一种旋转钻孔取芯及钻具柔顺化装置

1.本发明专利属于钻探开挖领域，尤其涉及一种旋转钻孔取芯及钻具柔顺化装置。


背景技术：

2.随着现代工业对煤、石油和天然气需求量的增加，可开采的能源不断枯竭，导致能源的钻探开挖逐渐向着复杂地形及严苛方向发展。同时，钻井勘探作为一种有效的现场试验方法，可以准确获取岩石力学参数，保障施工、石油等工程安全。然而在钻孔取芯过程中，钻具之间采用刚性连接，面对复杂多变的地面岩层时，传统的刚性连接导致钻孔精度低，钻具的振动严重，甚至损坏钻具的结构，降低勘探效率，严重时会威胁钻井作业的安全。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种旋转钻孔取芯及钻具柔顺化装置，以解决上述问题。
4.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案给予实现：
5.一种旋转钻孔取芯及钻具柔顺化装置，包括支架，支架内部从左至右依次为轴向进给装置、钻具旋转装置以及冷却装置；
6.所述的轴向进给装置的上表面设置有plc控制器，plc控制器与轴向进给驱动电机相连，轴向进给驱动电机通过钢材质联轴器相连滚珠丝杠。
7.所述滚珠丝杠两端均设置有轴承支架，滚珠丝杠的两端分别穿过两端的轴承支架实现自由旋转；
8.所述的滚珠丝杠周围被移动滑桶所包围，移动滑桶通过连接杆与圆柱形导轨连接；
9.所述的连杆右侧加粗，并将所述的钻具旋转装置布置在所述的右侧连杆上方；
10.所述的钻具旋转装置，包括钻具旋转驱动电机连接梅花形联轴器，梅花形联轴器的另一端连接钻杆，钻杆下端通过上部连接件与串联弹性驱动装置连接；
11.所述的串联弹性驱装置，包括与上部连接件相连的圆盘，所述的圆盘上布置有5个挡板，挡板的两端均与弹簧相连；
12.所述的弹簧与扫臂相连，扫臂固定在支撑中轴上；
13.所述的支撑中轴通过下部连接件与岩心管相连，所述岩心管下端连接取芯钻头；
14.所述的钻杆转动，通过上部连接件带动所述的圆盘转动；通过圆盘上的挡板挤压弹簧，弹簧通过扫臂带动所述的支撑中轴运动；
15.所述的冷却装置，包括水箱，以及水箱上层的过滤网，所述的水箱上方支架布置水泵；
16.所述的水泵连接水管，所述的水管用于取芯过程中钻头的冷却以及岩屑的清理；
17.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
18.本发明通过设置一个可以自由转动的滚珠丝杠带动移动滑桶移动，所述的移动滑桶周期性的上下移动，从而形成取芯钻头的钻进与起钻。
19.移动滑桶的上下移动带动连接杆周期性移动，连接杆向下移动实现钻具的轴向进给；连接杆上的钻具旋转驱动电机转动带动钻杆旋转，钻杆将动力通过上部连接件传递给串联弹性驱动器上的圆盘，圆盘上的挡板通过弹簧将动力传递给扫臂，扫臂带动支撑中轴运动实现钻头旋转，完成运动与动力的柔顺传递。本发明融合了信号处理技术、电子技术、机械结构设计等多种技术，体现了机电系统智能化、自动化的发展方向，并且具有结构简单、操作简单，易于实现，能充分发挥机电一体化优势，可以满足当下对浅层复杂地形的钻探开挖。
20.所述的轴向进给转置中的丝杠两端各设置一个轴承支架，将滚珠丝杠的两端分别穿入轴承座，实现丝杠的自由转动。
21.所述的plc控制轴向进给与钻具旋转驱动电机，实现电机转动，根据岩心管的长度控制移动滑桶的位移，当取芯深度达到岩心管的长度时移动滑桶停止进给。相比于传统的限位开关避免了检测对象之间的接触，减小了磨损，增加了移动滑桶及其连接杆的机械寿命。
22.所述的电机驱动滚珠丝杠以及钻杆运动，实现一体化设计，具有价格便宜，结构紧凑，体积小，环境友好等特点；所述的滚珠丝杠驱动，可重复精准定位。
23.本发明中的串联弹性驱动器具有体积紧凑以及能量密度高的特点，应用在钻具中缓解了外界的冲击，减小了取芯过程中钻具的振动。
附图说明
24.图1是本发明的整体结构的一种主示意图。
25.图2为图1的立体示意图，表示不同的方位。
26.图3是本发明的轴向进给结构示意图。
27.图4是本发明的钻具旋转结构示意图。
28.图5是本发明的钻具上部连接件结构示意图。
29.图6是本发明的钻具下部连接件结构示意图。
30.图7是本发明的串联弹性结构示意图。
31.图8是本发明的冷却结构示意图。
32.图中：100、支架，200、轴向进给装置，300、钻具旋转装置，400、冷却装置，201、轴向进给驱动电机，202、钢材质联轴器，203、轴承支架，204、移动滑桶，205、连接杆，206、滚珠丝杠，207、圆柱形导轨，301、钻具旋转驱动电机，302、梅花型联轴器，303、固定装置，304、钻杆，305、串联弹性驱动装置，306、岩心管，307、钻头，308、上部连接件，309、下部连接件，401、水管，402、水箱，403、水泵安装支架，404、水泵，405、过滤层；3051、圆盘，3052、圆盘螺栓孔，3053、挡板，3054、扫臂，3055、弹簧组，3056、支撑中轴，3057、支撑中轴螺栓孔；3081、上部连接件螺栓孔，3082、外螺纹；3091、下部连接件螺栓孔，3092、内螺纹；
具体实施方式
33.以下结合附图对本发明作进一步说明：
34.如图1所示，本发明一种旋转钻孔取芯及钻具柔顺化装置，包括支架100，支架100内部从左到右依次设置有轴向进给装置200、钻具旋转装置300和冷却装置400。
35.轴向进给装置200的上端布置有轴向进给驱动电机201，plc用来控制轴向进给驱动电机201的转动；轴向进给驱动电机201的输出轴上连有钢材质联轴器202，钢材质联轴器202的另一端与滚珠丝杠206相连，滚动丝杠206穿过设置在支架100上下两侧的轴承支架203，并通过两端支撑方式固定在支架100上。轴承支架203与滚珠丝杠206之间采用过盈连接的配合方式，并通过顶丝将二者固定紧，使得丝杠206能固定在轴承支架203上，实现滚珠丝杠的自由旋转。移动滑桶204沿着圆柱形导轨207方向随着滚珠丝杠206的旋转而上下移动，移动滑桶204通过连接杆205与圆柱形导轨207相连。
36.钻具旋转装置300固定在连接杆205的右端。钻具旋转装置上端安装有钻具旋转驱动电机301，钻具旋转驱动电机301的旋转通过plc控制；钻具旋转驱动电机301的输出轴上连接有梅花型联轴器302，梅花形联轴器302的另一端与钻杆304相连，钻杆304的下端通过上部连接件308与串联弹性驱动装置305相连；串联弹性驱动装置305的另一端通过下部连接件309与岩心管306相连，岩心管306的下端与钻头307相连。
37.作为本实施例的一种优选方案，串联弹性驱动器305中安装有圆盘3051，圆盘3051的上端通过上部连接件螺栓孔3081与连接件308相连，并将钻杆304的动力通过挡板3053传递给弹簧组3055，弹簧组3055受力通过扫臂3054带动支撑中轴3056转动。
38.冷却装置400中安装有水箱402，过滤层405固定安装在水箱402的上端，防止空中的岩屑及块状颗粒进入水箱402；水泵404布置在水泵安装支架403的上方，并将水泵404的输出端与水管401相连，通过水来冷却钻头以及冲洗取芯过程中的岩屑。
39.工作原理：
40.在钻孔取芯过程中，轴向进给驱动电机旋转带动滚珠丝杠转动，使得移动滑桶沿着圆柱形导轨方向进给；钻具旋转驱动电机与轴向进给驱动电机同时旋转，由于钻具旋转驱动电机安装在连接杆的右端，移动滑桶的上下移动带动旋转钻具装置上下移动，通过plc控制钻具旋转驱动电机的转速，实现钻头的旋转钻进。
41.在移动滑桶向下移动的深度达到岩心管长度时，plc控制轴向进给驱动电机反转，使得移动滑桶向上移动，将钻头从岩石表面拉拔出来。
42.在钻具旋转钻进岩石的过程中，钻杆与岩心管主要通过串联弹性装置相连，钻杆旋转带动串联弹性装置的圆盘转动，圆盘通过挡板将动传递给弹簧组，弹簧组通过扫臂带动支撑中轴转动，实现动力的柔性传递，降低了破岩取芯过程中钻具的振动。
43.钻头与岩石接触的过程中，水泵一直工作，通过水进行冲洗岩屑以及冷却钻头，降低了钻头表面的温度，并将岩屑从岩石孔中冲洗出，避免了岩屑的二次研磨，降低了钻头的磨损，提高了破岩效率。
44.上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都将落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。