共振破岩试验台、钻具驱动装置及旋转驱动装置的制作方法

本实用新型涉及石油行业中钻井设备技术领域，特别涉及一种共振破岩试验台、钻具驱动装置及旋转驱动装置。

背景技术：

共振破岩是一种先进的前沿钻井技术，能够通过调整激振频率使钻头与被钻岩石之间形成共振，加速裂纹扩展，提高冲击系统破岩效率和对不同地层的自适应性。共振使冲击能量集中在钻头上，因此可以在较低钻压和冲击能的条件下实现高效破岩，与其他旋冲钻井工具相比具有独特的技术优势。

共振破岩是一种非常复杂的非线性动态过程，影响因素众多，研究开发难度很大。为突破关键核心技术壁垒，除了理论分析，更需要进行大量的试验验证。

目前可用于破岩技术研究的试验台种类繁多，每个试验台一般都具备驱动钻具给进和旋转功能，提供破岩所需的钻压和切削扭矩，并测量钻压、钻速、转速和扭矩等参数。

共振破岩试验除了需具备以上功能外，还需根据此项技术和所用钻具的特点，配置具备特定试验功能的设备、工具和检测仪器等。如适用于驱动共振破岩钻具运动的装置，用于实时传输钻头振频、振幅和加速度等检测参数的机构等。但是，现有的试验台结构和功能还无法满足共振破岩试验的需求。

本专利提出了一种共振破岩试验台、钻具驱动装置及旋转驱动装置，用于填补现有技术的空白，开展共振破岩技术及机具试验研究。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种共振破岩试验台、钻具驱动装置及旋转驱动装置，能够克服现有技术的缺陷，具备驱动共振破岩机具旋转、给进和振动等功能，能较佳地满足共振破岩试验的需求。

本实用新型的上述目的可采用下列技术方案来实现：

一种旋转驱动装置，其包括：

主轴、第一马达、传动机构、第一超越离合器、用于检测所述主轴转速和扭矩的第一传感器，所述第一马达通过传动机构、第一传感器驱动所述主轴转动；

中心轴、第二马达、第二超越离合器，用于检测所述中心轴转速和扭矩的第二传感器，所述第二马达通过所述第二超越离合器、第二传感器驱动所述中心轴旋转；

当所述主轴转速大于所述第二马达输出转速时，所述第一超越离合器结合，所述第二超越离合器解脱，所述主轴带动中心轴同步转动；

当所述第二马达输出转速大于所述主轴转速时，所述第二超越离合器结合，所述第一超越离合器解脱，所述第二马达带动所述中心轴相对所述主轴转动，启动振动机构。

在一个优选的实施方式中，所述传动机构包括：所述第一马达连接的联轴器，以及设置在所述第一传感器与所述主轴之间的齿轮机构，当所述第一马达启动时，其依次通过所述联轴器、第一传感器、齿轮机构传输给所述主轴转动力。

在一个优选的实施方式中，所述齿轮机构包括：齿轮箱、通过轴承与所述齿轮箱转动连接的小齿轮和大齿轮，其中，所述大齿轮与所述主轴固定连接。

在一个优选的实施方式中，所述主轴包括：第一圆锥滚子轴承、推力滚子轴承、圆柱滚子轴承，所述主轴在所述第一圆锥滚子轴承和所述推力滚子轴承之间的部位与所述大齿轮固定连接。

在一个优选的实施方式中，所述齿轮箱上与所述大齿轮相正对的位置设置有第一端盖，

所述主轴呈中空的圆管状，其具有相对的前端和后端，所述主轴与所述第一端盖之间形成有环空通道，且所述第一端盖的两侧通过密封件将所述环空通道密封，所述主轴上在与所述环空通道相对的位置设置有侧孔，所述第一端盖上设置有进水口，所述进水口、环空通道、侧孔依次连通。

在一个优选的实施方式中，所述主轴的前端伸出所述第一端盖，用于和传动接头连接，在所述传动接头与所述第一端盖之间的主轴外还设置有过孔滑环。

在一个优选的实施方式中，所述主轴设置有中心孔，所述中心孔自所述前端至所述后端依次包括：第一中心孔段、第二中心孔段和第三中心孔段，所述第二中心孔段与所述中心轴之间通过密封件密封连接。

在一个优选的实施方式中，所述齿轮箱上与所述第一端盖相对的另一侧设置有第二端盖，

所述中心轴设置在所述主轴内，所述中心轴与所述主轴的第三中心孔段之间设置有第二圆锥滚子轴承和第三圆锥滚子轴承，所述中心轴由安装在所述第三中心孔内的第二圆锥滚子轴承和第三圆锥滚子轴承支撑，并通过所述第一超越离合器和压盖与所述主轴连接。

一种包含上述任一所述的旋转驱动装置钻具驱动装置，其还包括：加压装置、测试机构以及试验架，其中，所述加压装置包括：加压油缸、活塞杆、测力传感器和位移/速度传感器；所述试验架包括：设置有导轨的底座支架、与所述导轨相匹配的滑动底座。

一种共振破岩试验台，其包括上述任一所述的旋转驱动装置。

本实用新型的特点和优点是：本申请实施方式中提供一种共振破岩试验台、钻具驱动装置及旋转驱动装置，设置的中心轴能够相对所述主轴转动，使用时通过先启动低速第一马达带动钻头在非振动条件下旋转破岩，此时中心轴随主轴旋转，无相对转动；进一步的，启动第二马达驱动中心轴相对主轴旋转，此时将激发振动，钻头在振动条件下旋转破岩。也就是说，本申请所提供的共振破岩试验台、钻具驱动装置及旋转驱动装置，其中旋转驱动装置通过调整转速能够控制共振频率，激发共振破岩钻具振动，满足共振破岩的试验要求。进一步的，包含该旋转驱动装置的钻具驱动装置，具备驱动共振破岩机具旋转、给进和振动等功能，以便于实时获取钻压、钻速、转速、扭矩以及钻头振动等各项参数。

现在技术中，常用的钻具驱动装置只具备简单的通过主轴驱动钻具旋转功能，没有中心轴驱动机构，不能激发共振破岩钻具振动。本申请通过设置主轴和中心轴双驱动结构，除了具备驱动钻具旋转功能，还能根据试验需求控制共振破岩钻具振动，而且主轴和中心轴之间的相对运动可以自动切换，控制简单可靠。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

图1是本申请第一实施方式中一种共振破岩试验台旋转驱动装置的剖视图；

图2是本申请第一实施方式中一种共振破岩试验台旋转驱动装置中主轴的剖视图；

图3是本申请第一实施方式中一种共振破岩试验台钻具驱动装置的结构示意图；

图4是申请第一实施方式中一种共振破岩试验台钻具驱动装置的俯视图。

附图标记说明：

1-旋转驱动装置；2-加压装置；3-导轨；4-底座支架；5-传动接头；6-过孔滑环；7-第一端盖；8-进水口；9-环空通道；10-第一圆锥滚子轴承；11-第二圆锥滚子轴承；12-推力滚子轴承；13-第三圆锥滚子轴承；14-圆柱滚子轴承；15-第一超越离合器；16-压盖；17-第二端盖；18-第一传感器；19-第一安装板；20-第二超越离合器；21-第二安装板；22-第二马达；23-连接杆；24-加载板；25-滑动底座；26-中心轴；27-主轴；28-第一旋转密封；29-第二旋转密封；30-第三旋转密封；31-大齿轮；32-第三端盖；33-第四圆锥滚子轴承；34-小齿轮；35-齿轮箱；36-第五圆锥滚子轴承；37-第三安装板；38-第二传感器；39-联轴器；40-第四安装板；41-第一马达；42-第一中心孔段；43-第二中心孔段；44-第三中心孔段；45-主轴侧孔；46-承载梁；47-测力传感器；48-加压油缸；49-位移/速度传感器；50-活塞杆。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本实用新型的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本实用新型提供一种共振破岩试验台、钻具驱动装置及旋转驱动装置，能够克服现有技术的缺陷，具备驱动共振破岩机具旋转、给进和振动等功能，以便于实时获取钻压、钻速、转速、扭矩以及钻头振动等各项参数，能较佳地满足共振破岩试验的需求。

请参阅图1至图2，本申请实施方式中提供的一种共振破岩试验台旋转驱动装置，该共振破岩试验台旋转驱动装置可以包括：主轴27、第一马达41、传动机构、第一超越离合器15、用于检测所述主轴27转速和扭矩的第一传感器18，所述第一马达41通过传动机构、第一传感器18驱动所述主轴27转动；中心轴26、第二马达22、第二超越离合器20，用于检测所述中心轴26转速和扭矩的第二传感器38，所述第二马达22通过所述第二超越离合器20、第二传感器38驱动所述中心轴26旋转；当所述主轴27转速大于所述第二马达22输出转速时，所述第一超越离合器15结合，所述第二超越离合器20解脱，所述主轴27带动中心轴26同步转动；当所述第二马达22输出转速大于所述主轴27转速时，所述第二超越离合器20结合，所述第一超越离合器15解脱，所述第二马达22带动所述中心轴26相对所述主轴27转动，启动振动机构。

在本实施方式中，所述第一马达41为大扭矩马达，该大扭矩马达最高扭矩能达到1000N.m(牛·米)以上，该大扭矩马达除了扭矩大，在低速运行时具有较佳地稳定性，能够带动主轴27平稳启动。所述第二马达22为高速马达，用于带动中心轴26相对所述主轴27转动，从而激发振动。所述第二马达22的最高转速达到2000rpm以上。

在本实施方式中，所述第一传感器18为第一扭矩/转速传感器，所述第二传感器38为第二扭矩/转速传感器，所述第一传感器18或第二传感器38能够获取扭矩和转速参数的传感器。

激发振动的条件是中心轴26相对主轴27转动。试验需要对比振动和非振动条件下的破岩效率。在本申请中，通过先启动低速第一马达41带动钻头在非振动条件下旋转破岩，此时中心轴26随主轴27旋转，无相对转动；进一步的，启动第二马达22驱动中心轴26相对主轴27旋转，此时将激发振动，钻头在振动条件下旋转破岩。也就是说，本申请所提供的旋转驱动装置通过调整转速能够控制共振频率，激发共振破岩钻具振动，满足共振破岩的试验要求。

现在技术中，常用的钻具驱动装置只具备简单的通过主轴27驱动钻具旋转功能，没有中心轴26驱动机构，不能激发共振破岩钻具振动。本申请通过设置主轴27和中心轴26双驱动结构，除了具备驱动钻具旋转功能，还能根据试验需求控制共振破岩钻具振动，而且主轴27和中心轴26之间的相对运动可以自动切换，控制简单可靠。

以下将结合具体的附图详细介绍本申请。

整体上，本申请所提供的共振破岩试验台旋转驱动装置可以包括：主轴27、中心轴26、传动机构、第一超越离合器15、第二超越离合器20、第一马达41、第二马达22、第一传感器18、第二传感器38、传动接头5等。

其中，所述传动机构可以包括：所述第一马达41连接的联轴器39，以及设置在所述第一传感器18与所述主轴27之间的齿轮机构，当所述第一马达41启动时，其依次通过所述联轴器39、第一传感器18、齿轮机构传输给所述主轴27转动力。

其中，所述齿轮机构可以包括：齿轮箱35、通过轴承与所述齿轮箱35转动连接的小齿轮34和大齿轮31，其中，所述大齿轮31与所述主轴27固定连接。

如图2所示，主轴27整体呈中空的圆管状，其具有相对的前端和后端。主轴27可以由一个第一圆锥滚子轴承10、一个推力滚子轴承12和一个圆柱滚子轴承14支撑。所述主轴27在所述第一圆锥滚子轴承10和所述推力滚子轴承12之间的部位与所述大齿轮31固定连接。

所述主轴27的中空部分为贯通的中心孔，所述中心孔自前端至后端可以分为：第一中心孔段42、第二中心孔段43和第三中心孔段44，其中，所述第二中心孔段43与所述中心轴26之间通过密封件密封连接。

所述齿轮箱35上与所述大齿轮31相正对的位置设置有第一端盖7。所述主轴27与所述第一端盖7之间形成有环空通道9。所述环空通道9的宽度即投射在所述主轴27上的长度可以为20至30毫米。所述第一端盖7的两侧通过密封件将所述环空通道9密封。具体的，所述密封件可以为旋转密封件，分别为第一旋转密封28和第二旋转密封29，即在所述主轴27相对所述第一端盖7旋转时，也能够保证较佳地密封性能。

所述主轴27上在与所述环空通道9相对的位置设置有侧孔45。所述第一端盖7上设置有进水口8。所述进水口8、环空通道9、侧孔45依次连通。使用时，可以通过所述进水口8注入冷却液，冷却液依次通过环空通道9和侧孔45进入所述中心轴26和主轴27之间的环空，从而实现对主轴27和中心轴26等转动部件的降温冷却并清除岩屑。

所述主轴27的前端伸出所述第一端盖7，用于和传动接头5连接，在所述传动接头5与所述第一端盖7之间的主轴27外还设置有过孔滑环6。该过孔滑环6用于为旋转体连通、输送能源与信号，其主要由旋转与静止两大部分组成，旋转部分连接设备的旋转结构并随之旋转运动，称为“转子”；静止部分连接设备的固定结构的能源，称为“定子”。在本申请中过孔滑环6转子套在主轴27上，定子可以与第一端盖7固定连接。

中心轴26安装在主轴27的中心孔内，具体的，安装时，所述中心轴26的前端先进入所述第三中心孔段44内，然后从主轴27第二中心孔段43延伸入主轴27第一中心孔段42。主轴27在第二中心孔段43上安装密封件，所述第二中心孔段43与所述中心轴26之间通过密封件密封连接，具体的，该密封件可以为旋转密封的形式，即为第三旋转密封30。

所述中心轴26与所述主轴27的第三中心孔段44之间设置有第二圆锥滚子轴承11和第三圆锥滚子轴承13。所述中心轴26由安装在主轴27第三中心孔内的第二圆锥滚子轴承11和第三圆锥滚子轴承13支撑，并通过第一超越离合器15和压盖16与主轴27连接。中心轴26后端从齿轮箱35第二端盖17伸出，与第一传感器18输出轴连接，第一传感器18输入轴通过第二超越离合器20与第二马达22输出轴连接。第一传感器18和第二马达22分别通过第一安装板19和第二安装板21固定在齿轮箱35上。

小齿轮34由第四圆锥滚子轴承33和第五圆锥滚子轴承36支撑。小齿轮34安装在两轴承中间。小齿轮34轴前端由第三端盖32封闭，后端伸出齿轮箱35，与第二传感器38输出轴连接。第二传感器38输入轴通过联轴器39与第一马达41输出轴连接。第二传感器38和第一马达41分别通过第三安装板37和第四安装板40固定在齿轮箱35上。

齿轮箱35通过连接杆23与加载板24固定连接。齿轮箱35和加载板24可以安装有滑动导轨3，可以通过滑动导轨3进行移动。

请结合参阅图3和图4，本申请基于上述旋转驱动装置还提供一种钻具驱动装置，该钻具驱动装置可以包括上述实施方式中所提供的旋转驱动装置1，并能实现所述旋转驱动装置1的技术效果。

具体的，所述共振破岩试验台还可以包括：加压装置2以及试验架。其中，所述加压装置2用于驱动钻具给进，其可以包括：加压油缸48、活塞杆50、测力传感器47、位移/速度传感器49；所述试验架可以包括：设置有导轨3的底座支架4、与所述导轨3相匹配的滑动底座25。

加压油缸48固定安装在底座支架4上部的承载梁46上，加压油缸48的活塞杆50前端安装有所述测力传感器47，加压油缸48后端盖安装位移/速度传感器49。测力传感器47与共振破岩试验台旋转驱动装置1的加载板24固定连接。

本申请所提供的旋转驱动装置其实现的原理如下：第一马达41通过联轴器39、第二传感器38、小齿轮34和大齿轮31驱动主轴27旋转，主轴27通过传动接头5与破岩试验机具外壳连接，驱动钻头旋转切削。第二马达22通过第二超越离合器20和第一传感器18驱动中心轴26旋转，中心轴26前端与破岩试验机具中心旋转轴连接，驱动振动机构振动。当主轴27转速大于第二马达22输出轴转速时，第一超越离合器15结合，第二超越离合器20解脱，主轴27带动中心轴26同步旋转，第二马达22输出轴自由转动，振动机构不启动；当第二马达22输出轴转速大于主轴27转速时，第二超越离合器20结合，第一超越离合器15解脱，第二马达22带动中心轴26相对主轴27转动，振动机构启动。

通过调节第一马达41供油流量和排量，可控制主轴27转速，进而控制破岩机具切削岩石速度；通过调节第二马达22供油流量和排量可以控制中心轴26转速，进而控制破岩机具振动频率。

通过第一传感器18和第二传感器38可分别测量第二马达22与第一马达41输出轴扭矩和转速。通过过孔滑环6可将破岩机具钻头振动信号实时传递给测量系统。循环水通过第一端盖7的进水口8进入环空通道9，然后通过主轴27上的侧孔45进入主轴27第一中心孔。

加压油缸48活塞杆50伸出，推动旋转驱动装置1沿滑轨前行，对破岩机具施加钻压。测力传感器47测量活塞杆50输出力(钻压)，位移/速度传感器49测量活塞杆50位移(进尺)和速度(钻速)。

本申请所提供的旋转驱动装置1采用的结构是根据共振破岩实验需求来设计的。主轴27用于驱动钻具和钻头旋转破岩。中心轴26用于驱动钻具和钻头振动。第一马达41为低速大扭矩马达是为了适应不同钻头和破岩工艺要求，通过齿轮变速后，主轴27转速可以在0-300rpm范围内调节，扭矩可以在0-2500N.m范围内调节。通过第二马达22与中心轴26、主轴27配合构成的高速旋转激振机构是可以适应大范围调频需求，转速范围0-2000rpm。在本实施方式中，通过上述结构还实现了激发振动与不激发振动之间的切换，能够满足试验对比需求，具体的，利用超越离合器实现机械式自动切换，简化了结构和控制，提高了可靠性。

本申请基于上述旋转驱动装置1，还提供了一种包含所述旋转驱动装置1的共振破岩试验台，该共振破岩试验台能够实现所述旋转驱动装置1实施方式所达到的技术效果，具体的，本申请在此不再赘述。

利用本申请所提供的包含旋转驱动装置1的共振破岩试验台在进行试验时，其具体的试验操作过程如下：

首先，以低压启动加压油缸48，通过活塞杆50推动旋转驱动装置1沿导轨3前行，对破岩机具施加钻压；

然后低速启动第一马达41，通过联轴器39、第二扭传感器38、小齿轮34和大齿轮31驱动主轴27旋转，主轴27通过传动接头5驱动破岩机具旋转切削岩石，此时第一超越离合器15结合，第二超越离合器20解脱，中心轴26随主轴27转动，破岩机具振动机构未启动；

逐步调节第一马达41转速和加压油缸48压力，使破岩机具切削速度和钻压达到设定值；

最后启动第二马达22并逐步增大转速，当第二马达22输出轴转速大于主轴27转速时，第二超越离合器20结合，第二马达22通过第二超越离合器20和第一传感器18驱动中心轴26相对主轴27旋转，第一超越离合器15解脱，中心轴26驱动破岩机具中心旋转轴旋转并激发振动，根据测试要求，调节第二马达22输出轴转速，控制破岩机具振动频率。

测试过程中，利用测力传感器47测量钻压，位移/速度传感器49测量破岩进尺和钻速，第二传感器38测量并换算出切削扭矩和转速，第一传感器18测量振动机构输入扭矩和转速。通过过孔滑环6将破岩机具钻头振动信号实时传递给测量系统。

另外，冷却循环水通过第一端盖7的进水口8进入环空通道9，然后经主轴27侧孔45、主轴第一中心孔段42和破岩机具内部通道从钻头水眼流出，清除岩屑并冷却钻头。

本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。

以上所述仅为本实用新型的几个实施方式，虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用于限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。