[发明专利]振动辅助钻井模拟装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种振动辅助钻井模拟装置，适用于研究分别在低频大振幅和高频小振幅情况下岩石特性的变化，以及振动对钻头破岩能力的影响，属于共振钻井破岩技术领域。

背景技术

振动现象广泛存在各种物质介质中，如金属材料(钢铁、铝、各种有色金属)和非金属材料(岩石、陶瓷、玻璃、水泥)等。岩石振动激励模拟测试系统是一种包括振动激励模拟和测试分析的试验系统。该系统可以用来分析各种材料的振动特性。

其主要功能主要包括两个方面：其一是使岩石产生各种激励信号，如低频高振幅和高频低振幅的激励信号，使岩石发生各种各样状态的振动，通过调节激励可以激发岩石等材料进入共振状态，并记录共振频率、共振幅度、系统阻尼等参数；另一方面是测试分析材料的振动特性，对存在振动的试验样品进行振动特性进行采集及各参数分析。

普通钻井机械钻井时，钻头与岩石之间主要存在轴向静载荷，以及钻头的旋转作用，对岩石产生切削作用。采用这种结构的装置，钻井速度慢，效率低。因此，需要一种钻井效率高、钻井速度快的钻井机械装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种振动辅助钻井模拟装置，构思巧妙，结构简单，大幅提高钻井的速度，钻井效率高。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，振动辅助钻井模拟装置，包括机架、伺服电机、夹持装置、两个丝杠螺母机构、钻头、承载板、加载板、旋转电机、激振台、四边方形框架和冲击杆，机架两端设置立柱；

机架底板上设置夹持装置，底板底部设置伺服电机，伺服电机为正反转电机，伺服电机的电机轴上设有齿轮；

丝杠螺母机构对称设置在夹持装置两侧，丝杠下端穿过机架底板并通过设置在丝杠上的齿轮、同步齿形带连接伺服电机电机轴上的齿轮，丝杠上端依次穿过水平设置的承载板、加载板；加载板上固定有螺母，加载板和承载板之间的丝杠上穿套碟簧；承载板通过两个长螺栓设置在加载板上；

钻头设置在夹持装置上方的承载板底部，旋转电机设置在承载板上，旋转电机通过旋转齿轮副驱动连接钻头；

立柱内侧表面设有外侧导轨，激振台两端设有内侧导轨，内侧导轨坐落在承载板上，激振台通过外侧导轨、内侧导轨相配合实现上下移动；四边方形框架垂直设置并包围激振台，四边方形框架的顶框与激振台的法兰盘相连接，四边方形框架的底框中部垂直设置冲击杆，冲击杆底部穿过加载板设置在钻头上方，打击钻头上端。

所述外侧导轨为工字钢，所述内侧导轨为槽钢，槽钢相对设置在工字钢一侧内，槽钢底部上端连接激振台两端支承轴，槽钢底部下端坐落在承载板上。

所述四边方形框架各边与激振台之间的距离为20-50mm。

所述丝杠两端无螺纹，丝杠其余部分加工T形螺纹。

所述四边方形框架与冲击杆焊接连接。

所述碟簧和加载板之间的丝杠上设有静载力传感器。

所述加载板上方设有丝杠稳定板，丝杠稳定板上设有供冲击杆穿过的孔。

所述承载板底部设有推力调心滚子轴承，钻头夹具顶部伸入推力调心滚子轴承，钻头夹具上设有深沟球轴承。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

第一，本发明设计的振动辅助钻井模拟装置，除了旋转切削作用外，钻头还受到激振台提供的冲击作用。相当于日常使用冲击钻的时候，除了操作者用力压在冲击钻尾部一边加压一边旋转外，冲击钻内部的冲击机构带动钻头在旋转的同时往复冲击被打孔物体。因而，在混凝土或岩石中打孔时，冲击钻速度比仅有旋转作用的手枪钻打孔快得多。本发明振动辅助钻井模拟装置相当于一台巨大的冲击钻，在钻头上施加强大的轴向压力并且由旋转机构驱动钻头旋转的同时，利用激振台对钻头尾部施加冲击载荷，从而利用振动达到辅助破岩加快钻井速度的目的。

第二，激振台的振动头只能提供向上的震动冲击，因此加工了四边方形框架并通过框架底部的冲击杆将激振台产生的向上的震动冲击转换成为向下的震动冲击。

第三，四边方形框架与激振台外形之间的尺寸，至少每边要留有20-30mm间隙，防止高频振动的时候与台体发生碰擦。

第四，最外侧导轨，要求工作面手工打磨平整，保证导轨副运动不卡死。工字钢内侧槽根部打磨光滑，减小摩擦。与外侧导轨配合的内侧槽钢边缘同样打磨光滑形成导轨副。

第五，冲击杆冲击的那块板即承载板的冲击部位开一个孔，让冲击杆直接冲击钻头夹具上头部。冲击杆与上部相连的四边方形框架(包围激振台)之间连接方式为焊接，要保证垂直度和对中，不然对不到下面的孔，打击不到钻头。

附图说明