合安装有丝杠24，所述丝杠24的转动带动所述夹爪23在通过中心齿轮21圆心的直线上运动。

具体的，所述齿条基座22的侧面设有直齿条25，所述直齿条25与所述中心齿轮21互相啮合，所述齿条基座22的上端面设有斜齿条26，所述夹爪23的下端面与所述斜齿条26互相啮合。

具体的，如图9所示，所述的旋转组件包括旋转驱动部件、主动齿轮27和从动齿轮28，所述旋转驱动部件带动所述主动齿轮27转动，所述主动齿轮27与所述从动齿轮28互相啮合，所述从动齿轮28的上端固定安装所述岩石夹具。所述旋转驱动部件为伺服电动机29，所述伺服电动机29固定安装在所述台架16内，所述主动齿轮27为小齿轮，所述从动齿轮28为大齿轮。

具体的，所述从动齿轮28上固定安装有固定盘30，所述固定盘30上设有卡槽罩31，所述中心齿轮21、齿条基座22和夹爪23均置于所述卡槽罩31内，至少一根所述丝杠24的端部伸出所述卡槽罩31。

具体的，所述旋转刮切单齿实验装置的控制系统，包括PLC控制器，所述轴向进给机构、伸缩机构和岩石回转机构中的动力驱动部件均与所述PLC控制器相关联。

具体的，所述的控制系统包括PLC控制器、电机控制系统和液压控制系统。

所述的PLC控制器是旋转刮切单齿实验装置的主要控制系统，PLC采用大规模集成电路技术，内部的电路采取了先进的抗干扰技术，同时，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息，极大的增强了整个控制系统的可靠性。PLC具有强大的控制功能，可应用于位置，温度，CNC等工业控制领域，PLC用存储逻辑的方式代替了传统的接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大大缩短，同时也极易维护，实用性极强。

所述的电机控制系统主要是通过PLC控制器对伺服电机进行调速控制，伺服电机调速主要是依靠频率，通过PLC控制器对伺服驱动器发送不同频率的脉冲信号，从而控制电机转速。伺服电机有三种控制模式，一种是转矩控制模式，一种是速度控制模式，还有一种是位置控制模式。

伺服电机转矩控制有两种控制方式，一种是直接给地址赋值，通过通讯方式改变其地址数值来设定伺服电机轴对外的输出转矩大小，另一种是通过输入外部模拟量，改变模拟量大小即可设定转矩大小。

伺服电机的速度控制模式，通过改变脉冲频率或者输入模拟量来进行伺服电机速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可进行定位，但是这样必须把伺服电机的位置信号反馈给上位机做运算。

位置控制模式，通过外部输入脉冲的频率来确定伺服电机转动速度的大小，通过输入脉冲的个数来确定电机轴转动的角度。

旋转刮切单齿实验装置共有三个伺服电机，即柱塞泵19、伺服电缸20和伺服电机，柱塞泵19的转速决定了液压缸18伸缩速率，因此，控制柱塞泵19的伺服电机选择速度控制模式，通过PLC控制器发送的脉冲频率对其进行调速；伺服电缸20精确控制着PDC单齿7的切削半径，对位置要求十分精确，因此，伺服电缸20处的伺服电机选择位置控制模式，通过PLC模拟量的输入或发送的脉冲频率进行控制。岩石夹具的转动速度与处伺服电机的转速有关，该伺服电机也采用速度控制模式，精确控制所述伺服电动机29转速大小。

所述的液压控制系统是通过柱塞泵19向液压缸18注入液压油，从而控制装置末端执行器的伸缩，达到切削岩石的目的。柱塞泵19与液压缸18之间连接有一个三位四通电磁换向阀，电磁阀的线圈处连接有PLC的开关量输出模块。当该输出模块的相对应点，存在电压输出时，电磁阀线圈得电，触点吸合，柱塞泵19将液压油注入到液压缸18的有杆腔，实验装置末端执行器，无电压输出，线圈失电，触点断开，柱塞泵19向液压缸18无杆腔注入液压油，实验装置末端执行器伸出，完成PDC单齿7的轴向进给和径向刮切。

使用方法：

将待刮切的岩石置于中心齿轮21上，手动旋转丝杠24，丝杠24带动齿条基座22向丝杠24有较长空余量的一端移动；直齿条25带动中心齿轮21旋转，中心齿轮21带动其他齿条基座22做同步运动，夹爪23在斜齿条26的作用下，所有的夹爪23同时向岩石夹具中心移动，实现岩石的自定心及夹紧固定；

手动旋转一级蜗杆3，以调整PDC单齿7的前倾角度，调整完毕后，拧紧一级蜗杆3端部蜗杆轴上的螺母，并拧紧一级轴杆11上的固定螺母8；然后手动旋转二级蜗杆6，以调整PDC单齿7的侧倾角度，调整完毕后，拧紧二级蜗杆6端部蜗杆轴上的螺母，并拧紧二级轴杆12上的固定螺母8，从而完成PDC单齿7角度的调整；

启动伺服电动机29，从而使固定在岩石夹具上的岩石开始进行旋转；启动液压缸18，推动PDC单齿7在轴向运动，从而使PDC单齿7接触到岩石，实现岩石的刮切，当需要调整刮切直径时，则启动伺服电缸20实现刮切直径的调整。整个过程中，均通过PLC控制器来控制进程，便于实验室中收集不同的切削速度、不同切削深度、不同切削角度等破岩参数对PDC单齿7破岩的影响数据，方便科研的进展。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种旋转刮切单齿实验装置，其特征在于，所述的旋转刮切单齿实验装置包括轴向进给机构、伸缩机构、角度调整机构和岩石回转机构，所述角度调整机构上安装有PDC单齿(7)，所述角度调整机构用来调节PDC单齿(7)的角度，所述轴向进给机构驱动所述PDC单齿(7)的轴向运动，所述伸缩机构驱动所述PDC单齿(7)的径向运动，所述岩石回转机构包括岩石夹具和旋转组件，所述旋转组件驱动所述岩石夹具转动；

所述的角度调整机构包括前倾角度调整组件和侧倾角度调整组件，所述前倾角度调整组件和侧倾角度调整组件均通过蜗轮蜗杆啮合结构实现角度的调整；

所述的前倾角度调整组件包括伸缩臂(1)、一级蜗轮(2)和一级蜗杆(3)，所述侧倾角度调整组件包括偏转臂(4)、二级蜗轮(5)和二级蜗杆(6)；

所述伸缩臂(1)上转动安装所述一级蜗杆(3)，所述一级蜗轮(2)和一级蜗杆(3)互相啮合，所述一级蜗轮(2)与所述偏转臂(4)固定连接，所述一级蜗轮(2)与所述偏转臂(4)同步转动；所述偏转臂(4)上转动安装所述二级蜗杆(6)，所述二级蜗轮(5)和二级蜗杆(6)互相啮合，所述二级蜗轮(5)与PDC单齿(7)固定连接，所述二级蜗轮(5)与所述PDC单齿(7)同步转动。

2.根据权利要求1所述的一种旋转刮切单齿实验装置，其特征在于，所述一级蜗杆(3)的导程角小于一级蜗轮(2)和一级蜗杆(3)接触的摩擦角；所述二级蜗杆(6)的导程角小于二级蜗轮(5)和二级蜗杆(6)接触的摩擦角。

3.根据权利要求1所述的一种旋转刮切单齿实验装置，其特征在于，所述偏转臂(4)上设有一级轴杆(11)，所述一级轴杆(11)中部与所述伸缩臂(1)转动安装，所述一级轴杆(11)与所述一级蜗轮(2)通过轴向插接安装，所述一级轴杆(11)的端部安装有固定螺母(8)；

所述二级蜗轮(5)与PDC单齿(7)通过二级轴杆(12)固定连接，所述二级轴杆(12)的一端固定安装所述PDC单齿(7)，所述二级轴杆(12)的中部穿过所述偏转臂(4)，所述二级轴杆(12)的中部与所述偏转臂(4)转动安装，所述二级轴杆(12)与所述二级蜗轮(5)通过轴向插接安装，所述二级轴杆(12)的端部安装有固定螺母(8)。

4.根据权利要求1所述的一种旋转刮切单齿实验装置，其特征在于，所述的轴向进给机构包括轴向驱动部件和滑动组件，所述滑动组件包括固定部和滑动部(14)，所述轴向驱动部件驱动所述滑动部(14)在固定部上滑动，所述滑动部(14)固定安装所述伸缩机构。

5.根据权利要求4所述的一种旋转刮切单齿实验装置，其特征在于，所述滑动组件的固定部为支撑光轴(15)，所述支撑光轴(15)的下端固定安装在台架(16)上，所述支撑光轴(15)上固定安装有顶板(17)，所述顶板(17)上固定安装所述轴向驱动部件，所述滑动部(14)通过直线轴承与所述支撑光轴(15)滑动安装，所述轴向驱动部件驱动所述滑动部(14)沿轴向运动。

6.根据权利要求1所述的一种旋转刮切单齿实验装置，其特征在于，所述的岩石夹具包括中心齿轮(21)、若干齿条基座(22)和若干夹爪(23)，所述夹爪(23)通过齿条基座(22)与所述中心齿轮(21)配合安装，所述齿条基座(22)上啮合安装有丝杠(24)，所述丝杠(24)的转动带动所述夹爪(23)在通过中心齿轮(21)圆心的直线上运动。

7.根据权利要求6所述的一种旋转刮切单齿实验装置，其特征在于，所述齿条基座(22)的侧面设有直齿条(25)，所述直齿条(25)与所述中心齿轮(21)互相啮合，所述齿条基座(22)的上端面设有斜齿条(26)，所述夹爪(23)的下端面与所述斜齿条(26)互相啮合；所述的旋转组件包括旋转驱动部件、主动齿轮(27)和从动齿轮(28)，所述旋转驱动部件带动所述主动齿轮(27)转动，所述主动齿轮(27)与所述从动齿轮(28)互相啮合，所述从动齿轮(28)的上端固定安装所述岩石夹具。

8.根据权利要求7所述的一种旋转刮切单齿实验装置，其特征在于，所述从动齿轮(28)上固定安装有固定盘(30)，所述固定盘(30)上设有卡槽罩(31)，所述中心齿轮(21)、齿条基座(22)和夹爪(23)均置于所述卡槽罩(31)内，至少一根所述丝杠(24)的端部伸出所述卡槽罩(31)。

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