一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构及使用方法

本发明属于超声波钻探器领域，特别是涉及一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构及使用方法。

背景技术：

1、超声波钻探器具有体积小、功耗低和钻压力小等优点，目前被广泛使用于外星钻探采样、煤矿辅助钻探等领域。压电换能器作为超声波钻探器的动力源部分，利用压电陶瓷的逆压电效应，产生机械振动，将电能转化为机械能，并以超声波的形式传递至变幅杆的底端，激励自由质量块，将声能转化为机械能，并向钻头部分传递。因此，压电换能器的驱动特性直接影响钻探器的钻探效率。压电换能器长时间工作会产生发热现象，从而影响钻探效率。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构及使用方法，以解决超声波钻探器中压电换能器发热影响钻探效率的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构，它包括钻头、导热片、中段、压电换能器和后盖，所述钻头、中段与后盖依次连接，所述压电换能器设置在中段内，所述压电换能器中的变幅杆冲击头顶部与自由质量块连接，所述自由质量块与钻头连接，所述钻头、中段和后盖的内部均开设有多条流道，所述后盖的顶部开设有入水口，多条流道均与入水口连通，所述导热片数量为多个，多个导热片的一端与变幅杆的大径外圆面相连，另一端与中段的内壁相连。

3、更进一步的，所述入水口与水管相连，所述水管与调速阀相连。

4、更进一步的，所述中段内部设置有温度传感器，所述温度传感器监测压电换能器中的压电陶瓷片，所述温度传感器与调速阀控制相连。

5、更进一步的，所述中段内部设置有湿度传感器，所述湿度传感器监测钻探器内部湿度，所述湿度传感器与电控系统控制相连。

6、更进一步的，所述压电换能器包括变幅杆、压电陶瓷片、绝缘尼龙套、后盖板、锁紧螺母和电极片，所述电极片数量为多个，相邻电极片之间设置一个压电陶瓷片，所述压电陶瓷片和电极片堆叠在变幅杆上，所述变幅杆上套接后盖板，所述变幅杆后端与锁紧螺母相连，通过锁紧螺母将后盖板锁紧，所述后盖板与变幅杆之间设置有绝缘尼龙套。

7、更进一步的，所述变幅杆的外侧设置有直线轴承，所述直线轴承与轴承套相连，所述轴承套与钻头相连。

8、更进一步的，所述轴承套通过孔用弹性挡圈与钻头相连。

9、更进一步的，所述导热片为铜制u型片。

10、更进一步的，所述流道的数量为四条，所述钻头、中段和后盖的流道连接部分使用o型密封圈密封。

11、本发明还提供了一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构的使用方法，使用方法如下：

12、压电换能器驱动钻头冲击击碎岩石；

13、压电陶瓷片产生热量并传递给变幅杆，变幅杆通过导热片将热量传递至中段的内壁上，水流从入水口进入后流经多条流道，从钻头底部流出，水流与中段进行耦合传热，带走传递至中段内壁上的热量；

14、温度传感器实时监测压电陶瓷片的温度变化，若温度过高，控制调速阀调节水流流速，改善钻探器的散热效果，湿度传感器实时监测钻探器内部的湿度，若湿度过高，及时停电，防止发生短路现象；

15、使用电流环控制方式，实时监测压电换能器的电流和电压的变化，若电压的频率和幅值变化异常，及时调整系统供电，保证电压频率稳定在纵振频率，使压电换能器稳定工作；

16、钻探器根据当前状态下的回转转矩、回转转速对钻探对象进行硬度评估，根据硬度评估结果调整钻探器的回转转矩、回转转速，若钻探对象硬度大，钻探器加大回转转矩，加快钻探效率，反之，钻探器则减小回转转矩，保证钻探效率的同时可以降低压电换能器的能耗。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本申请钻探器在内部开通流道，利用水流的单向流动及时带走压电换能器产生的热量。通过流体散热处理可以使压电换能器温度升高较小，保证压电换能器的工作特性。压电陶瓷片产生的热量通过多次传递，最终被水流吸收带走，压电换能器工作时的压电陶瓷片发热情况良好。通过温度传感器和湿度传感器能够对钻探器进行实时监测并及时反馈调整，保证散热效果并且防止短路。使用电流环控制方式能够保证压电换能器稳定工作，根据硬度评估结果对钻探器进行调整，保证钻探效率的同时可以降低压电换能器的能耗。

技术特征：

1.一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构，其特征在于：它包括钻头(1)、导热片(6)、中段(7)、压电换能器(8)和后盖(9)，所述钻头(1)、中段(7)与后盖(9)依次连接，所述压电换能器(8)设置在中段(7)内，所述压电换能器(8)中的变幅杆(8-1)冲击头顶部与自由质量块(2)连接，所述自由质量块(2)与钻头(1)连接，所述钻头(1)、中段(7)和后盖(9)的内部均开设有多条流道，所述后盖(9)的顶部开设有入水口，多条流道均与入水口连通，所述导热片(6)数量为多个，多个导热片(6)的一端与变幅杆(8-1)的大径外圆面相连，另一端与中段(7)的内壁相连。

2.根据权利要求1所述的一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构，其特征在于：所述入水口与水管(11)相连，所述水管(11)与调速阀(10)相连。

3.根据权利要求1所述的一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构，其特征在于：所述中段(7)内部设置有温度传感器(13)，所述温度传感器(13)监测压电换能器(8)中的压电陶瓷片(8-2)，所述温度传感器(13)与调速阀(10)控制相连。

4.根据权利要求1所述的一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构，其特征在于：所述中段(7)内部设置有湿度传感器(12)，所述湿度传感器(12)监测钻探器内部湿度，所述湿度传感器(12)与电控系统控制相连。

5.根据权利要求1所述的一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构，其特征在于：所述压电换能器(8)包括变幅杆(8-1)、压电陶瓷片(8-2)、绝缘尼龙套(8-3)、后盖板(8-4)、锁紧螺母(8-5)和电极片(8-6)，所述电极片(8-6)数量为多个，相邻电极片(8-6)之间设置一个压电陶瓷片(8-2)，所述压电陶瓷片(8-2)和电极片(8-6)堆叠在变幅杆(8-1)上，所述变幅杆(8-1)上套接后盖板(8-4)，所述变幅杆(8-1)后端与锁紧螺母(8-5)相连，通过锁紧螺母(8-5)将后盖板(8-4)锁紧，所述后盖板(8-4)与变幅杆(8-1)之间设置有绝缘尼龙套(8-3)。

6.根据权利要求1所述的一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构，其特征在于：所述变幅杆(8-1)的外侧设置有直线轴承(3)，所述直线轴承(3)与轴承套(4)相连，所述轴承套(4)与钻头(1)相连。

7.根据权利要求1所述的一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构，其特征在于：所述轴承套(4)通过孔用弹性挡圈(5)与钻头(1)相连。

8.根据权利要求1所述的一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构，其特征在于：所述导热片(6)为铜制u型片。

9.根据权利要求1所述的一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构，其特征在于：所述流道的数量为四条，所述钻头(1)、中段(7)和后盖(9)的流道连接部分使用o型密封圈密封。

10.一种如权利要求1所述的通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构的使用方法，其特征在于：

技术总结
本发明提出了一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构及使用方法，属于压电冲击式超声波钻探器领域。解决了超声波钻探器中压电换能器发热影响钻探效率的问题。它包括头、导热片、中段、压电换能器和后盖，所述钻头、中段与后盖依次连接，所述压电换能器设置在中段内，所述压电换能器中的变幅杆冲击头顶部与自由质量块连接，所述自由质量块与钻头连接，所述钻头、中段和后盖的内部均开设有多条流道，所述后盖的顶部开设有入水口，多条流道均与入水口连通，所述导热片数量为多个，多个导热片的一端与变幅杆的大径外圆面相连，另一端与中段的内壁相连。它主要用于超声波钻探器。

技术研发人员：柏德恩,张锦龙,莫强忠,胡强,唐超权,唐玮,汤裕,王情情,王威
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14