一种煤矿井下超声波/声波复合辅助高效钻进装置

本发明属于钻探工程，具体是一种煤矿井下超声波/声波复合辅助高效钻进装置。

背景技术：

1、随着浅部煤炭资源高强度的开采殆尽，我国未来煤炭资源的开发中心逐渐向深部转移。随着钻进深度的增加，高硬度岩石的破碎问题逐渐突显，对当下的破岩技术提出了更高的要求。

2、岩石破碎的效率极大程度地影响了整体的作业效率。传统的作业是采用机械破岩的方式，利用钻头的高转矩、高转速和高压来提高钻进速度，这种方式下，钻头磨损的情况较为严重，工作寿命较短。同时，还存在钻压经长钻柱传递效率低、相关连接机构复杂繁琐等诸多问题。

3、近年来，有学者发现岩石系统在受到与其固有频率一致的外载激励时(共振状态)，其响应的振幅值会达到最大，进而会使岩石结构的不稳定增强，有利于裂隙的扩展，进一步使岩石迅速发生破裂的情况。实践表明，当岩石试件在共振状态时，施加一定载荷的冲击后，其冲击的力学效应会对岩石内部质点造成很大的位移，使得岩石质点之间的碰撞更为剧烈。基于此，可以将超声振动与低频冲击振动相结合，在提高钻进效率的同时有效减少钻头的磨损。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种煤矿井下超声波/声波复合辅助高效钻进装置，该装置结构紧凑，安装过程简单，维护过程便捷，制造成本低，其能将超声频振动与低频冲击振动产生的声波相结合并作用于钻头，可实现对钻头的声频和超声频复合的振动激励，能显著提高钻进效率，并能有利于延长钻具的使用寿命，有利于大面积推广应用。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种煤矿井下超声波/声波复合辅助高效钻进装置，包括壳体、钻具、花键套、双向超声换能器、壳后盖、预紧螺母、预紧弹簧和复位弹簧；

3、所述壳体为筒状结构，且其两端为敞口结构，其内部具有呈圆柱状的安装腔，壳体的后开口端内部设置有内螺纹结构一，壳体的前开口端内侧固定连接有限位环；

4、所述花键套的尺寸与壳体前开口端的尺寸相适配，并固定封装在壳体前开口端处；花键套的轴心处开设有花键孔，花键孔的外径小于限位环的内径；

5、所述双向超声换能器设置在安装腔的中部，其由预紧力螺杆、质量块、压电陶瓷堆、后盖板和前盖板组成；所述预紧力螺杆设置在安装腔中段的轴心处；所述质量块为圆柱状，其外径与安装腔的内径相适配，其中心开设有与预紧力螺杆相适配的圆形通孔一，并通过圆形通孔一套装在预紧力螺杆中段的外部；所述压电陶瓷堆呈圆柱状，其外径与安装腔的内径相适配，其中心开设有圆形通孔二；压电陶瓷堆由四个压电陶瓷片和四个电极片依次交错叠合地排布组成；两个压电陶瓷堆分别通过其中心的圆形通孔二套设在预紧力螺杆的外部，且分别贴合地分布于质量块的上下两侧；所述后盖板由定位块和定位柱组成，所述定位块的外径与安装腔的内径相适配，其前端的轴心处开设有螺纹安装孔一，所述定位柱的前端垂直地固定连接在定位块后端的轴心处，定位柱的表面涂覆有绝缘材料层；后盖板通过其前端的螺纹安装孔一固定套装在预紧力螺杆后端的外侧，且其前端面与靠后一个压电陶瓷堆的后端面相抵接；所述前盖板呈圆柱状，其外径与安装腔的内径相适配，其后端轴心处开设有螺纹安装孔二，并通过其后端的螺纹安装孔二固定套装在预紧力螺杆后端的外侧；

6、所述钻具由变幅杆、花键轴和钻头组成；所述变幅杆为阶梯轴状结构，其大径段位于其小径段的后侧，且大径段外径与安装腔的内径相适配，且轴向可滑动地装配于安装腔的前部，同时，大径段的后端与前盖板的前端面固定连接；所述花键轴的形状和尺寸与花键孔的形状和尺寸相适配，并轴向可滑动径向限位地插装于花键孔中，花键轴的后端穿入安装腔中并与变幅杆小径段的前端面同轴地固定连接，花键轴的前端位于壳体前端的外侧；所述钻头位于壳体前端的外侧，并同轴地固定连接在花键轴的前端；

7、所述壳后盖由封堵块、定位套筒和连接凸块组成，所述封堵块呈圆柱状，且其前端外侧设置有与内螺纹结构一相适配的外螺纹结构一，并通过螺纹配合插装于壳体后开口端的内侧；所述定位套筒的外部开设有外螺纹结构二，其后端同轴心地固定连接在封堵块的前端面上，定位套筒内部定位孔的形状及尺寸与定位柱的形状及尺寸相适配，并轴向可滑动径向限位地套装于定位柱后端的外部；所述连接凸块的前端固定连接在封堵块的后端面上；

8、所述预紧螺母内部的螺纹结构与外螺纹结构二相适配，并通过螺纹配合安装在定位套筒的外部；

9、所述预紧弹簧设置在安装腔的后部，且套设在定位套筒的外部，同时，预紧弹簧的后端与预紧螺母的前端面相抵接，其前端与后盖板上定位块的后端面相抵接；

10、所述复位弹簧设置在安装腔的前部，且其套设在变幅杆小径段的外部，同时，复位弹簧的后端与变幅杆的大径段前端面相抵接，复位弹簧的前端与限位环的后端面相抵接。

11、进一步，为了能高效地进行扭矩的传递，所述定位套筒内部定位孔的横截面为正六边形，所述定位柱的横截面为正六边形。

12、进一步，为了有效减小双向超声换能器的反弹阻力，以有效保护双向超声换能器的电路部分，所述壳体的内侧壁上涂覆有绝缘润滑油。

13、进一步，为了有效增强反弹力，所述壳后盖由硬度、密度和弹性模量均较高的材料制成。

14、作为一种优选，所述变幅杆和前盖板之间通过螺栓固定连接。

15、进一步，为了最大化地保证前后两端的振幅，以实现能量的高效转化，进而使两端具有较好的振动能力，所述后盖板和前盖板均采用密度底、韧性好、硬度佳的金属材料制成，所述质量块采用密度大的金属材料制成。

16、进一步，为了使预紧弹簧能提供较大的弹性力，以增加工作过程中的反弹力，同时，为了能够在装置未启动时，使双向超声换能器的后端保持与壳后盖相分离的状态，以避免因壳后盖过度压紧后盖板导致阻抗不匹配而使装置无法正常启动的情况发生，所述预紧弹簧的长度大于复位弹簧的长度。

17、本发明中，利用预紧力螺杆将质量块和位于质量块两侧的两个压电陶瓷堆串联在一起，并使每个压电陶瓷堆均由四个压电陶瓷片和四个电极片交错叠合组成，可以使该双向超声换能器具备大功率输出能力，能大幅度地提高整体的输出能量，通过实验发现其输出功率可达约6000w；同时，通过装配了两个压电陶瓷堆，便能在两个方向上均能产生超声振动，并能实现振动能力的叠加增强，显著地提升了超声频振动能力。使后盖板的前端设置有螺纹安装孔一，并通过螺纹安装孔一固定套装在预紧力螺杆后端的外侧，这样，可以利用后盖板来对靠后一侧的压电陶瓷堆进行后限位，并能将其压紧在质量块的后侧；使前盖板的后端设置有螺纹安装孔二，并通过螺纹安装孔二固定套装在预紧力螺杆前端的外侧，这样，可以利用前盖板来对靠前一侧的压电陶瓷堆进行前限位，并能将其压紧在质量块的前侧，如此便能通过后盖板和前盖板配合预紧力螺杆将两个压电陶瓷堆压紧在质量块的两侧，有效确保了双向超声换能器整体性和紧凑性。使壳后盖由封堵块、定位套筒和连接凸块组成，并使封堵块通过螺纹配合封装在壳体后开口端，使定位套筒轴向滑动径向限位地套设在后盖板上定位柱后端的外部，不仅可以便于对双向超声换能器的后端进行限位，而且还能便于向双向超声换能器传递扭矩，同时，不会对双向超声换能器的轴向往复运动过程产生任何干扰，由此双向超声换能器具有一定的轴向往复运动能力，使得双向超声换能器在能提供机构振动的同时，还能产生模塞振动，使得该钻进装置具有双重振动能力，显著增强了钻进效果。将预紧弹簧套设于定位套筒的外侧，并使其两端分别抵接在定位套筒外侧的预紧螺母和后盖板上的定位块上，能为壳后盖和后盖板提供相互分离的弹性作用力，可有效避免因壳后盖压紧后盖板所导致的阻抗不匹配情况的出现，进而能避免因阻抗不匹配而使装置无法正常运行的情况发生；另外，在双向超声换能器往复运动过程中，能为双向超声换能器提供来自后侧的复位弹力，进而能在钻进软岩或其他硬度较差的物质时，有效避免因反力不足而使双向超声换能器长时间贴附于壳后盖一侧而无法反弹的情况出现。由于在定位套筒外侧设置了外螺纹结构二，因此预紧螺母可以通过螺纹配合的方式便捷地套装于定位套筒上，同时，还能通过调节预紧螺母在定位套筒上高度的方式来调节预紧弹簧预紧力的大小，进而能调节复位弹力的大小。在定位柱的表面涂覆有绝缘材料层，可以进一步避免壳后盖压紧后盖板后导致阻抗不匹配的问题发生，从而可以确保装置不会意外停止工作。使固定封装在壳体前端的花键套轴心处设置有花键孔，并轴向可滑动径向限位地套装于花键轴的外部，同时，使变幅杆的后端与双向超声换能器前端前盖板的前端固定连接，可以便于将来自壳体的扭矩传递给钻具，这样，确保了来自双向超声换能器的扭矩和来自壳体的扭矩均能可靠地传递给钻具，显著地提高了扭矩的传递效率。由此，通过前端花键套和后端壳后盖综合传递扭矩的作用下，可以确保前端的钻头能随着壳体、双向超声换能器和变幅杆的旋转同步地进行旋转动作，有效地提高了钻进能力。另外，将双向超声换能器和变幅杆作为一个整体轴向可滑动地装配在壳体的安装腔中，可以利用壳体对双向超声换能器起到保护的作用。由于变幅杆采用了变径设计，且前段的外径更小，这样，双向超声换能器产生的超声频振动的振幅便能在戴面积更小的小径段上得到放大并达到工作所需振幅，显著提高了钻头的振动能力。将复位弹簧套设于变幅杆小径段的外部，同时，使其两端分别与固接在壳体前端内侧的限位环和变幅杆的大径段相抵接，能在双向超声换能器往复运动过程中，为双向超声换能器提供来自前侧的复位弹力，这样，通过预紧弹簧和复位弹簧的配合设置，能确保双向超声换能器的前后两端均具有复位弹力，有效确保了双向超声换能器在工作过程中能够持续地进行轴向上的往复运动。由于双向超声换能器的前后两端皆具备超声频振动能力，且振幅可超过50微米，通过大量的实验总结，在该振幅条件下，双向超声换能器的一端接触固定的具有一定硬度的部件时，可以使双向超声换能器整体发生反弹的情况，且在钻进过程中还存在接触反弹力和钻进压力，进而能在多重力的耦合作用下，使双向超声换能器与变幅杆在壳体内产生声频的大振幅的振动。这样，当双向超声换能器接通超声波电源后，前盖板和后盖板均能产生高频超声振动，由于前盖板与钻具的变幅杆固定连接，因此前端产生的超声频振动会经变幅杆和花键轴传递给钻头，使得钻头能够产生超声频的振动，而后盖板与壳后盖轴向滑动连接，并会在钻进压力作用下接触壳后盖，因此后端产生的超声频振动会经壳后盖作用于变幅杆的末端，并在后盖板与变幅杆末端的撞击过程中产生低频冲击的声波，产生的声波会经壳体及双向超声换能器传递到钻头上，使得钻头产生声频的振动，这样，便实现了对变幅杆及钻头的超声频和声频复合振动激励，从而使钻头在旋转钻进的同时，能对岩石施加声频和超声频复合的振动激励，进而可以在有限的空间内显著地提高了钻进时的冲击力，提升了钻进效率，并有利于延长了钻头及变幅杆的寿命。

18、本发明针对传统钻具钻进煤矿井下深层硬岩时所存在的钻进效率低、钻具损伤大、可用空间小等问题提供了一种新的解决方案。本发明通过在变幅杆及钻头复合施加超声频与声频冲击，使得变幅杆及钻头具有更大的钻进冲击力，进而能在深层硬岩钻进过程中，显著提高了钻进效率，并能有利于减小钻具的磨损率，达到辅助钻进的效果。本发明结构紧凑，安装过程简单，维护过程便捷，制造成本低，能在有限空间内显著提高钻进效率，并能有效延长钻具的使用寿命，有利于大面积推广应用。