浅井电动钻进装置及系统的制作方法

本申请涉及地质勘探技术领域，具体而言，涉及一种浅井电动钻进装置及系统。

背景技术：

钻探工作是地质勘探中十分重要的一环，钻探工作的工作效率严重影响地质勘探工作的效率。钻机的动力系统是钻机设计的关键所在，传统钻机使用柴油机来提供动力，导致钻机在使用和钻进过程中，容易产生机油和柴油污染，无法满足环保要求。此外，随着安全的要求的提高，每个分队或几部钻机就得配置一台油罐车运输油料，运行成本高，进而增加企业成本，降低生产效益。

此外，传统的钻机都是通过井上电机转动，输出力矩给钻杆，钻杆传递动力给钻头，钻头切削岩石进行钻进，这种设计使电机产生的动力在钻杆的传导过程中损耗十分严重，电机输出的力矩全部给钻头，做功效率严重降低，此时则需要很大功率的电机来提供动力，进而加大了钻机整体的重量和体积，不方便携带。

申请内容

为了克服现有技术中的上述不足，本申请的目的在于提供一种浅井电动钻进装置及系统，以解决或者改善上述问题。

为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供一种浅井电动钻进装置，应用于浅井电动钻进系统，所述浅井电动钻进装置包括：

用于对勘探区域进行钻孔的钻头组件；

与所述钻头连接，用于输出力矩给所述钻头组件以使所述钻头组件切削所述勘探区域的岩石进行钻进的井下电机组件；

与所述井下电机组件连接并相对于所述勘探区域凸出预定长度的钻杆，其中，所述钻杆内部设置有一空腔；以及

通过所述钻杆内部的空腔与所述井下电机组件电性连接，用于为所述井下电机组件提供动力的电池组供电电源；

所述井下电机组件包括与所述电池组供电电源电性连接的步进伺服驱动器以及与所述步进伺服驱动器电性连接的多个并联驱动的级联步进电机组，所述步进伺服驱动器用于控制每个级联步进电机组的开关状态并用于驱动每个级联步进电机组的力矩同步输出，每个所述级联步进电机组包括多个串联驱动的步进电机。

可选地，所述步进伺服驱动器包括：

用于输出控制信号以驱动每个级联步进电机组的力矩同步输出的单片机；

与所述单片机电性连接，并与所述电池组供电电源电性连接，用于接入所述电池组供电电源的电力能源并在所述单片机输出的控制信号下驱动每个级联步进电机组的驱动电缆；以及

与所述单片机电性连接，用于控制每个级联步进电机组的开关状态的绝缘栅双极型晶体管。

可选地，所述钻杆的空腔中设置有插座，所述插座的一端与所述电池组供电电源通过所述驱动电缆电性连接，所述插座的另一端通过所述驱动电缆分别与所述级联步进电机组中的每个步进电机电性连接。

可选地，所述钻杆组件的空腔中还设置有用于接入外部水库并通向所述勘探区域的水管。

可选地，所述钻头组件包括钻头、钻头连接套、主轴、轴承、轴承盖板以及轴承座，所述钻头连接套分别与所述钻头和所述轴承连接，所述轴承与所述轴承座连接，所述轴承盖板与所述轴承座连接。

可选地，所述井下电机组件还包括：

用于容置多个并联驱动的级联步进电机组的电机外壳；

用于将相邻的两个步进电机连接的多个第一联轴器；以及

用于将所述钻头组件和步进电机连接的第二联轴器。

可选地，所述步进伺服驱动器还用于在检测到任意一个级联步进电机组的电流大于预设阈值时生成报警信号。

可选地，相邻的两个步进电机的连接位置处设置有密封圈。

可选地，所述电池组供电电源包括：

分别与每个级联步进电机组电性连接的功率电源通道；

与所述功率电源通道电性连接，用于向功率电源通道发出高低频控制信号以使功率电源通道生成反馈信号的中央控制模块；

与所述中央控制模块电性连接，用于对所述功率电源通道的反馈信号进行预处理的信号预处理板；

用于显示所述电池组供电电源的电源状态的显示器；以及

用于与外部控制终端电性连接的外围接口；

所述功率电源通道包括依次连接的功率因数校正模块、buck调压模块、高频正弦调制升压模块和逆变换向模块，所述功率因数校正模块输入端与所述中央控制模块电性连接，所述逆变换向模块与对应的级联步进电机组电性连接。

第二方面，本申请实施例还提供一种浅井电动钻进系统，所述浅井电动钻进系统包括上述的浅井电动钻进装置。

相对于现有技术而言，本申请具有以下有益效果：

本申请实施例提供的浅井电动钻进装置及系统，浅井电动钻进装置包括钻头组件、与钻头连接用于输出力矩给钻头组件以使钻头组件切削勘探区域的岩石进行钻进的井下电机组件、与井下电机组件连接并相对于勘探区域凸出预定长度的钻杆以及通过钻杆内部的空腔与井下电机组件电性连接的电池组供电电源。井下电机组件包括与电池组供电电源电性连接的步进伺服驱动器以及与步进伺服驱动器电性连接的多个并联驱动的级联步进电机组。由此，通过电池供电，有别于使用柴油机、汽油机、交流电动机，可以便于携带和现场拆卸组装，通过井下电机组件直接输出力矩给钻头组件，减少输出功率的浪费，使电机输出功率全部驱动钻头组件切削岩石做功。通过步进伺服驱动器控制每个级联步进电机组的开关状态并驱动每个级联步进电机组的力矩同步输出，有效节省电力能源，降低电池组供电电源的功耗，通过多个串联驱动的步进电机可以增加电机输出扭矩，从而提高电机动力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1为本申请实施例提供的浅井电动钻进装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的井下电机组件的结构框图；

图3为本申请实施例提供的钻头组件和井下电机组件的内部连接结构示意图；

图4为本申请实施例提供的钻杆的内部结构示意图。

图标：100-浅井电动钻进装置；110-钻头组件；111-钻头；112-钻头连接套；113-主轴；114-轴承；115-轴承盖板；116-轴承座；120-井下电机组件；122-步进伺服驱动器；124-级联步进电机组；1241-步进电机；1242-电机外壳；1243-第一联轴器；1244-第二联轴器；130-钻杆；132-钻杆外壳；134-插座；140-电池组供电电源；150-驱动电缆；160-水管。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，一些指示的方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请结合参阅图1-图2，本申请实施例提供一种浅井电动钻进装置100，该浅井电动钻进装置100包括用于对勘探区域进行钻孔的钻头组件110、与钻头组件110连接，用于输出力矩给钻头组件110以使钻头组件110切削勘探区域的岩石进行钻进的井下电机组件120、与井下电机组件120连接并相对于勘探区域凸出预定长度的钻杆130以及通过钻杆130内部的空腔与井下电机组件120电性连接，用于为井下电机组件120提供动力的电池组供电电源140。

本实施例中，井下电机组件120包括与电池组供电电源140电性连接的步进伺服驱动器122以及与步进伺服驱动器122电性连接的多个并联驱动的级联步进电机组124，步进伺服驱动器122用于控制每个级联步进电机组124的开关状态并用于驱动每个级联步进电机组124的力矩同步输出，每个级联步进电机组124包括多个串联驱动的步进电机1241。

由于现有技术中的钻进结构都是通过井上电机转动，输出力矩给钻杆130，钻杆130传递动力给钻头，钻头切削岩石进行钻进，这种设计使电机产生的动力在钻杆130的传导过程中损耗十分严重，电机输出的力矩全部给钻头，做功效率严重降低，此时则需要很大功率的电机来提供动力，进而加大了钻机整体的重量和体积，不方便携带。

鉴于此，本实施例通过井下电机组件120直接输出力矩给钻头组件110，减少输出功率的浪费，使电机输出功率全部驱动钻头组件110切削岩石做功。

此外，发明人在研究过程中发现，如果每个级联步进电机组124的力矩输出不同步，那么这个级联步进电机组124输出的力矩不是动力，而是阻力。但是，如果将多个步进电机1241并联驱动，虽然同步输出扭矩，但增加了驱动电流，电池组供电电源140的供电供应存在问题，增加了电池组供电电源140的容量。

由此，本实施例通过步进伺服驱动器122控制每个级联步进电机组124的开关状态并驱动每个级联步进电机组124的力矩同步输出，有效节省电力能源，降低电池组供电电源140的功耗，通过多个串联驱动的步进电机1241可以增加电机输出扭矩，从而提高电机动力。同时，通过多个串联驱动的步进电机1241可以增加电机输出扭矩，从而提高电机动力。

此外，本实施例通过电池供电，有别于使用柴油机、汽油机、交流电动机，可以便于携带和现场拆卸组装，满足环保要求。

可选地，请结合参阅图3，本实施例中，步进伺服驱动器122可包括用于输出控制信号以驱动每个级联步进电机组124的力矩同步输出的单片机(图中未示出)、与单片机电性连接，并与电池组供电电源140电性连接，用于接入电池组供电电源140的电力能源并在单片机输出的控制信号下驱动每个级联步进电机组124的驱动电缆150以及与单片机电性连接，用于控制每个级联步进电机组124的开关状态的绝缘栅双极型晶体管(图中未示出)。

基于上述设计，在驱动控制上，本实施例通过采用绝缘栅双极型晶体管为开关元件，采用单片机构成步进伺服驱动器122，能够显著提高步进电机1241的高速性能、降低电机的发热程度和减小电机的振动，进一步提升工作速度和精度，降低能耗。此外，在电机出现连续过载时，步进伺服驱动器122还用于在检测到任意一个级联步进电机组124的电流大于预设阈值时生成报警信号，从而增加装置的可靠性。

请结合参阅图4，可选地，钻杆130包括钻杆外壳132，该钻杆外壳132的空腔中设置有插座134，插座134的一端与电池组供电电源140通过驱动电缆150电性连接，插座134的另一端通过驱动电缆150分别与级联步进电机组124中的每个步进电机1241电性连接。如此，在使用时可将驱动电缆150插入该插座134，并通过该插座134的另一端与级联步进电机组124中的每个步进电机1241电性连接以为每个步进电机1241进行供电。

可选地，钻杆130组件的空腔中还设置有用于接入外部水库并通向勘探区域的水管160，以通过该水管160对各个级联步进电机组124进行降温处理，同时向勘探区域排水。

可选地，请再次参阅图3，钻头组件110包括钻头111、钻头连接套112、主轴113、轴承114、轴承盖板115以及轴承座116，钻头连接套112分别与钻头111和轴承114连接，轴承114与轴承座116连接，轴承盖板115与轴承座116连接。如此，当各个级联步进电机组124运转时，可依次带动轴承114、主轴113、钻头111切削岩石进行钻进。

可选地，请再次参阅图3，井下电机组件120还可以包括用于容置多个并联驱动的级联步进电机组124的电机外壳1242、用于将相邻的两个步进电机1241连接的多个第一联轴器1243以及用于将钻头组件110和步进电机1241连接的第二联轴器1244。如此，通过设置第一联轴器1243和第二联轴器1244可以实现各个步进电机1241的级联，从而提高步进电机1241的动力，增加电机输出扭矩。

可选地，相邻的两个步进电机1241的连接位置处设置有密封圈，以将该连接位置处与外部环境隔离。

可选地，电池组供电电源140具体可包括分别与每个级联步进电机组124电性连接的功率电源通道、与功率电源通道电性连接，用于向功率电源通道发出高低频控制信号以使功率电源通道生成反馈信号的中央控制模块、与中央控制模块电性连接，用于对功率电源通道的反馈信号进行预处理的信号预处理板、用于显示电池组供电电源140的电源状态的显示器以及用于与外部控制终端电性连接的外围接口。功率电源通道包括依次连接的功率因数校正模块、buck调压模块、高频正弦调制升压模块和逆变换向模块，功率因数校正模块输入端与中央控制模块电性连接，逆变换向模块与对应的级联步进电机组124电性连接。详细地，在实际实施时各个功率电源通道首先经过各自的功率因数校正模块而获得较高功率因数的直流电压，再在中央控制模块控制下，经过buck调压模块，得到可调控直流电压，而后直流输入到高频正弦调制升压模块，在中央控制模块控制下，先将直流电压调制成按照正弦规律变化的高频信号，再经过高频升压和高频整流过程，得到按照正弦规律变化的高频脉冲序列，再经过低通滤波过程得到与中央控制模块发出的低频控制信号一致的低频半波正弦高压信号，高频正弦调制升压模块输出的高压低频半波正弦信号输入到逆变换向模块，中央控制模块向逆变换向模块发出频率同步的低频换向方波信号，中央控制模块通过控制各个功率电源通道的低频正弦调制波形的相位，使变频电源输出相位差90度的两相正弦波形交流，而得到满足步进电机1241需要的变频调压的两相交流电源。

进一步地，本申请实施例还提供一种浅井电动钻进系统，浅井电动钻进系统包括上述的浅井电动钻进装置100。

综上所述，本申请实施例提供的浅井电动钻进装置及系统，浅井电动钻进装置包括钻头组件、与钻头连接用于输出力矩给钻头组件以使钻头组件切削勘探区域的岩石进行钻进的井下电机组件、与井下电机组件连接并相对于勘探区域凸出预定长度的钻杆以及通过钻杆内部的空腔与井下电机组件电性连接的电池组供电电源。井下电机组件包括与电池组供电电源电性连接的步进伺服驱动器以及与步进伺服驱动器电性连接的多个并联驱动的级联步进电机组。由此，通过电池供电，有别于使用柴油机、汽油机、交流电动机，可以便于携带和现场拆卸组装，通过井下电机组件直接输出力矩给钻头组件，减少输出功率的浪费，使电机输出功率全部驱动钻头组件切削岩石做功。通过步进伺服驱动器控制每个级联步进电机组的开关状态并驱动每个级联步进电机组的力矩同步输出，有效节省电力能源，降低电池组供电电源的功耗，通过多个串联驱动的步进电机可以增加电机输出扭矩，从而提高电机动力。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。