專利名稱：微型井下側(cè)壁環(huán)形槽切割工具的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及的是一種巖土工程技術(shù)領域的裝置，具體是一種微型井下側(cè)壁環(huán) 形槽切割工具。
技術(shù)背景在土木水利等工程領域，有時需要在工程地質(zhì)鉆孔的孔壁上進行巖石切割， 以獲得符合某種要求的巖石樣品。比如，對于一些特殊的井下孔壁圍巖切割任務， 不僅對切取的巖石樣品的完整性有較為嚴格的要求，而且希望切割后形成的巖樣 呈圓柱形，這就需要有很特別的鉆進切削工具來實現(xiàn)。目前尚未見到有關(guān)在鉆孔孔壁上切割呈"懸臂梁"狀的圓柱狀巖樣的專門工 具。但值得借鑒的技術(shù)工具主要是鉆探領域里普遍被采用的側(cè)壁取樣工具，這類 工具的主要用途是利用它在鉆孔側(cè)壁上獲取巖石樣品或巖芯，并將巖樣送回地面 供分析地層資料之用。目前國內(nèi)外在探礦、油氣開采、土木水利等地質(zhì)探查領域 里所采用的側(cè)壁取樣工具主要如下幾種形式:人工偏斜式取樣、連續(xù)切割式取樣、 壓入式取樣、側(cè)鉆式取樣、射孔式取樣、水力噴射式取樣和刮削式取樣等。利用 這些專門的取樣工具， 一般可在不同的巖層獲得不同質(zhì)量和規(guī)格的巖石樣品，并 可滿足地球科學研究領域的各種不同需求。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，葛修潤編著的《大陸科學鉆探的意義、現(xiàn)狀和未來(研究報告)》(中國科學院武漢巖土力學研究所，1998年12月，第106 116頁)，對現(xiàn)有的側(cè)壁取樣工具進行了系統(tǒng)的總結(jié)，并指出在松散巖礦層，如 煤層中，可以采用水力噴射式取樣和刮削式取樣。而在其它較硬的巖層中，可采 用效率較高的水平鉆進孔壁取樣器，這類取樣器主要由多芯電纜提升機構(gòu)、動力 電機、定位裝置、鉆進機具、提斷巖樣裝置、取樣筒轉(zhuǎn)移機構(gòu)、巖樣容納器等組 成，結(jié)構(gòu)比較復雜，外徑也較大。由于其目的只是為了獲得巖石樣品，并用于巖 性分析，而對巖石樣品的質(zhì)量本身一般都不做特殊要求，所以在鉆孔側(cè)壁上鉆取 的巖樣多呈塊狀或碎屑狀，無法獲得相對完整且形狀規(guī)則的巖樣。另外，這種取樣器在取樣時所需的動力也比較大，使得整個取樣器具的體積較大，適應性相對 較差。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種微型井下側(cè)壁環(huán)形槽 切割工具，使其采用薄壁金剛石取芯鉆頭作為切削刀具，根據(jù)預先設定的鉆進模 式控制整個巖石切割過程，完鉆后可在孔壁圍巖內(nèi)形成"懸臂梁"狀的圓柱狀巖 樣，該圓柱狀巖樣可被用于相關(guān)的工程測試。鉆具在鉆孔內(nèi)工作過程中，工具系 統(tǒng)良好的剛性可保證切削刀具在垂直于鉆孔軸線的平面內(nèi)平穩(wěn)鉆進，并在孔壁圍 巖內(nèi)切割成相對完整的圓柱狀巖樣，滿足相關(guān)測量工作之需。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實施的，本發(fā)明包括提升機構(gòu)、密封電纜接頭、 電子設備倉、冷卻泵倉、上封隔器、環(huán)形槽切割主工作部、推送機構(gòu)、內(nèi)缸套、 下封隔器、下設備倉、外缸套、后工作窗、前工作窗，其中提升機構(gòu)與外缸套 的上端部相連接，密封電纜接頭與電子設備倉相連，作為電子設備倉的輸出端口， 電子設備倉位于提升機構(gòu)下方，電子設備倉下方設有冷卻泵倉，冷卻泵倉下方設 有上封隔器，上封隔器通過封隔器上支架固定于外缸套內(nèi)，下封隔器通過隔離器 下支架與外缸套下端部固定連接，環(huán)形槽切割主工作部與內(nèi)缸套、推送機構(gòu)裝配 成一體，并置于上封隔器和下封隔器之間，在位于上封隔器、下封隔器之間的外 缸套上設有前工作窗和后工作窗，下設備倉位于外缸套的尾部。所述環(huán)形槽切割主工作部，包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機、機座、聯(lián)軸器、傘形齒輪 副、主軸箱、帶鍵齒鉆具套、薄壁金剛石取芯鉆頭、鉆具座、進給推送絲桿、進 給機構(gòu)支座、進給機構(gòu)軸箱、進給步進電機、反力支撐機構(gòu)，其中旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電 機豎直固定在機座上，通過聯(lián)軸器與主軸箱的主動軸相連，主軸箱的主動軸通過 傘形齒輪副與軸線處于水平位置的帶鍵齒鉆具套相連，帶鍵齒鉆具套與薄壁金剛 石取芯鉆頭通過螺紋相連接，并支撐于鉆具座上，鉆具座契形底部裝配在進給機 構(gòu)支座契形槽內(nèi)，進給機構(gòu)支座與進給機構(gòu)軸箱固定連接，進給步進電機位于整 個環(huán)形槽切割主工作部的底部，其軸線與薄壁金剛石取芯鉆頭軸線相平行，進給 步進電機的主軸與進給機構(gòu)軸箱輸入端相連，進給機構(gòu)軸箱輸出端與進給推送絲 桿相連，進給推送絲桿與進給機構(gòu)軸箱可沿絲桿軸向作相對運動，反力支撐機構(gòu) 位于帶鍵齒鉆具套后端部的下方，與進給推送絲桿相連。所述的推送機構(gòu)，包括基座、推送電機、變速箱、開式傳動齒輪、推送絲 桿，其中推送電機固定在基座的下部，推送電機通過變速箱和開式傳動齒輪與 推送絲桿相連，推送絲桿與下封隔器的上支座中套上端通過內(nèi)螺紋絲扣相配合。 所述外缸套，其與環(huán)形槽切割主工作部與內(nèi)缸套、推送機構(gòu)之間設有密封環(huán)。 所述下封隔器，其上支座中套軸向鍵槽與內(nèi)缸套下端蓋的中孔通過鍵齒相配 合，限制環(huán)形槽切割主工作部與外缸套之間的相對旋轉(zhuǎn)運動，但可作軸向相對運 動。所述下封隔器，其上支座中套側(cè)壁開有管線孔，為設備內(nèi)部工作管路、線路通道o本發(fā)明中，當通過提升機構(gòu)將整個工具系統(tǒng)下入到地質(zhì)鉆孔的工作位置后，張開上、下封隔器將工具系統(tǒng)定位并固定在地質(zhì)鉆孔內(nèi)；啟動推送機構(gòu)，將環(huán)形 槽切割主工作部下移至工作面位置，這時薄壁金剛石取芯鉆頭正對外缸套前工作 窗位置，而反力支撐機構(gòu)則處于外缸套后工作窗位置;開啟前工作窗和后工作窗， 啟動旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機和進給步進電機,薄壁金剛石取芯鉆頭開始伸出前工作窗至鉆 孔側(cè)壁上的工作面位置，而反力支撐機構(gòu)則伸出后工作窗支撐于孔壁上，之后， 薄壁金剛石取芯鉆頭在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機和進給步進電機的驅(qū)動下在鉆孔側(cè)壁上進 行環(huán)形切割作業(yè)，達到預定深度后停鉆，使旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機和進給步進電機反向運 動，回收鉆具和反力支撐機構(gòu)至外缸套內(nèi)，關(guān)閉前工作窗和后工作窗，啟動推送 機構(gòu)使環(huán)形槽切割主工作部復位，收縮上、下封隔器，從鉆孔中起出整個工具系 統(tǒng)。微型井下側(cè)壁環(huán)形槽切割工具的精確定位、外缸套上前后工作窗的開啟和關(guān) 閉、環(huán)形槽切割主工作部在外缸套內(nèi)的局部移動以及環(huán)形切割作業(yè)、及工具的回 收是通過電子設備倉中的控制單元來完成的，而且采用模塊化設計和裝配，易于 操作。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明可下入到孔徑為156mm 的地質(zhì)鉆孔內(nèi)。整個鉆具設計合理，結(jié)構(gòu)緊湊，而且拆裝操作簡單，具有野外攜 帶方便，適應性好等特點。若進給步進電機的功率為350 W，鉆頭轉(zhuǎn)速在600-2400 rpm，鉆頭鉆進的最大行程為40 mm。按照預設的鉆進控制模式，切割出一個內(nèi) 徑O二30咖，槽寬(1=2鵬，槽深1=40腿的圓柱形巖樣的鉆進時間一般不超過4分 鐘，切割成的"懸臂梁"狀的圓柱狀巖樣表面非常光滑，而且?guī)r樣完整無破碎。
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的環(huán)形槽切割工具主工作部結(jié)構(gòu)示意圖 圖(a)為正視圖，(b)局部側(cè)視圖； 圖3為本發(fā)明的推送機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護 范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，本實施例包括提升機構(gòu)2、密封電纜接頭3、電子設備倉4、 冷卻泵倉5、上封隔器6、環(huán)形槽切割主工作部7、推送機構(gòu)8、內(nèi)缸套9、下封 隔器IO、下設備倉ll、外缸套12、后工作窗13、前工作窗14，其中提升機 構(gòu)2與外缸套12的上端部相連接，密封電纜接頭3與電子設備倉4相連，作為 電子設備倉4的輸出端口，電子設備倉4位于提升機構(gòu)下方，電子設備倉4下方 設有冷卻泵倉5，冷卻泵倉5下方設有上封隔器6，上封隔器6通過封隔器上支 架固定于外缸套12內(nèi)，下封隔器10通過隔離器下支架與外缸套12下端部固定 連接，環(huán)形槽切割主工作部7與內(nèi)缸套9、推送機構(gòu)8裝配成一體，并置于上封 隔器6和下封隔器10之間，在位于上封隔器6、下封隔器10之間的外缸套12 上設有前工作窗14和后工作窗13，下設備倉11位于外缸套12的尾部。如圖2所示，所述環(huán)形槽切割主工作部7，包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機701、機座 702、聯(lián)軸器703、傘形齒輪副704、主軸箱705、帶鍵齒鉆具套706、薄壁金剛 石取芯鉆頭707、鉆具座708、進給推送絲桿709、進給機構(gòu)支座710、進給機構(gòu) 軸箱71K進給步進電機712、反力支撐機構(gòu)713，其中旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機701豎直固定在機座702上，通過聯(lián)軸器703與主軸箱705 主動軸相連，而主軸箱705主動軸通過傘形齒輪副704與軸線處于水平位置的帶 鍵齒鉆具套706相連，帶鍵齒鉆具套706與薄壁金剛石取芯鉆頭707通過螺紋相 連接，并支撐于鉆具座708上，鉆具座708契形底部裝配在進給機構(gòu)支座710 契形槽內(nèi)，進給機構(gòu)支座710與進給機構(gòu)軸箱711固定連接；進給步進電機712 位于環(huán)形槽切割主工作部7的底部，其軸線與薄壁金剛石取芯鉆頭707軸線相平行，進給步進電機712主軸與進給機構(gòu)軸箱711輸入端相連，進給機構(gòu)軸箱711 輸出端與進給推送絲桿709相連，進給推送絲桿709與進給機構(gòu)軸箱711可沿絲 桿軸向作相對運動；反力支撐機構(gòu)713位于帶鍵齒鉆具套706后端部的下方，與 進給推送絲桿709相連。如圖3所示，所述的推送機構(gòu)8，包括基座801、推送電機802、變速箱 803、開式傳動齒輪804、推送絲桿805，其中推送電機802固定在基座801 的下部，通過變速箱803和開式傳動齒輪804向推送絲桿805傳送扭矩，推送絲 桿805與下封隔器10的上支座21中套上端通過內(nèi)螺紋絲扣相配合。所述外缸套12，其與環(huán)形槽切割主工作部7與內(nèi)缸套9、推送機構(gòu)8之間設 有密封環(huán)15。所述下封隔器IO，其通過上支座21、下支座20與外缸套12固定連接，通 過緊固件19與推送機構(gòu)8的基座801固定連接。所述下封隔器10，其上支座21中套軸向鍵槽與內(nèi)缸套9下端蓋806的中孔 通過鍵齒相配合，限制環(huán)形槽切割主工作部7與外缸套12之間的相對旋轉(zhuǎn)運動， 但可作軸向相對運動；所述下封隔器IO，其上支座21中套側(cè)壁開有管線孔22，為設備內(nèi)部工作管 路、線路通道。本實施例工作，通過提升機構(gòu)2將整個工具下入到地質(zhì)鉆孔1中，達到預定 孔深定位之后，張開上封隔器6和下封隔器10將整個設備固定在鉆孔中。啟動 推送機構(gòu)8中的推送電機802，推送機構(gòu)8開始工作，使環(huán)形槽切割主工作部7 與內(nèi)缸套9 一起在外缸套8內(nèi)下移至工作面位置(工作面即指要實施環(huán)形切割的 鉆孔側(cè)壁部位)，關(guān)閉推送電機802;開啟設置在外缸套12上的后工作窗13和 前工作窗14，啟動環(huán)形槽切割主工作部7中的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機701和進給步進電 機712，環(huán)形槽切割主工作部7開始工作，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機701啟動后通過主軸箱 705、傘形齒輪副704、帶鍵齒鉆具套706帶動薄壁金剛石取芯鉆頭707旋轉(zhuǎn)運 動，而進給步進電機712則通過進給機構(gòu)軸箱711帶動進給推送絲桿709旋轉(zhuǎn)， 進給推送絲桿709根據(jù)受力狀態(tài)可按相對方向推送反力支撐機構(gòu)713和鉆具座 708運動，當反力支撐機構(gòu)713在進給推送絲桿709的帶動下通過后工作窗13 伸出窗外并支撐到外缸套12外側(cè)的孔壁上，為鉆具提供足夠的支撐反力，這時，進給推送絲桿709只推送鉆具座708運動，從而驅(qū)動薄壁金剛石取芯鉆頭707 向鉆進方向運動，并通過前工作窗14伸向工作面進行環(huán)形槽切割鉆進作業(yè)；切 割至預定深度后，停鉆；然后啟動旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機701和進給步進電機712做反向 轉(zhuǎn)動，使薄壁金剛石取芯鉆頭707收回至外缸套12內(nèi)，同時反力支撐機構(gòu)713 也被收回至外缸套12內(nèi)，關(guān)閉動旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機701和進給步進電機712;關(guān)閉 外缸套12上的后工作窗13和前工作窗14;啟動推送機構(gòu)8中的推送電機802， 在推送機構(gòu)8的作用下使環(huán)形槽切割主工作部7復原位，關(guān)閉推送電機802;收 縮上封隔器6和下封隔器10，通過提升機構(gòu)2從鉆孔1中起出整個設備。本實施例的設計合理，結(jié)構(gòu)緊湊，可下入到孔徑為156 mra的地質(zhì)鉆孔內(nèi)。 由于采用模塊化設計，而且控制和檢測元件的信號都被集成到電子設備倉中，安 裝和拆卸操作簡單易行，具有野外攜帶方便，適應性好等特點。在鉆進過程中鉆 具切削過程中所需的動力相對傳統(tǒng)取樣工具而言較小，僅需350 W的微型進給步 進電機驅(qū)動即可。切割出一個內(nèi)徑為30mm，槽寬為2mm，槽深為40mm的圓柱 形巖樣的鉆進時間一般不超過4分鐘，切割成的"懸臂梁"狀的圓柱狀巖樣表面 光滑，而且?guī)r樣完整無破碎，因此，切削效率較高。
權(quán)利要求
1、一種微型井下側(cè)壁環(huán)形槽切割工具，其特征在于，包括提升機構(gòu)、密封電纜接頭、電子設備倉、冷卻泵倉、上封隔器、環(huán)形槽切割主工作部、推送機構(gòu)、內(nèi)缸套、下封隔器、下設備倉、外缸套、后工作窗、前工作窗，其中提升機構(gòu)與外缸套的上端部相連接，密封電纜接頭與電子設備倉相連，作為電子設備倉的輸出端口，電子設備倉位于提升機構(gòu)下方，電子設備倉下方設有冷卻泵倉，冷卻泵倉下方設有上封隔器，上封隔器通過封隔器上支架固定于外缸套內(nèi)，下封隔器通過隔離器下支架與外缸套下端部固定連接，環(huán)形槽切割主工作部與內(nèi)缸套、推送機構(gòu)裝配成一體，并置于上封隔器和下封隔器之間，在位于上封隔器、下封隔器之間的外缸套上設有前工作窗和后工作窗，下設備倉位于外缸套的尾部。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型井下側(cè)壁環(huán)形槽切割工具，其特征是，所述環(huán) 形槽切割主工作部，包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機、機座、聯(lián)軸器、傘形齒輪副、主軸箱、 帶鍵齒鉆具套、薄壁金剛石取芯鉆頭、鉆具座、進給推送絲桿、進給機構(gòu)支座、 進給機構(gòu)軸箱、進給步進電機、反力支撐機構(gòu)，其中旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機豎直固定在 機座上，通過聯(lián)軸器與主軸箱的主動軸相連，主軸箱的主動軸通過傘形齒輪副與 軸線處于水平位置的帶鍵齒鉆具套相連，帶鍵齒鉆具套與薄壁金剛石取芯鉆頭通 過螺紋相連接，并支撐于鉆具座上，鉆具座契形底部裝配在進給機構(gòu)支座契形槽 內(nèi)，進給機構(gòu)支座與進給機構(gòu)軸箱固定連接，進給步進電機位于整個環(huán)形槽切割 主工作部的底部，其軸線與薄壁金剛石取芯鉆頭軸線相平行，進給步進電機的主 軸與進給機構(gòu)軸箱輸入端相連，進給機構(gòu)軸箱輸出端與進給推送絲桿相連，反力 支撐機構(gòu)位于帶鍵齒鉆具套后端部的下方，與進給推送絲桿相連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型井下側(cè)壁環(huán)形槽切割工具，其特征是，所述的 推送機構(gòu)，包括基座、推送電機、變速箱、開式傳動齒輪、推送絲桿，其中 推送電機固定在基座的下部，推送電機通過變速箱和開式傳動齒輪與推送絲桿相 連，推送絲桿與下封隔器的上支座中套上端通過內(nèi)螺紋絲扣相配合。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型井下側(cè)壁環(huán)形槽切割工具，其特征是，所述外 缸套，其與環(huán)形槽切割主工作部與內(nèi)缸套、推送機構(gòu)之間設有密封環(huán)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微型井下側(cè)壁環(huán)形槽切割工具，.其特征是，所述下 封隔器，其上支座中套軸向鍵槽與內(nèi)缸套下端蓋的中孔通過鍵齒相配合。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的微型井下側(cè)壁環(huán)形槽切割工具，其特征是，所 述下封隔器，其上支座中套側(cè)壁開有管線孔。
全文摘要
一種土木水利工程技術(shù)領域的微型井下側(cè)壁環(huán)形槽切割工具，本發(fā)明中，提升機構(gòu)與外缸套的上端部相連接，密封電纜接頭與電子設備倉相連，作為電子設備倉的輸出端口，電子設備倉位于提升機構(gòu)下方，電子設備倉下方設有冷卻泵倉，冷卻泵倉下方設有上封隔器，上封隔器通過封隔器上支架固定于外缸套內(nèi)，下封隔器通過隔離器下支架與外缸套下端部固定連接，環(huán)形槽切割主工作部與內(nèi)缸套、推送機構(gòu)裝配成一體，并置于上封隔器和下封隔器之間，在位于上封隔器、下封隔器之間的外缸套的相應位置設有前工作窗和后工作窗，下設備倉位于外缸套的尾部。本發(fā)明設計合理，結(jié)構(gòu)緊湊、鉆具自如地鉆進和退鉆，巖屑也可及時得到排出。
文檔編號E21B29/08GK101240697SQ20081003456
公開日2008年8月13日 申請日期2008年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月13日
發(fā)明者侯明勛, 涂光騫, 葛修潤 申請人:上海交通大學