井下轴承振动实验装置的制作方法

本实用新型涉及一种钻探与钻井工具实验领域，尤其涉及一种井下轴承振动实验装置。

背景技术：

轴承是孔下动力钻具的关键部件之一，钻进时其承受着旋转摩擦、振动、冲击等恶劣工况，容易造成轴承失效，轴承的可靠性和寿命已经成为制约孔下动力钻具发展的重点所在。由于国外的技术封锁，对于井下轴承我国尚无成套规范，对其工艺性能了解不够全面，其具体性能与参数仍有待摸索确定，亟需从多方面摸索吃透其性能特点与使用条件范围。

振动作为动力钻具作业过程中的关键状态已得到研究学者的关注，在振动对于螺纹、钻头切削片失效的影响的研究上已得到一定进展，但振动对轴承失效的影响仍有待研究。目前，在振动方面的研究普遍还保持在钻具整体的尺度上来进行分析，没有单独针对动力钻具轴承振动特性进行分析。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的缺点和不足，本实用新型的目的在于提供一种能够模拟井下轴承振动的实验装置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种井下轴承振动实验装置，包括振动台、旋转输出台、钻杆、轴承支撑筒、支撑滑台、支撑滑台夹具和振动台夹具，所述振动台夹具设置在振动台台面上，支撑滑台夹具设置在支撑滑台台面上；所述轴承支撑筒包括联轴器、旋转外筒、多根扭矩传递螺栓、轴承、轴承组固定筒、钻头、支撑轴、钻头变径套和转换接头；所述旋转外筒一端连接轴承端盖，所述联轴器连接在轴承端盖上，旋转外筒靠近轴承端盖的一端筒腔为岩样腔，在岩样腔的腔壁上沿周向开一圈螺纹孔，对应每个螺纹孔匹配一根紧固岩样螺栓；所述钻头设置在旋转外筒内，钻头端部朝向岩样腔；所述轴承组固定筒设置在旋转外筒的另一端，所述轴承设置在轴承组固定筒内，轴承的外圈与轴承组固定筒固定支撑，内圈固定套在支撑轴上，支撑轴一端通过钻头变径套与钻头连接，另一端与转换接头固定连接；多根扭矩传递螺栓在旋转外筒对应轴承组固定筒的位置沿旋转外筒径向插入旋转外筒，扭矩传递螺栓的端部抵住轴承组固定筒；所述钻杆一端通过振动台夹具固定在振动台台面上，另一端穿过支撑滑台夹具与转换接头连接。

优选地，所述振动台夹具包括底座、钻杆接头、调整动块和调整压块，所述调整动块的一面固定安装钻杆接头，与其相对的一面具有斜面；底座上设置有挡块，所述调整动块放置在底座上，调整动块的斜面朝向挡块设置；所述调整压块的一面与挡块滑动配合，另一面加工有与调整动块斜面滑动配合的斜槽；在调整压块的顶面开两个键孔，两个键孔分别位于斜槽的两侧，在每个键孔内设置有固定螺栓，固定螺栓底端与底座固定连接，凸出键孔的螺杆上螺纹连接调节螺母；调整动块的两侧也设置有固定螺栓，所述固定螺栓的另一端穿过所述挡块，穿过挡块的一端螺纹连接调节螺母。

优选地，所述支撑滑台夹具包括底座、夹板和垫块；所述底座通过螺栓固定安装在支撑滑台台面上，所述垫块放置在两块夹板中间形成一夹持结构，所述夹持结构放置在底座上，在夹持架构的四周均设置有挡块进行限位。

优选地，轴承组固定筒的外壁上铣出多道键槽，所述键槽数量与扭矩传递螺栓数量对应，所述键槽的走向与轴承组固定筒的轴向相同。

优选地，所述旋转外筒对应设置有扭矩传递螺栓的位置均焊接六角开槽螺母，所述扭矩传递螺栓旋入六角开槽螺母后插入至旋转外筒内。

优选地，扭矩传递螺栓沿旋转外筒周向成环形均布插入至旋转外筒内，在旋转外筒对应扭矩传递螺栓的插入孔一侧还开有至少一圈备用孔，所述备用孔与对应的插入孔之间的连线与旋转外筒的轴线平行，对应的每一个备用孔处均焊接六角开槽螺母。

优选地，还包括固定垫块，所述固定垫块放置于调整压块上，固定垫块对应两个键孔的位置开孔，凸出键孔的螺杆穿过固定垫块上的孔与调节螺母螺纹连接；所述挡块朝向调整动块的一面也为斜面，调整动块与其滑动配合的一面也加工有斜槽。

优选地，还包括多根定位螺栓，所述定位螺栓从旋转外筒对应钻头变径套的位置插入，多根定位螺栓沿旋转外壁周向成环形均匀分布。

优选地，还包括备用插入孔，所述备用插入孔位于旋转外筒筒壁上的一圈定位螺栓插入孔的一侧；在定位螺栓插入孔和备用插入孔处均焊接有六角开槽螺母，所述定位螺栓旋入六角开槽螺母后插入至旋转外筒内。

优选地，在所述振动台工作时，所述支撑滑台台面和振动台台面沿所述钻杆轴向往复振动。

与现有技术相比，本实用新型实施例至少具有以下优点：

本实用新型可实现井下旋转振动作业环境的模拟，包括动力马达上部激振源、轴承组内外圈的相对运动、孔底作业面模拟，具有提供旋转、模拟孔底摩擦切削、传递振动的功能，可为孔底工具振动测试提供模拟条件，用于测试井下轴承的振动特性，为轴承组及底部钻具组合的优化设计提供参考依据。

模拟因钻进岩层对钻具产生的振动：钻进过程中，不同钻头碎岩机理不同，该装置可模拟不同钻头对不同岩石的钻进时产生的振动。

井下轴承振动实验装置能为轴承组提供不同类型、不同频率的振动信号。可以对实际施工中遇到的各种振动信号进行模拟，并在一定范围内调整振动信号的参数，实现对各种施工环境的模拟，增强实验数据对于现实工况的参考价值。

在提供恒定振动信号的前提下保证轴承组的旋转状态。轴承组是动力钻具在实际施工作业过程中的关键环节，要承受钻压的同时保证轴承组固定筒和钻杆的相对转动，该装置可以模拟轴承组在实际作业过程中的旋转。

附图说明

图1为本实用新型井下轴承振动实验装置的结构示意图；

图2为本实用新型井下轴承振动实验装置的旋转输出台的结构示意图；

图3为本实用新型井下轴承振动实验装置的振动台夹具的结构示意图；

图4为本实用新型井下轴承振动实验装置的支撑滑台夹具的结构示意图；

图5为本实用新型井下轴承振动实验装置的轴承支撑筒的结构示意图；

图6为本实用新型井下轴承振动实验装置的振动台夹具的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图对本实用新型作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本实用新型的保护范围。

一种井下轴承振动实验装置，包括振动台27、旋转输出台30、钻杆3、轴承支撑筒31、支撑滑台、支撑滑台夹具32和振动台夹具33，所述振动台夹具33设置在振动台台面1上，支撑滑台夹具32设置在支撑滑台台面2上；所述轴承支撑筒31包括联轴器6、旋转外筒7、多根扭矩传递螺栓8、轴承16、轴承组固定筒9、钻头14、支撑轴15、钻头变径套10和转换接头11；所述旋转外筒7一端连接轴承端盖12，所述联轴器6连接在轴承端盖12上，旋转外筒7靠近轴承端盖12的一端筒腔为岩样腔，在岩样腔的腔壁上沿周向开一圈螺纹孔，对应每个螺纹孔匹配一根紧固岩样螺栓13；所述钻头14设置在旋转外筒7内，钻头14端部朝向岩样腔；所述轴承组固定筒9设置在旋转外筒7的另一端，所述轴承16设置在轴承组固定筒9内，轴承16的外圈与轴承组固定筒9固定支撑，内圈固定套在支撑轴15上，支撑轴15一端通过钻头变径套10与钻头14连接，另一端与转换接头11固定连接；多根扭矩传递螺栓8在旋转外筒7对应轴承组固定筒9的位置沿旋转外筒7径向插入旋转外筒7，扭矩传递螺栓8的端部抵住轴承组固定筒9；所述钻杆3一端通过振动台夹具33固定在振动台台面1上，另一端穿过支撑滑台夹具32与转换接头11连接。

所述振动台夹具33包括底座、钻杆接头4、调整动块5和调整压块16，所述调整动块5的一面固定安装钻杆接头4，与其相对的一面具有斜面；底座上设置有挡块17，所述调整动块5放置在底座上，调整动块5的斜面朝向挡块17设置；所述调整压块16的一面与挡块17滑动配合，另一面加工有与调整动块5斜面滑动配合的斜槽；在调整压块16的顶面开两个键孔，两个键孔分别位于斜槽的两侧，在每个键孔内设置有固定螺栓，固定螺栓底端与底座固定连接，凸出键孔的螺杆上螺纹连接调节螺母；调整动块5的两侧也设置有固定螺栓，所述固定螺栓的另一端穿过所述挡块17，穿过挡块17的一端螺纹连接调节螺母；还包括固定垫块18，所述固定垫块18放置于调整压块16上，固定垫块18对应两个键孔的位置开孔，凸出键孔的螺杆穿过固定垫块18上的孔与调节螺母螺纹连接；所述挡块17朝向调整动块5的一面也为斜面，调整动块5与其滑动配合的一面也加工有斜槽。振动台夹具33实现振动台27处钻杆3的支撑作用，排除设备加工安装过程中出现的误差，对钻杆3的位置进行调整，传递试验过程中振动信号。振动台台面1带有安装螺栓孔，为了能够尽可能扩大振动台夹具33对于钻杆3的调整能力，振动台夹具33底座上布置了均匀的安装孔19，使得夹具在振动台27上可调整6个安装位置，为保证振动台夹具33能进行精细调节，振动台夹具33采用的调整压块16结构实现长度调节，调整压块16可实现5cm的调整距离，配合振动台夹具33底座螺栓孔和6个安装位置可实现全台面尺寸调整，振动台夹具33通过水平向和竖直向的固定螺栓紧固达到固定的目的。其中滑槽与斜面的插接配合在实现长度调节的前提下也使得振动台27产生的振动完美的传递至钻杆3，避免在振动过程中掺杂调整压块16、调节动块和挡块17之间相对运动产生的干扰振动。

所述支撑滑台夹具32包括底座29、夹板20和垫块21；所述底座29通过螺栓固定安装在支撑滑台台面2上，所述垫块21放置在两块夹板20中间形成一夹持结构，所述夹持结构放置在底座29上，在夹持架构的四周均设置有定位挡块28进行限位。支撑滑台能够在振动台27和旋转输出台30连线方向上前后滑动，支撑滑台夹具32负责支撑钻杆3，借助钻杆3自身切槽固定，保证旋转输出台30旋转轴心与振动台夹具33钻杆3中心重合。

轴承组固定筒9的外壁上铣出多道键槽，所述键槽数量与扭矩传递螺栓8数量对应，所述键槽的走向与轴承组固定筒9的轴向相同。扭矩传递螺栓8的端部插入到键槽内时避免发生打滑现象，从而实现扭矩的传递。

所述旋转外筒7对应设置有扭矩传递螺栓8的位置均焊接六角开槽螺母，所述扭矩传递螺栓8旋入六角开槽螺母后插入至旋转外筒7内。

扭矩传递螺栓8沿旋转外筒7周向成环形均布插入至旋转外筒7内，在旋转外筒7对应扭矩传递螺栓8的插入孔一侧还开有至少一圈备用孔，所述备用孔与对应的插入孔之间的连线与旋转外筒7的轴线平行，对应的每一个备用孔处均焊接六角开槽螺母。备用孔的作用参见备用螺纹孔的作用，主要目的在于随轴承组固定筒9位置的变化调整扭矩传递螺栓8的插入位置。

在旋转外筒7开的一圈螺纹孔侧边还开有多圈备用螺纹孔。根据岩样形状的不同，选择合适位置的螺纹孔插入紧固岩样螺栓13进行岩样固定。

还包括多根定位螺栓22，所述定位螺栓22从旋转外筒7对应钻头变径套10的位置插入，多根定位螺栓22沿旋转外壁周向成环形均匀分布。定位螺栓22用于支撑钻头变径套10，避免因自身重力影响对心。

还包括备用插入孔，所述备用插入孔位于旋转外筒7筒壁上的一圈定位螺栓22插入孔的一侧；在定位螺栓22插入孔和备用插入孔处均焊接有六角开槽螺母，所述定位螺栓22旋入六角开槽螺母后插入至旋转外筒7内。备用插入孔的作用在于随岩样大小、钻头长短等变化来调整定位螺栓22的位置，保证其余钻头变径套10的位置对应。

在定位螺栓22和扭矩传递螺栓8上均开有水平方向的通孔，当定位螺栓22和扭矩传递螺栓8旋入旋转外筒7时，从六角开槽螺母的槽中向通孔内插入销，通过销和槽使定位螺栓22和扭矩传递螺栓8在振动过程中松动。

在所述振动台27工作时，所述支撑滑台台面2和振动台台面1沿所述钻杆3轴向往复振动。

振动台27提供振动信号，实现对轴承组的激振，振动信号通过振动台夹具33、支撑滑台夹具32、钻杆3传递到轴承组。

旋转功能的实现依靠轴承端盖12、扭矩传递螺栓8、旋转外筒7三部分实现，轴承端盖12将电动机通过蜗杆减速机23、板轮24、皮带25和旋转输出轴26传来的动能传递给旋转外筒7，旋转外筒7借助焊接在外筒上的六角开槽螺母通过扭矩传递螺栓8传递给带有键槽的轴承组固定筒9。

装置利用不同的岩石作为模拟钻进岩层，钻进面模拟通过紧固岩样螺栓13将岩样固定在旋转外筒7，钻头与岩样接触后借助旋转外筒7与钻头的相对转动实现模拟孔底钻进岩层产生的振动变化。

操作过程：

完成旋转输出台30与轴承支撑筒31的组装；

对振动台27、旋转输出台30、支撑滑台、振动台夹具33和支撑滑台夹具32进行调中，保证钻杆3轴线与旋转输出台30旋转输出轴26轴线、轴承组支撑筒轴同心；

将振动加速度传感器粘结在测试体(轴承16)上，用于采集轴承组的振动信号；

将扭矩传递螺栓8旋入抵住轴承组固定筒9；

启动电动机，利用变频器实现对转速的调控，通过蜗杆减速机23、板轮24、皮带25和旋转输出轴26带动轴承支撑筒31转动，继而带动轴承16外圈的旋转。

设置振动试验参数，开启振动台27，将激振信号传递到轴承组。

采集轴承组产生的响应信号，并进行分析，得出轴承16的振动特性。

当扭矩传递螺栓8抵住轴承组固定筒9时，同时打开振动台27和旋转输出台30，可还原井下钻进工况，从而获得真实的钻孔过程中井下轴承16的振动特性。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。