[发明专利]多功能石油钻头单齿切削试验装置及方法

权利要求书

1.一种多功能石油钻头单齿切削试验装置，其特征在于，所述多功能石油钻头单齿切削试验装置包括：基架、加载系统、旋转系统和状态监测系统；

所述基架包括：底座(7)、固定在底座上的用于放置岩石试样(9)的岩石夹具(8)、对称设置在所述底座(7)上的四个支撑立柱(11)、固定在所述底座(7)上的电机支撑台(16)和设置在所述电机支撑台(16)上的A固定平板(10)，所述岩石试样(9)上挖有孔；

所述加载系统设置在所述基架上；

所述旋转系统包括：伺服电机(3)、固定在伺服电机伸出轴上的转动轴(5)、设置在转动轴下方的单齿夹具(6)、固定在所述单齿夹具上的钻头单齿(20)；伺服电机(3)固定在A固定平板(10)上，钻头单齿(20)通过角度调节台(21)调整角度；

所述旋转系统连接所述加载系统，所述加载系统对所述钻头单齿(20)施加负载；钻头单齿旋转运动的同时，也受到了加载系统的负载，最终钻头同时实现旋转运动和进给运动，使钻头单齿(20)沿着所述岩石试样(9)上的孔切削岩石并不断进给；

所述状态监测系统监测试验过程和/或收集试验数据。

2.如权利要求1所述的多功能石油钻头单齿切削试验装置，其特征在于，所述加载系统包括：设置在所述基架上的伺服电动缸(13)、设置在伺服电动缸下的B固定平板(17)，固定在所述伺服电动缸的伸出活塞下的移动平板(12)、设置在移动平板下部的压力传感器(1)、以及固定在压力传感器下的加载架(2)，所述旋转系统连接在所述加载架(2)上。

3.如权利要求1所述的多功能石油钻头单齿切削试验装置，其特征在于，所述状态监测系统包括进给位移测量系统，所述进给位移测量系统包括设置在伺服电动缸上的可编程控制器。

4.如权利要求1所述的多功能石油钻头单齿切削试验装置，其特征在于，所述状态监测系统还包括：岩石磨损区温度监测系统，所述岩石磨损区温度监测系统包括安装在底座上的热成像仪(14)。

5.如权利要求1所述的多功能石油钻头单齿切削试验装置，其特征在于，所述状态监测系统还包括：切削岩石监测系统，所述切削岩石监测系统包括固定在底座上的高速摄像机(15)。

6.如权利要求5所述的多功能石油钻头单齿切削试验装置，其特征在于，所述高速摄像机为分辨率最高为1600万像素、支持全幅4000帧/秒的超高速摄影、并且小画幅时最高达20万帧/秒的高速摄像机。

7.如权利要求1所述的多功能石油钻头单齿切削试验装置，其特征在于，所述状态监测系统还包括：岩石磨损区应力测量系统，所述岩石磨损区应力测试系统包括固定在单齿夹具(6)上的无线压力传感器(19)。

8.如权利要求4所述的多功能石油钻头单齿切削试验装置，其特征在于，所述热成像仪为能检测1米范围区域的温度场变化的热成像仪，热成像仪的热灵敏度为0.5℃，精度为测量值的±2％。

9.一种多功能石油钻头单齿切削试验方法，其特征在于，所述试验方法包括以下步骤：

步骤A：将钻头单齿(20)固定在单齿夹具(6)中，用角度调节台(21)调整角度，调整好后用螺栓固定，将岩石试样(9)挖出相应的孔，放入岩石夹具(8)中，将侧板(18)与岩石夹具连接，岩石试样两端用螺钉固定；

步骤B：然后，启动高速摄像机(15)，调节高速摄像机(15)的位置使得岩石试样切削区呈现在高速摄像机(15)视野内；启动热成像仪(14)，并调节热成像仪(14)能够实时监控切削区附近热场变化；

步骤C：然后，启动伺服电机(3)，使钻头单齿(20)开始绕转动轴(5)旋转，通过可编程控制器控制伺服电动缸(13)的动作，伺服电动缸(13)通过加载架(2)对钻头单齿(20)施加载荷并使其实现进给，使钻头单齿(20)沿着岩石试样(9)上的孔切削岩石并不断进给，实现钻头单齿(20)对岩石试样(9)的切削；

步骤D：在完成切削过程后，伺服电动缸(13)自动停止动作，手动停止伺服电机(3)的动作，升起伺服电动缸(13)，停止实验，保存实时测量的数据。