CN102507172A - 用于星球深层采样的钻具钻进性能测试装置 - Google Patents

Abstract

用于星球深层采样的钻具钻进性能测试装置，它涉及一种钻具钻进性能测试装置。解决目前用于星球深层采样的钻具钻进性能测试装置无法实现模拟星球深层采样功能，完成不了对模拟星球土壤环境下深层土壤钻进参数和机械动力结构研究及钻进规程的制定范围受其功能全面性的限制的问题。模拟星壤桶设在角度可调移动框架的下方，角度可调移动框架通过钻进角度调整机构与测试台架连接，角度可调移动框架上平行设置两条直线导轨，移动平台通过两条直线导轨与角度可调移动框架滑动连接。本发明用于星球深层采样的钻具钻进性能测试。

Description

用于星球深层采样的钻具钻进性能测试装置

技术领域

本发明涉及一种钻具钻进性能测试装置。

背景技术

深层采样装置是深空星球着陆探测采样的重要装备。因为钻进式深层采样对不同星球土壤适应性强，采集较深层土壤样品需要的功耗比***式和铲挖式采样低，所以目前国外已成功应用的星球土壤深层采样装置均采用钻进式设计。又由于深空星球特殊土壤性质，低重力环境，复杂地质环境等因素的限制，星球采样装置要区别于地球上用于地质勘探的普通采样装置，钻具在采集星球土壤过程中的力学特性对深层采样装置的钻进规程制定和钻具参数设计有着重要影响。因此，需要相应的测试装置首先在地球的模拟环境下，对钻杆在模拟土壤中运动时的力学特性进行测试和分析，据此对钻杆在星球土壤中运动时的力学特性进行预测和评估，以保证钻杆的参数设计和钻进规程的制定能满足深层采样装置在未来深空环境下的工作要求。

目前已公开的文献资料中涉及的该类测试装置都是针对地球环境的地质勘探或是星球表层采样，无法实现模拟星球深层采样功能，完成不了对模拟星球土壤环境下深层土壤钻进参数和机械动力结构研究；另外，钻进规程的制定范围受其功能全面性的限制。因此在测试对象适应性和测试功能上都有待进一步增强。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于星球深层采样的钻具钻进性能测试装置，以解决目前用于星球深层采样的钻具钻进性能测试装置无法实现模拟星球深层采样功能，完成不了对模拟星球土壤环境下深层土壤钻进参数和机械动力结构研究及钻进规程的制定范围受其功能全面性的限制的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：所述装置包括模拟星壤桶、钻杆、角度可调移动框架、移动平台、冲击驱动机构、进尺驱动机构、回转驱动机构、钻杆支承座、钻进角度调整机构、测试台架和两条直线导轨，冲击驱动机构包括第三码盘、冲击电机、冲击减速器、冲击小齿轮、冲击大齿轮、冲击凸轮、冲击驱动壳体、凸轮滚子、弹簧、弹簧连接块和重锤，进尺驱动机构包括第一码盘、进尺电机、进尺减速器、联动轴、两个下链轮、两条链条、两个下拉力传感器、两个上拉力传感器和两个上链轮，回转驱动机构包括钻杆接口管、回转大齿轮、回转驱动壳体、第二码盘、回转电机、回转减速器、上联轴器、扭矩传感器、下联轴器和回转小齿轮，模拟星壤桶设在角度可调移动框架的下方，角度可调移动框架通过钻进角度调整机构与测试台架连接，角度可调移动框架上平行设置两条直线导轨，移动平台通过两条直线导轨与角度可调移动框架滑动连接；

进尺电机的末端连接第一码盘，进尺电机的输出端与进尺减速器的输入端传动连接，进尺减速器固装在角度可调移动框架上，进尺减速器的输出端与联动轴的一端传动连接，联动轴固装在角度可调移动框架上，联动轴上装有两个上链轮，两个下链轮固装在角度可调移动框架上，每个上链轮通过链条与相对应的下链轮连接，每个链条上串联上拉力传感器和下拉力传感器，两个上拉力传感器与两个下拉力传感器均与移动平台固接；

回转电机的后端上装有第二码盘，回转电机的输出端与回转减速器的输入端传动连接，回转减速器固装在回转驱动壳体上，回转减速器的输出轴与上联轴器的一端传动连接，上联轴器的另一端与扭矩传感器的输入轴传动连接；扭矩传感器的壳体固装在回转驱动壳体上，扭矩传感器的输出端与下联轴器的一端传动连接，下联轴器的另一端与回转小齿轮固接，回转小齿轮支承在回转驱动壳体上，回转小齿轮与固装在钻杆接口管上的回转大齿轮啮合，钻杆接口管固装在移动平台上，钻杆的一端穿过回转大齿轮设在钻杆接口管内且二者螺纹连接，钻杆的另一端穿过钻杆支承座设在模拟星壤桶的上方，钻杆支承座固装在角度可调移动框架上；

冲击电机的后端连接第三码盘，冲击电机的输出端与冲击减速器输入端传动连接，冲击减速器固装在冲击驱动壳体上，冲击驱动壳体固装在移动平台上，冲击减速器的输出端上装有冲击小齿轮，冲击小齿轮与冲击大齿轮啮合；冲击大齿轮与冲击凸轮固接且装在冲击驱动壳体内，凸轮滚子与冲击凸轮的轮廓面贴合且装在弹簧连接块的顶端，冲击弹簧装在固定件冲击驱动壳体和可动件弹簧连接块之间，冲击驱动壳体固装在移动平台上，弹簧连接块的底端固装重锤，重锤对应设在钻杆接口管的顶端的上方。

本发明具有以下有益效果：1、本发明的钻具可实现回转模式、回转冲击模式、冲击回转模式、冲击模式等多种模式钻进，并能够在多模式间自由切换实现土壤深层钻进，钻进深度可达2.5m；2、可以改变钻进角度、钻进速度、回转转速、冲击频率，制定功能覆盖面较宽的钻进规程；3、能够测试不同构型的钻具在不同钻进规程下钻进至不同深度的回转力矩、钻压力，回转速率、进尺速率、冲击频率以及钻进效率和功率。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图2是图1的侧视图，图3是配重机构的整体结构示意图，图4是回转驱动机构的结构示意图，图5是进尺驱动机构的结构示意图，图6是回转驱动机构的结构示意图，图7是钻进角度调整机构的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图6说明本实施方式，本实施方式的装置包括模拟星壤桶1、钻杆2、角度可调移动框架4、移动平台5、冲击驱动机构、进尺驱动机构、回转驱动机构、钻杆支承座9、钻进角度调整机构10、测试台架11和两条直线导轨4-1，冲击驱动机构包括第三码盘6-1、冲击电机6-2、冲击减速器6-3、冲击小齿轮6-4、冲击大齿轮6-5、冲击凸轮6-6、冲击驱动壳体6-7、凸轮滚子6-8、弹簧6-9、弹簧连接块6-10和重锤6-11，进尺驱动机构包括第一码盘7-8、进尺电机7-9、进尺减速器7-10、联动轴7-11、两个下链轮7-1、两条链条7-3、两个下拉力传感器7-4、两个上拉力传感器7-5和两个上链轮7-6，回转驱动机构包括钻杆接口管8-1、回转大齿轮8-2、回转驱动壳体8-3、第二码盘8-4、回转电机8-5、回转减速器8-6、上联轴器8-7、扭矩传感器8-8、下联轴器8-9和回转小齿轮8-10，模拟星壤桶1设在角度可调移动框架4的下方，角度可调移动框架4通过钻进角度调整机构10与测试台架11连接，角度可调移动框架4上平行设置两条直线导轨4-1，移动平台5通过两条直线导轨4-1与角度可调移动框架4滑动连接；

进尺电机7-9的末端连接第一码盘7-8，进尺电机7-9的输出端与进尺减速器7-10的输入端传动连接，进尺减速器7-10固装在角度可调移动框架4上，进尺减速器7-10的输出端与联动轴7-11的一端传动连接，联动轴7-11固装在角度可调移动框架4上，联动轴7-11上装有两个上链轮7-6，两个下链轮7-1固装在角度可调移动框架4上，每个上链轮7-6通过链条7-3与相对应的下链轮7-1连接，每个链条7-3上串联上拉力传感器7-5和下拉力传感器7-4，两个上拉力传感器7-5与两个下拉力传感器7-4均与移动平台5固接；

回转电机8-5的后端上装有第二码盘8-4，回转电机8-5的输出端与回转减速器8-6的输入端传动连接，回转减速器8-6固装在回转驱动壳体8-3上，回转减速器8-6的输出轴与上联轴器8-7的一端传动连接，上联轴器8-7的另一端与扭矩传感器8-8的输入轴传动连接；扭矩传感器8-8的壳体固装在回转驱动壳体8-3上，扭矩传感器8-8的输出端与下联轴器8-9的一端传动连接，下联轴器8-9的另一端与回转小齿轮8-10固接，回转小齿轮8-10支承在回转驱动壳体8-3上，回转小齿轮8-10与固装在钻杆接口管8-1上的回转大齿轮8-2啮合，钻杆接口管8-1固装在移动平台5上，钻杆2的一端穿过回转大齿轮8-2设在钻杆接口管8-1内且二者螺纹连接，钻杆2的另一端穿过钻杆支承座9设在模拟星壤桶1的上方，钻杆支承座9固装在角度可调移动框架4上；

冲击电机6-2的后端连接第三码盘6-1，冲击电机6-2的输出端与冲击减速器6-3输入端传动连接，冲击减速器6-3固装在冲击驱动壳体6-7上，冲击驱动壳体6-7固装在移动平台5上，冲击减速器6-3的输出端上装有冲击小齿轮6-4，冲击小齿轮6-4与冲击大齿轮6-5啮合；冲击大齿轮6-5与冲击凸轮6-6固接且装在冲击驱动壳体6-7内，凸轮滚子6-8与冲击凸轮6-6的轮廓面贴合且装在弹簧连接块6-10的顶端，冲击弹簧6-9装在固定件冲击驱动壳体6-7和可动件弹簧连接块6-10之间，冲击驱动壳体6-7固装在移动平台5上，弹簧连接块6-10的底端固装重锤6-11，重锤6-11对应设在钻杆接口管8-1的顶端的上方。

弹簧连接块6-10和重锤6-11在冲击凸轮6-6的带动下压缩弹簧6-9储能，弹簧6-9势能释放敲击钻杆2，实现了对钻杆2一定频率和一定冲击功的激振。

钻杆接口管8-1以圆柱副支承在回转驱动壳体8-3内，既可以实现钻杆2作回转运动，又可以作微幅直线运动。

进尺机构采用链传动形式驱动移动平台5对钻杆2实施进尺。进尺电机7-9经进尺减速器7-10驱动联动轴7-11，带动上链轮7-6旋转，进尺链条7-3拖拽移动平台4向下运动，实现钻杆2的向下进尺运动。

具体实施方式二：结合图7说明本实施方式，本实施方式的钻进角度调整机构10包括角度调整倾斜台下支座10-1、角度调整倾斜台上支座10-2、上转动轴10-3、角度调整台架上支座10-4、下转动轴10-5、摆杆10-6、角度调整台架下支座10-7和活动轴10-8，角度调整倾斜台上支座10-2和角度调整倾斜台下支座10-1固装在角度可调移动框架4上，角度调整台架上支座10-4和角度调整台架下支座10-7固装在测试台架11上，角度调整倾斜台上支座10-2通过上转动轴10-3与角度调整台架上支座10-4铰接，摆杆10-6的一端通过下转动轴10-5与角度调整倾斜台下支座10-1铰接，摆杆10-6的另一端通过活动轴10-8与角度调整台架下支座10-7铰接，活动轴10-8设在摆杆10-6的滑槽中且二者滑动连接，此结构用于调整角度可调移动框架4，改变活动轴10-8在摆杆10-7中的滑动位置，以实现角度可调移动框架4的倾斜角度连续调整，活动轴10-8可在摆杆10-6的滑槽中自由滑动，改变活动轴10-8在摆杆10-6中的滑动位置，以实现角度可调移动框架4的倾斜角度连续调整。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的装置还包括四个移动滑块5-1，移动底板5通过四个移动滑块5-1与角度可调移动框架4上的两条直线导轨4-1滑动连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式的装置还包括两个配重机构3，每个配重机构3包括钢丝绳3-1、滑轮座3-2、配重砝码3-3、滑轮3-4和用于检测移动平台5直线运动的速度和距离的第四码盘3-5，钢丝绳3-1的一端与移动平台5固接，钢丝绳3-1的另一端绕过装在滑轮座3-2上的滑轮3-4与配重砝码3-3固接，滑轮座3-2装在角度可调移动框架4的上端面上，滑轮3-4装在第四码盘3-5的输入轴上，此结构用于抵消导轨4-1上移动平台5的重力在导向方向上的分力，从而消除该分力对进尺驱动的影响。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

工作原理：普通工况：冲击驱动机构不运动，回转驱动机构运动带动钻杆2回转，移动平台5在进尺驱动机构的带动下向下运动，冲击驱动机构、回转驱动机构、钻杆2安装在移动平台5上并随之运动，最终实现对星际土壤的回转钻进；复合工况：当回转钻进受到一定阻碍但进尺驱动机构仍然可以带动移动平台5下降时，启动冲击驱动机构，使冲击驱动机构和回转驱动机构一同工作，使钻进阻力减小，减小进尺驱动机构和回转驱动机构的负载；高阻碍工况：当钻进至坚硬(岩石)或土壤密实处，回转驱动机构无法运动，关闭回转驱动机构，只有冲击驱动机构单独进行，进尺驱动机构的带动下移动平台5下降。

控制回转电机8-5和冲击电机6-2，可以实现回转模式、回转冲击模式、冲击回转模式、冲击模式多种钻进模式的切换：仅回转电机8-5工作，属于回转钻进模式；回转电机8-5连续工作，冲击电机6-2间歇工作，属于回转冲击钻进模式；冲击电机6-2连续工作，回转电机8-5间歇工作，属于冲击回转钻进模式；仅冲击电机6-2工作，属于冲击钻进模式。控制进尺电机7-9的旋转速度和力矩输出，可以实现钻具以一定的进尺速率和进尺力钻入模拟星壤。在任何一种钻进模式下，回转电机8-5和冲击电机6-2有选择性的工作，完成钻杆2的驱动；

进尺机构工作时对移动平台5起拖拽作用，进尺机构中上拉力传感器7-5和下拉力传感器7-6的差值为钻杆2的进尺驱动力；第一码盘7-8反馈信号检测钻杆2向下的进尺速率；当移动平台5沿直线导轨4-1作直线运动时，钢丝绳3-1带动滑轮3-4旋转，第四码盘3-5检测移动平台5直线运动的速度和距离。

串联在回转减速器8-6和回转小齿轮8-7之间的扭矩传感器8-8能够实时获取钻杆2在下钻过程中输出的回转力矩；第二码盘8-4反馈信号获得钻杆2的回转速率；检测回转电机8-5的输出电压和电流可获得钻杆2的功率消耗。冲击电机6-2经冲击减速器6-3带动冲击凸轮6-6旋转，带动弹簧连接块6-10和重锤6-11敲击钻杆2，第三码盘6-1反馈信号用于控制冲击电机6-2的旋转速度，改变冲击电机6-2的速度，可以改变重锤6-11对钻杆2的冲击频率；改变重锤6-11的质量和压缩弹簧6-9的刚度，可以改变重锤6-11对钻杆2的冲击功。

Claims (4)

1.一种用于星球深层采样的钻具钻进性能测试装置，其特征在于所述装置包括模拟星壤桶(1)、钻杆(2)、角度可调移动框架(4)、移动平台(5)、冲击驱动机构、进尺驱动机构、回转驱动机构、钻杆支承座(9)、钻进角度调整机构(10)、测试台架(11)和两条直线导轨(4-1)，冲击驱动机构包括第三码盘(6-1)、冲击电机(6-2)、冲击减速器(6-3)、冲击小齿轮(6-4)、冲击大齿轮(6-5)、冲击凸轮(6-6)、冲击驱动壳体(6-7)、凸轮滚子(6-8)、弹簧(6-9)、弹簧连接块(6-10)和重锤(6-11)，进尺驱动机构包括第一码盘(7-8)、进尺电机(7-9)、进尺减速器(7-10)、联动轴(7-11)、两个下链轮(7-1)、两条链条(7-3)、两个下拉力传感器(7-4)、两个上拉力传感器(7-5)和两个上链轮(7-6)，回转驱动机构包括钻杆接口管(8-1)、回转大齿轮(8-2)、回转驱动壳体(8-3)、第二码盘(8-4)、回转电机(8-5)、回转减速器(8-6)、上联轴器(8-7)、扭矩传感器(8-8)、下联轴器(8-9)和回转小齿轮(8-10)，模拟星壤桶(1)设在角度可调移动框架(4)的下方，角度可调移动框架(4)通过钻进角度调整机构(10)与测试台架(11)连接，角度可调移动框架(4)上平行设置两条直线导轨(4-1)，移动平台(5)通过两条直线导轨(4-1)与角度可调移动框架(4)滑动连接；

进尺电机(7-9)的末端连接第一码盘(7-8)，进尺电机(7-9)的输出端与进尺减速器(7-10)的输入端传动连接，进尺减速器(7-10)固装在角度可调移动框架(4)上，进尺减速器(7-10)的输出端与联动轴(7-11)的一端传动连接，联动轴(7-11)固装在角度可调移动框架(4)上，联动轴(7-11)上装有两个上链轮(7-6)，两个下链轮(7-1)固装在角度可调移动框架(4)上，每个上链轮(7-6)通过链条(7-3)与相对应的下链轮(7-1)连接，每个链条(7-3)上串联上拉力传感器(7-5)和下拉力传感器(7-4)，两个上拉力传感器(7-5)与两个下拉力传感器(7-4)均与移动平台(5)固接；

回转电机(8-5)的后端上装有第二码盘(8-4)，回转电机(8-5)的输出端与回转减速器(8-6)的输入端传动连接，回转减速器(8-6)固装在回转驱动壳体(8-3)上，回转减速器(8-6)的输出轴与上联轴器(8-7)的一端传动连接，上联轴器(8-7)的另一端与扭矩传感器(8-8)的输入轴传动连接；扭矩传感器(8-8)的壳体固装在回转驱动壳体(8-3)上，扭矩传感器(8-8)的输出端与下联轴器(8-9)的一端传动连接，下联轴器(8-9)的另一端与回转小齿轮(8-10)固接，回转小齿轮(8-10)支承在回转驱动壳体(8-3)上，回转小齿轮(8-10)与固装在钻杆接口管(8-1)上的回转大齿轮(8-2)啮合，钻杆接口管(8-1)固装在移动平台(5)上，钻杆(2)的一端穿过回转大齿轮(8-2)设在钻杆接口管(8-1)内且二者螺纹连接，钻杆(2)的另一端穿过钻杆支承座(9)设在模拟星壤桶(1)的上方，钻杆支承座(9)固装在角度可调移动框架(4)上；

冲击电机(6-2)的后端连接第三码盘(6-1)，冲击电机(6-2)的输出端与冲击减速器(6-3)输入端传动连接，冲击减速器(6-3)固装在冲击驱动壳体(6-7)上，冲击驱动壳体(6-7)固装在移动平台(5)上，冲击减速器(6-3)的输出端上装有冲击小齿轮(6-4)，冲击小齿轮(6-4)与冲击大齿轮(6-5)啮合；冲击大齿轮(6-5)与冲击凸轮(6-6)固接且装在冲击驱动壳体(6-7)内，凸轮滚子(6-8)与冲击凸轮(6-6)的轮廓面贴合且装在弹簧连接块(6-10)的顶端，冲击弹簧(6-9)装在固定件冲击驱动壳体(6-7)和可动件弹簧连接块(6-10)之间，冲击驱动壳体(6-7)固装在移动平台(5)上，弹簧连接块(6-10)的底端固装重锤(6-11)，重锤(6-11)对应设在钻杆接口管(8-1)的顶端的上方。

2.根据权利要求1所述用于星球深层采样的钻具钻进性能测试装置，其特征在于钻进角度调整机构(10)包括角度调整倾斜台下支座(10-1)、角度调整倾斜台上支座(10-2)、上转动轴(10-3)、角度调整台架上支座(10-4)、下转动轴(10-5)、摆杆(10-6)、角度调整台架下支座(10-7)和活动轴(10-8)，角度调整倾斜台上支座(10-2)和角度调整倾斜台下支座(10-1)固装在角度可调移动框架(4)上，角度调整台架上支座(10-4)和角度调整台架下支座(10-7)固装在测试台架(11)上，角度调整倾斜台上支座(10-2)通过上转动轴(10-3)与角度调整台架上支座(10-4)铰接，摆杆(10-6)的一端通过下转动轴(10-5)与角度调整倾斜台下支座(10-1)铰接，摆杆(10-6)的另一端通过活动轴(10-8)与角度调整台架下支座(10-7)铰接，活动轴(10-8)设在摆杆(10-6)的滑槽中且二者滑动连接。

3.根据权利要求1或2所述用于星球深层采样的钻具钻进性能测试装置，其特征在于所述装置还包括四个移动滑块(5-1)，移动底板5通过四个移动滑块(5-1)与角度可调移动框架(4)上的两条直线导轨(4-1)滑动连接。

4.根据权利要求3所述用于星球深层采样的钻具钻进性能测试装置，其特征在于所述装置还包括两个配重机构(3)，每个配重机构(3)包括钢丝绳(3-1)、滑轮座(3-2)、配重砝码(3-3)、滑轮(3-4)和用于检测移动平台(5)直线运动的速度和距离的第四码盘(3-5)，钢丝绳(3-1)的一端与移动平台(5)固接，钢丝绳(3-1)的另一端绕过装在滑轮座(3-2)上的滑轮(3-4)与配重砝码(3-3)固接，滑轮座(3-2)装在角度可调移动框架(4)的上端面上，滑轮(3-4)装在第四码盘(3-5)的输入轴上。

Images