一種壓電陶瓷式聲波鉆頭的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種壓電陶瓷式聲波鉆頭，本實用新型將壓電陶瓷伸縮振動裝置安放在鉆頭內(nèi)，壓電陶瓷產(chǎn)生的高頻振動力直接傳遞給鉆頭的切削齒，形成聲波鉆進，大大提高鉆頭的振動碎巖效果，并可實現(xiàn)深孔聲波鉆進，大幅度提高深孔鉆進效率。
【專利說明】一種壓電陶瓷式聲波鉆頭
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種利用共振現(xiàn)象快速破碎巖石并提高機械鉆速的鉆井技術(shù)，主要應(yīng)用于灌注樁鉆孔施工、水文水井及礦山豎井施工、石油鉆井等領(lǐng)域。具體地說是一種壓電陶瓷式聲波鉆頭及其鉆井方法。
【背景技術(shù)】
[0002]聲波鉆進又稱高頻振動回轉(zhuǎn)鉆進，它利用與巖石共振的高頻沖擊，使巖石裂隙加速擴展形成疲勞破碎的原理，將高頻振動力、壓力和回轉(zhuǎn)力三者結(jié)合在一起，達到高速碎巖的目的。隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，我國在灌注樁鉆孔施工、水文水井及礦山豎井施工、石油鉆井等領(lǐng)域?qū)︺@進效率的要求不斷提高。
[0003]聲波鉆進是一種高頻(接近聲頻)振動回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù),振動頻率達1-2萬次/分種。目前該方法中，高頻振動力是通過安放在鉆機動力頭上部的高頻振動發(fā)生器，通過動力頭下部的鉆桿將振動力傳給底部的鉆頭；再通過動力頭提供的回轉(zhuǎn)力和加壓力，進行振動回轉(zhuǎn)鉆進的一種方法。聲波鉆進是一種使巖石產(chǎn)生疲勞破碎的過程，與其它沖擊鉆進或振動鉆進方法相比，其碎巖效率更高、能量利用率更高，且具有泥漿用量少的特點，國外環(huán)境地質(zhì)勘察用的較多，國內(nèi)在工程地質(zhì)勘察、環(huán)境地質(zhì)勘察中也開始得到應(yīng)用。
[0004]目前聲波鉆進技術(shù)主要存在以下問題:
[0005]工作頻率低:目前聲波鉆進使用的振動發(fā)生器主要有兩種:偏心輪式機械振動發(fā)生器、液壓沖擊式振動發(fā)生器。偏心輪式機械振動發(fā)生器振動頻率低，最高只能達3000次/分種；液壓振動發(fā)生器最高也僅達12000次/分種。其振動頻率尚未達到巖石的自振頻率，碎巖效果不理想。
[0006]機械式振動器可靠性差:偏心輪由電機帶動高速旋轉(zhuǎn)，容易飛車，并且運動部位易磨損，使用壽命短。
[0007]液壓式振動器加工工藝復雜、成本高:目前我國應(yīng)用的液壓振動器只能靠進口，成本高，維修困難，不適合國情。
[0008]深孔鉆進效率低:目前聲波鉆進中，振動發(fā)生器均安放在鉆機的動力頭上，振動力只能通過鉆桿傳遞給鉆頭。深孔鉆桿長時，振動力在鉆桿中傳遞的損失大，鉆頭對巖石的振動效果差，鉆進效率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本實用新型的目的就在于克服目前聲波鉆進技術(shù)的不足，而提供一種壓電陶瓷式聲波鉆頭。本實用新型將壓電陶瓷伸縮振動裝置安放在鉆頭內(nèi)，壓電陶瓷產(chǎn)生的高頻振動力直接傳遞給鉆頭的切削齒，形成聲波鉆進，大大提高鉆頭的振動碎巖效果，并可實現(xiàn)深孔聲波鉆進，大幅度提聞深孔鉆進效率。
[0010]本實用新型是由發(fā)電部分、振動部分、上鉆頭體和下鉆頭體構(gòu)成，
[0011]所述的發(fā)電部分是由渦輪馬達、發(fā)電機和壓電陶瓷驅(qū)動電路構(gòu)成，渦輪馬達與發(fā)電機聯(lián)接，渦輪馬達帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動發(fā)電，發(fā)電機的輸出電源與壓電陶瓷驅(qū)動電路連接，發(fā)電部分通過固定柱與上鉆頭體連接，發(fā)電機的導電線經(jīng)由固定柱的導線通道中穿出；上鉆頭體的具有外螺紋；
[0012]所述的振動部分是由絕緣殼體、上端導電金屬圈、下端導電金屬圈、壓電陶瓷、絕緣墊片和彈簧構(gòu)成，壓電陶瓷的上下端面分別貼設(shè)上端導電金屬圈和下端導電金屬圈，下端導電金屬圈的下面依次設(shè)置絕緣墊片和彈簧，下端導電金屬圈和絕緣墊片可隨壓電陶瓷在絕緣殼體內(nèi)上下振動；振動部分內(nèi)置在上鉆頭體內(nèi)，并位于發(fā)電部分之下；壓電陶瓷、絕緣墊片和彈簧構(gòu)成壓電陶瓷伸縮振動裝置；
[0013]所述的上鉆頭體與鉆桿通過螺紋連接，上鉆頭體內(nèi)設(shè)有導線槽和導線通道，導線自固定伸出，沿上鉆頭體內(nèi)表面導線槽，再進入導線通道并分別直接連接壓電陶瓷的上端導電金屬圈和下端導電金屬圈，從而形成閉合回路；上鉆頭體與下鉆頭體通過螺紋連接構(gòu)成鉆頭體，將鉆頭的振動部分密封；振動部分的彈簧與下鉆頭體直接接觸并與絕緣墊片壓緊，進而擠壓壓電陶瓷，給予壓電陶瓷初始壓應(yīng)力；下鉆頭體下部具有鉆井液通道和鉆頭的切削具。
[0014]鉆頭的各部位連接后，內(nèi)腔相通，形成鉆井液通道，鉆井液通過渦輪馬達驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電后，從鉆頭鉆底部水口流出，冷卻鉆頭、攜帶巖屑。
[0015]本實用新型的工作原理:
[0016]壓電陶瓷的伸縮材料在交變電流下能夠產(chǎn)生高頻伸縮，并且在室溫下應(yīng)變值很大，能量密度高；機電耦合系數(shù)大；響應(yīng)快，輸出力大，因此是可產(chǎn)生高頻振動并傳遞高強度應(yīng)力的新型材料。本實用新型首次將其置入鉆頭中。
[0017]本鉆頭工作時，鉆井液經(jīng)鉆桿中心通道，流至鉆頭，驅(qū)動渦輪馬達旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機發(fā)電，產(chǎn)生的交變電流通過導線驅(qū)動壓電陶瓷產(chǎn)生高頻軸向振動。由于壓電陶瓷下部設(shè)置有彈簧,故產(chǎn)生向下的高頻振動力，并驅(qū)動下鉆頭體對孔底巖石產(chǎn)生高頻振動力。在鉆頭的回轉(zhuǎn)與給進力聯(lián)合作用下，實現(xiàn)聲波鉆進。
[0018]壓電陶瓷外部絕緣殼體和下部絕緣墊片防止鉆頭體導電、漏電，使電路更加穩(wěn)定。由于上鉆頭體與下鉆頭體的螺紋連接構(gòu)成鉆頭體，使得整個振動部分處于密閉空間中，既能夠?qū)弘娞沾傻母哳l振動直接傳遞給下鉆頭體，又能夠保證其密封性，避免泥漿侵入鉆頭振動部分。同時，由于壓電陶瓷的抗拉強度較低，因此當彈簧與壓電陶瓷壓緊后，使壓電陶瓷始終處于一定壓應(yīng)力下，減少受拉破壞，延長使用壽命。因此，鉆頭在正?；剞D(zhuǎn)鉆進同時，能夠穩(wěn)定地進行與巖石“自然頻率” 一致的高頻振動。
[0019]本實用新型的有益效果:
[0020]1、本實用新型將壓電陶瓷致伸縮材料置于鉆頭中，克服了聲波鉆進技術(shù)的不足。本實用新型能夠在鉆頭部位直接產(chǎn)生高頻振動破碎巖石，不需經(jīng)過鉆桿進行傳遞，大大提高了能量利用率；
[0021]2、本實用新型的振動頻率高，能夠達到巖石的共振頻率，使巖石快速產(chǎn)生疲勞破碎，提高機械鉆速2至5倍。并且降低了鉆壓，可減少鉆桿彎曲及鉆孔彎曲。可大幅度提高聲波鉆進鉆孔深度，使聲波鉆進應(yīng)用于中深孔、深孔、超深孔鉆進，擴大了聲波鉆進應(yīng)用范圍。
[0022]3、本實用新型的發(fā)電部分、振動部分和鉆頭體配合良好，提高了高頻振動傳遞效率和可靠性，提高了鉆頭聲波鉆進碎巖的穩(wěn)定性。本實用新型鉆頭減小使用鉆壓和鉆頭磨損，延長了聲波鉆頭的使用壽命2至3倍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0024]請參閱圖1所示,本實施例是由發(fā)電部分、振動部分、上鉆頭體和下鉆頭體構(gòu)成，
[0025]所述的發(fā)電部分是由渦輪馬達2、發(fā)電機3和壓電陶瓷驅(qū)動電路4構(gòu)成，渦輪馬達2與發(fā)電機3聯(lián)接,潤輪馬達2帶動發(fā)電機3轉(zhuǎn)動發(fā)電,發(fā)電機3的輸出電源與壓電陶瓷驅(qū)動電路4連接，發(fā)電部分通過固定柱5與上鉆頭體7連接，發(fā)電機3的導電線經(jīng)由固定柱5的導線通道6中穿出；上鉆頭體7的具有外螺紋I ;
[0026]所述的振動部分是由絕緣殼體9、上端導電金屬圈10、下端導電金屬圈11、壓電陶瓷12、絕緣墊片13和彈簧14構(gòu)成，壓電陶瓷12的上下端面分別貼設(shè)上端導電金屬圈10和下端導電金屬圈11，下端導電金屬圈11的下面依次設(shè)置絕緣墊片13和彈簧14，下端導電金屬圈11和絕緣墊片13可隨壓電陶瓷12在絕緣殼體9內(nèi)上下振動；振動部分內(nèi)置在上鉆頭體7內(nèi)，并位于發(fā)電部分之下；
[0027]所述的上鉆頭體7與鉆桿通過螺紋連接，上鉆頭體7內(nèi)設(shè)有導線槽8和導線通道6，導線自固定5伸出，沿上鉆頭體7內(nèi)表面導線槽8，再進入導線通道并6分別直接連接壓電陶瓷12的上端導電金屬圈10和下端導電金屬圈11，從而形成閉合回路；上鉆頭體7與下鉆頭體16通過螺紋15連接構(gòu)成鉆頭體，將鉆頭的振動部分密封；振動部分的彈簧14與下鉆頭體16直接接觸并與絕緣墊片13壓緊，進而擠壓壓電陶瓷12，給予壓電陶瓷12初始壓應(yīng)力；下鉆頭體16下部具有鉆井液通道17和鉆頭的切削具18。
[0028]鉆頭的各部位連接后，內(nèi)腔相通，形成鉆井液通道，鉆井液通過渦輪馬達2驅(qū)動發(fā)電機3發(fā)電后，從鉆頭鉆底部水口流出，冷卻鉆頭、攜帶巖屑。
[0029]本實施例的工作原理:
[0030]壓電陶瓷12的伸縮材料在交變電流下能夠產(chǎn)生高頻伸縮，并且在室溫下應(yīng)變值很大，能量密度高；機電耦合系數(shù)大；響應(yīng)快，輸出力大，因此是可產(chǎn)生高頻振動并傳遞高強度應(yīng)力的新型材料。本實用新型首次將其置入鉆頭中。
[0031]本鉆頭工作時，鉆井液經(jīng)鉆桿中心通道，流至鉆頭，驅(qū)動渦輪馬達2旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機3發(fā)電，產(chǎn)生的交變電流通過導線驅(qū)動壓電陶瓷12產(chǎn)生高頻軸向振動。由于壓電陶瓷12下部設(shè)置有彈簧14，故產(chǎn)生向下的高頻振動力，并驅(qū)動下鉆頭體16對孔底巖石產(chǎn)生高頻振動力。在鉆頭的回轉(zhuǎn)與給進力聯(lián)合作用下，實現(xiàn)聲波鉆進。
[0032]壓電陶瓷12外部絕緣殼體9和下部絕緣墊片13防止鉆頭體導電、漏電，使電路更加穩(wěn)定。由于上鉆頭體7與下鉆頭體16的螺紋連接構(gòu)成鉆頭體，使得整個振動部分處于密閉空間中，既能夠?qū)弘娞沾?2的高頻振動直接傳遞給下鉆頭體16，又能夠保證其密封性，避免泥漿侵入鉆頭振動部分。同時，由于壓電陶瓷12的抗拉強度較低，因此當彈簧14與壓電陶瓷12壓緊后，使壓電陶瓷12始終處于一定壓應(yīng)力下，減少受拉破壞，延長使用壽命。因此，鉆頭在正?；剞D(zhuǎn)鉆進同時，能夠穩(wěn)定地進行與巖石“自然頻率”一致的高頻振動。
【權(quán)利要求】
1.一種壓電陶瓷式聲波鉆頭，其特征在于:是由發(fā)電部分、振動部分、上鉆頭體和下鉆頭體構(gòu)成， 所述的發(fā)電部分是由渦輪馬達(2)、發(fā)電機(3)和壓電陶瓷驅(qū)動電路(4)構(gòu)成，渦輪馬達(2)與發(fā)電機(3)聯(lián)接,潤輪馬達(2)帶動發(fā)電機(3)轉(zhuǎn)動發(fā)電,發(fā)電機(3)的輸出電源與壓電陶瓷驅(qū)動電路(4)連接，發(fā)電部分通過固定柱(5)與上鉆頭體(7)連接，發(fā)電機(3)的導電線經(jīng)由固定柱(5)的導線通道(6)中穿出；上鉆頭體(7)的具有外螺紋(I)； 所述的振動部分是由絕緣殼體(9)、上端導電金屬圈(10)、下端導電金屬圈(11)、壓電陶瓷(12)、絕緣墊片(13)和彈簧(14)構(gòu)成，壓電陶瓷(12)的上下端面分別貼設(shè)上端導電金屬圈(10)和下端導電金屬圈(11),下端導電金屬圈(11)的下面依次設(shè)置絕緣墊片(13)和彈簧(14)，下端導電金屬圈(11)和絕緣墊片(13 )可隨壓電陶瓷(12 )在絕緣殼體(9 )內(nèi)上下振動；振動部分內(nèi)置在上鉆頭體(7)內(nèi)，并位于發(fā)電部分之下； 所述的上鉆頭體(7)與鉆桿通過螺紋連接，上鉆頭體(7)內(nèi)設(shè)有導線槽(8)和導線通道(6)，導線自固柱(5)伸出，沿上鉆頭體(7)內(nèi)表面導線槽(8)，再進入導線通道并6分別直接連接壓電陶瓷(12)的上端導電金屬圈(10)和下端導電金屬圈(11)，從而形成閉合回路；上鉆頭體(7)與下鉆頭體(16)通過螺紋(15)連接構(gòu)成鉆頭體，將鉆頭的振動部分密封；振動部分的彈簧(14)與下鉆頭體(16)直接接觸并與絕緣墊片(13)壓緊，進而擠壓壓電陶瓷(12)，給予壓電陶瓷(12)初始壓應(yīng)力；下鉆頭體(16)下部具有鉆井液通道(17)和鉆頭的切削具(18)。
【文檔編號】E21B28/00GK203701967SQ201420090605
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月2日
【發(fā)明者】趙大軍, 翟國兵, 高科, 劉華南, 尹崧宇, 孫梓航 申請人:吉林大學