[发明专利]一种全电动超声波钻机及钻进方法

摘要

本发明公开了一种全电动超声波钻机及钻进方法，钻机包括回转机构、给进机构、超声波振动机构、支撑机构及控制系统，本发明利用超声波频率振动冲击与岩石的共振破坏现象，将超声波频率振动力、压力和回转力三者结合在一起使岩石裂纹加速扩展形成共振‑疲劳破碎，其碎岩效率、能量利用率更高，且具有泥浆用量少的特点。通过超声波振动机构将压电陶瓷产生的超声波频率振动力作用于岩石上大幅度提高了钻机的碎岩效率及钻头的使用寿命，实现超声波频率振动钻进。本发明在正常回转振动钻进时，能够稳定地进行与岩石固有频率一致的共振‑疲劳破坏，降低硬岩破碎强度，实现大体积破碎，大幅度提高钻进速度及降低钻进成本。

主权项

一种全电动超声波钻机，其特征在于：包括回转机构、给进机构、超声波振动机构、支撑机构及控制系统；所述的回转机构包括回转电机(1)、钻头(15)、垫叉座(17)、水龙头(19)、钻杆(18)、超声波振动器(20)和导杆下支座(21)；所述的超声波振动机构包括超声波振动器(20)，中间钻杆(18)从下贯穿到回转电机(1)，超声波振动器(20)与回转电机(1)柔性连接，超声波振动器(20)与钻杆(18)连接，超声波振动器(20)安装在导杆下支座(21)上，并可一起在导杆(2)上滑动；水龙头(19)安装在超声波振动器(20)下端的钻杆(18)上；垫叉座(17)固定在导杆(2)上，钻杆(18)穿过垫叉座(17)扶正限位；钻头(15)通过螺纹连接在钻杆(18)上；所述的给进机构包括给进油缸(4)、闭环液压系统(5)和给进电机(6)，给进电机(6)通过导杆(2)、导杆上支座(7)与横梁(8)铰接固定在立柱(3)上；给进油缸(4)一端与给进电机(6)连接，给进油缸(4)另一端与导杆下支座(21)连接；导杆下支座(21)与超声波振动器(20)底端固定连接；所述的超声波伸缩振动机构包括超声波振动器(20)的绝缘壳体、弹簧(24)、四片环状压电陶瓷片(25)、四片环状电极片(26)、导电通道(27)和环状绝缘垫片(28)，四片环状压电陶瓷片(25)和四片环状电极片(26)内置在超声波振动器(20)内，并位于回转电机(1)之下；每片环状压电陶瓷片(25)的上下端面分别贴上环状电极片(26)，最上端环状压电陶瓷片(25)的上面依次设置弹簧(24)和环状绝缘垫片(28)；超声波振动器(20)外部绝缘壳体和上下端环状绝缘垫片(28)能防止超声波振动器(20)导电、漏电，使导电通道(27)更加稳定，四片环状电极片(26)和上下端环状绝缘垫片(28)可随环状压电陶瓷片(25)在超声波振动器(20)的绝缘壳体内上下振动；超声波振动器(20)内设有导电通道(27)，电流沿上超声波振动器(20)体内表面导线槽，进入到导电通道(27)并分别连接四片环状电极片(26)的不同正负极从而形成闭合回路；弹簧(24)下方贴紧绝缘垫片(27)与超声波振动器(20)的绝缘壳直接接触，进而挤压环状压电陶瓷片(25)，给与环状压电陶瓷片(25)初始压应力；超声波振动器(20)、回转电机(1)和钻杆(18)连接后，超声波振动器(20)下部内腔相通，形成钻杆(18)通道；由于上回转电机(1)与下超声波振动器(20)的柔性连接，超声波振动器(20)与钻杆(18)构成振动‑回转机构核心部件，四片环状压电陶瓷片(25)和四片环状电极片(26)处于密闭空间中；所述支撑机构包括手柄、导杆(2)、立柱(3)、横梁(8)、底板(14)、液压油缸支腿(16)，底板(14)在脚处安装液压油缸支腿(16)，液压油缸支腿(16)支撑在地面上；钻机通过框架式支撑机构底座(8)的前、后、左、右共有四个液压油缸支腿(16)用手轮摇动以调节底座(8)的高度，现场可方便调平和固定钻机；液压油缸支腿(16)下连接圆板，前支腿(16)的两个圆板上钻有两个圆孔，可固定地锚，快速固定钻机；立柱(3)通过插销快速固定支撑架整体，形成三角形稳定结构；底板(14)与支撑杆(9)底板(14)插栓连接；所述的控制系统由回转电机(1)、闭环液压系统(5)、给进电机(6)、钻压控制面板(10)、转速控制面板(11)、启动开关(12)、超声波振动器操作旋钮(13)和控制导线组成，给进电机(6)、闭式液压系统(5)、给进油缸(4)和钻压控制面板(10)形成给进闭环控制回路，通过无级调节给进电机(6)转速，实现闭式液压系统输出恒定压力；回转电机(1)与转速控制面板(11)通过控制导线形成闭环回路，通过控制系统无级调节回转电机(1)的转速。