一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构及使用方法

1.本发明属于超声波钻探器领域，特别是涉及一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构及使用方法。


背景技术：

2.超声波钻探器具有体积小、功耗低和钻压力小等优点，目前被广泛使用于外星钻探采样、煤矿辅助钻探等领域。压电换能器作为超声波钻探器的动力源部分，利用压电陶瓷的逆压电效应，产生机械振动，将电能转化为机械能，并以超声波的形式传递至变幅杆的底端，激励自由质量块，将声能转化为机械能，并向钻头部分传递。因此，压电换能器的驱动特性直接影响钻探器的钻探效率。压电换能器长时间工作会产生发热现象，从而影响钻探效率。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明旨在提出一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构及使用方法，以解决超声波钻探器中压电换能器发热影响钻探效率的问题。
4.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构，它包括钻头、导热片、中段、压电换能器和后盖，所述钻头、中段与后盖依次连接，所述压电换能器设置在中段内，所述压电换能器中的变幅杆冲击头顶部与自由质量块连接，所述自由质量块与钻头连接，所述钻头、中段和后盖的内部均开设有多条流道，所述后盖的顶部开设有入水口，多条流道均与入水口连通，所述导热片数量为多个，多个导热片的一端与变幅杆的大径外圆面相连，另一端与中段的内壁相连。
5.更进一步的，所述入水口与水管相连，所述水管与调速阀相连。
6.更进一步的，所述中段内部设置有温度传感器，所述温度传感器监测压电换能器中的压电陶瓷片，所述温度传感器与调速阀控制相连。
7.更进一步的，所述中段内部设置有湿度传感器，所述湿度传感器监测钻探器内部湿度，所述湿度传感器与电控系统控制相连。
8.更进一步的，所述压电换能器包括变幅杆、压电陶瓷片、绝缘尼龙套、后盖板、锁紧螺母和电极片，所述电极片数量为多个，相邻电极片之间设置一个压电陶瓷片，所述压电陶瓷片和电极片堆叠在变幅杆上，所述变幅杆上套接后盖板，所述变幅杆后端与锁紧螺母相连，通过锁紧螺母将后盖板锁紧，所述后盖板与变幅杆之间设置有绝缘尼龙套。
9.更进一步的，所述变幅杆的外侧设置有直线轴承，所述直线轴承与轴承套相连，所述轴承套与钻头相连。
10.更进一步的，所述轴承套通过孔用弹性挡圈与钻头相连。
11.更进一步的，所述导热片为铜制u型片。
12.更进一步的，所述流道的数量为四条，所述钻头、中段和后盖的流道连接部分使用o型密封圈密封。
13.本发明还提供了一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构的使用方法，使用方法如下：
14.压电换能器驱动钻头冲击击碎岩石；
15.压电陶瓷片产生热量并传递给变幅杆，变幅杆通过导热片将热量传递至中段的内壁上，水流从入水口进入后流经多条流道，从钻头底部流出，水流与中段进行耦合传热，带走传递至中段内壁上的热量；
16.温度传感器实时监测压电陶瓷片的温度变化，若温度过高，控制调速阀调节水流流速，改善钻探器的散热效果，湿度传感器实时监测钻探器内部的湿度，若湿度过高，及时停电，防止发生短路现象；
17.使用电流环控制方式，实时监测压电换能器的电流和电压的变化，若电压的频率和幅值变化异常，及时调整系统供电，保证电压频率稳定在纵振频率，使压电换能器稳定工作；
18.钻探器根据当前状态下的回转转矩、回转转速对钻探对象进行硬度评估，根据硬度评估结果调整钻探器的回转转矩、回转转速，若钻探对象硬度大，钻探器加大回转转矩，加快钻探效率，反之，钻探器则减小回转转矩，保证钻探效率的同时可以降低压电换能器的能耗。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本技术钻探器在内部开通流道，利用水流的单向流动及时带走压电换能器产生的热量。通过流体散热处理可以使压电换能器温度升高较小，保证压电换能器的工作特性。压电陶瓷片产生的热量通过多次传递，最终被水流吸收带走，压电换能器工作时的压电陶瓷片发热情况良好。通过温度传感器和湿度传感器能够对钻探器进行实时监测并及时反馈调整，保证散热效果并且防止短路。使用电流环控制方式能够保证压电换能器稳定工作，根据硬度评估结果对钻探器进行调整，保证钻探效率的同时可以降低压电换能器的能耗。
附图说明
20.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
21.图1为本发明所述的一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构剖面结构示意图；
22.图2为本发明所述的压电换能器组成结构示意图；
23.图3为本发明所述的一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构整体组成结构示意图；
24.图4为本发明所述的压电换能器控制流程图。
25.1：钻头，2：自由质量块，3：直线轴承，4：轴承套，5：孔用弹性挡圈，6：导热片，7：中段，8：压电换能器，9：后盖，10：调速阀，11：水管，12：湿度传感器，13：温度传感器，8-1：变幅杆，8-2：压电陶瓷片，8-3：绝缘尼龙套，8-4：后盖板，8-5：锁紧螺母，8-6：电极片。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
27.参见图1-4说明本实施方式，一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构，它包括钻头1、导热片6、中段7、压电换能器8和后盖9，所述钻头1、中段7与后盖9依次连接，所述压电换能器8设置在中段7内，所述压电换能器8中的变幅杆8-1冲击头顶部与自由质量块2连接，所述自由质量块2与钻头1连接，所述钻头1、中段7和后盖9的内部均开设有多条流道，所述后盖9的顶部开设有入水口，多条流道均与入水口连通，所述导热片6数量为多个，多个导热片6的一端与变幅杆8-1的大径外圆面相连，另一端与中段7的内壁相连。
28.实施例中，所述入水口与水管11相连，所述水管11与调速阀10相连。
29.实施例中，所述中段7内部设置有温度传感器13，所述温度传感器13监测压电换能器8中的压电陶瓷片8-2，所述温度传感器13与调速阀10控制相连。
30.实施例中，所述中段7内部设置有湿度传感器12，所述湿度传感器12监测钻探器内部湿度，所述湿度传感器12与电控系统控制相连。
31.实施例中，所述压电换能器8包括变幅杆8-1、压电陶瓷片8-2、绝缘尼龙套8-3、后盖板8-4、锁紧螺母8-5和电极片8-6，所述电极片8-6数量为多个，相邻电极片8-6之间设置一个压电陶瓷片8-2，所述压电陶瓷片8-2和电极片8-6堆叠在变幅杆8-1上，所述变幅杆8-1上套接后盖板8-4，所述变幅杆8-1后端与锁紧螺母8-5相连，通过锁紧螺母8-5将后盖板8-4锁紧，所述后盖板8-4与变幅杆8-1之间设置有绝缘尼龙套8-3。
32.实施例中，所述变幅杆8-1的外侧设置有直线轴承3，所述直线轴承3与轴承套4相连，所述轴承套4与钻头1相连。
33.实施例中，所述轴承套4通过孔用弹性挡圈5与钻头1相连。
34.实施例中，所述导热片6为铜制u型片。
35.实施例中，所述流道的数量为四条，所述钻头1、中段7和后盖9的流道连接部分使用o型密封圈密封。
36.本实施例为一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构的使用方法，使用方法如下：
37.在压电换能器8的电极片8-6处施加的交流电压的频率等于压电换能器8的一阶纵振频率时，压电换能器8在谐振状态下工作，在变幅杆8-1的冲击头顶部产生高频的简谐振动，自由质量块2受到来自变幅杆8-1的冲击碰撞，使其沿着轴向作冲击运动。自由质量块2与钻头1发生冲击碰撞，使钻头1冲击击碎岩石。
38.钻头1、中段7和后盖9内部都开通有四条流道，后盖9的顶部开有入水口，使用o型密封圈将流道连接的部分密封。当压电换能器8工作时间较长时，压电陶瓷片8-2产生大量热量，并传递给变幅杆8-1，变幅杆8-1通过连接在大径外圆面上的铜制u型导热片6将热量传递至中段7的内壁上。水流进入后盖9的入水口后，形成四支分流，流经四条流道，从钻头1底部流出。水流与中段7进行耦合传热，带走传递至中段7内壁上的热量。压电陶瓷片8-2产生的热量通过多次传递，最终被水流吸收带走，压电换能器8工作时的压电陶瓷片8-2发热情况良好。
39.温度传感器13能够实时监测压电陶瓷片8-2的温度变化，若温度过高，及时使用调速阀10可以调节水流流速，改善钻探器的散热效果。湿度传感器12能实时监测钻探器内部
的湿度，若湿度过高，及时停电，防止短路现象发生。
40.使用电流环控制方式，实时监测压电换能器8的电流和电压的变化，若电压的频率和幅值变化过大，及时调整系统供电，保证电压频率稳定在纵振频率，使压电换能器8稳定工作。
41.钻探器能根据当前状态下的回转转矩、回转转速等参数对钻探对象进行硬度评估，根据硬度评估结果调整钻探器的回转转矩、回转转速等，若钻探对象硬度较大，钻探器加大回转转矩，加快钻探效率，反之，钻探器则减小回转转矩，保证钻探效率的同时可以降低压电换能器8的能耗。
42.以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

技术特征：
1.一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构，其特征在于：它包括钻头(1)、导热片(6)、中段(7)、压电换能器(8)和后盖(9)，所述钻头(1)、中段(7)与后盖(9)依次连接，所述压电换能器(8)设置在中段(7)内，所述压电换能器(8)中的变幅杆(8-1)冲击头顶部与自由质量块(2)连接，所述自由质量块(2)与钻头(1)连接，所述钻头(1)、中段(7)和后盖(9)的内部均开设有多条流道，所述后盖(9)的顶部开设有入水口，多条流道均与入水口连通，所述导热片(6)数量为多个，多个导热片(6)的一端与变幅杆(8-1)的大径外圆面相连，另一端与中段(7)的内壁相连。2.根据权利要求1所述的一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构，其特征在于：所述入水口与水管(11)相连，所述水管(11)与调速阀(10)相连。3.根据权利要求1所述的一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构，其特征在于：所述中段(7)内部设置有温度传感器(13)，所述温度传感器(13)监测压电换能器(8)中的压电陶瓷片(8-2)，所述温度传感器(13)与调速阀(10)控制相连。4.根据权利要求1所述的一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构，其特征在于：所述中段(7)内部设置有湿度传感器(12)，所述湿度传感器(12)监测钻探器内部湿度，所述湿度传感器(12)与电控系统控制相连。5.根据权利要求1所述的一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构，其特征在于：所述压电换能器(8)包括变幅杆(8-1)、压电陶瓷片(8-2)、绝缘尼龙套(8-3)、后盖板(8-4)、锁紧螺母(8-5)和电极片(8-6)，所述电极片(8-6)数量为多个，相邻电极片(8-6)之间设置一个压电陶瓷片(8-2)，所述压电陶瓷片(8-2)和电极片(8-6)堆叠在变幅杆(8-1)上，所述变幅杆(8-1)上套接后盖板(8-4)，所述变幅杆(8-1)后端与锁紧螺母(8-5)相连，通过锁紧螺母(8-5)将后盖板(8-4)锁紧，所述后盖板(8-4)与变幅杆(8-1)之间设置有绝缘尼龙套(8-3)。6.根据权利要求1所述的一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构，其特征在于：所述变幅杆(8-1)的外侧设置有直线轴承(3)，所述直线轴承(3)与轴承套(4)相连，所述轴承套(4)与钻头(1)相连。7.根据权利要求1所述的一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构，其特征在于：所述轴承套(4)通过孔用弹性挡圈(5)与钻头(1)相连。8.根据权利要求1所述的一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构，其特征在于：所述导热片(6)为铜制u型片。9.根据权利要求1所述的一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构，其特征在于：所述流道的数量为四条，所述钻头(1)、中段(7)和后盖(9)的流道连接部分使用o型密封圈密封。10.一种如权利要求1所述的通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构的使用方法，其特征在于：压电换能器(8)驱动钻头(1)冲击击碎岩石；压电陶瓷片(8-2)产生热量并传递给变幅杆(8-1)，变幅杆(8-1)通过导热片(6)将热量传递至中段(7)的内壁上，水流从入水口进入后流经多条流道，从钻头(1)底部流出，水流与中段(7)进行耦合传热，带走传递至中段(7)内壁上的热量；温度传感器(13)实时监测压电陶瓷片(8-2)的温度变化，若温度过高，控制调速阀(10)
调节水流流速，改善钻探器的散热效果，湿度传感器(12)实时监测钻探器内部的湿度，若湿度过高，及时停电，防止发生短路现象；使用电流环控制方式，实时监测压电换能器(8)的电流和电压的变化，若电压的频率和幅值变化异常，及时调整系统供电，保证电压频率稳定在纵振频率，使压电换能器(8)稳定工作；钻探器根据当前状态下的回转转矩、回转转速对钻探对象进行硬度评估，根据硬度评估结果调整钻探器的回转转矩、回转转速，若钻探对象硬度大，钻探器加大回转转矩，加快钻探效率，反之，钻探器则减小回转转矩，保证钻探效率的同时可以降低压电换能器(8)的能耗。

技术总结
本发明提出了一种通过流体散热的超声波冲击辅助钻进机构及使用方法，属于压电冲击式超声波钻探器领域。解决了超声波钻探器中压电换能器发热影响钻探效率的问题。它包括头、导热片、中段、压电换能器和后盖，所述钻头、中段与后盖依次连接，所述压电换能器设置在中段内，所述压电换能器中的变幅杆冲击头顶部与自由质量块连接，所述自由质量块与钻头连接，所述钻头、中段和后盖的内部均开设有多条流道，所述后盖的顶部开设有入水口，多条流道均与入水口连通，所述导热片数量为多个，多个导热片的一端与变幅杆的大径外圆面相连，另一端与中段的内壁相连。它主要用于超声波钻探器。段的内壁相连。它主要用于超声波钻探器。段的内壁相连。它主要用于超声波钻探器。


技术研发人员：柏德恩 张锦龙 莫强忠 胡强 唐超权 唐玮 汤裕 王情情 王威
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/8/24