電磁驅(qū)動的地質(zhì)鉆機(jī)正反轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)研究

周集忠

摘要：目前具備正反轉(zhuǎn)功能的地質(zhì)鉆機(jī)，大多利用機(jī)械工作原理，由人工切換正反轉(zhuǎn)功能，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜繁瑣，對設(shè)備的加工制造工藝和精密度要求較高，這導(dǎo)致機(jī)械制造成本的增加。更重要的是，人工切換地質(zhì)鉆機(jī)的正反轉(zhuǎn)功能，常常出現(xiàn)操作人員操作失誤引起的傷害事故。鑒于傳統(tǒng)地質(zhì)鉆機(jī)正反轉(zhuǎn)裝置的不足，我們利用電磁感應(yīng)原理，設(shè)計(jì)的地質(zhì)鉆機(jī)正反轉(zhuǎn)裝置，可以快速、安全的切換地質(zhì)鉆機(jī)的正反轉(zhuǎn)功能。該設(shè)計(jì)在生產(chǎn)實(shí)踐中能提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

Abstract： At present， the mine drill with corotation and contrarotation is driving by mechanician， which is shifting by the workers. The mine drill has a complicated structure， which will lead to a higher manufacturing technology and cost. More importantly， the corotation and contrarotation shifting by the workers often give rise to a series of human accident. Given that the mine drill with corotation and contrarotation driving by mechanician has a lot of drawbacks， we design a mine drill with corotation and contrarotation driving by electromagnetism. The new mine drill can rapidly and safety shfit the corotation and contrarotation. The new mine drill has the ability to enhance productivity and reduce manufacturing costs.

關(guān)鍵詞：電磁驅(qū)動;地質(zhì)鉆機(jī);正反轉(zhuǎn)

Key words： electromagnetism;mine drill;corotation and contrarotation

中圖分類號：TN712.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0057-02

0? 引言

鉆探是巖土工程勘查、地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘查和尋找地下水資源等地勘工作最直接、最有效的技術(shù)手段之一，而地質(zhì)鉆機(jī)是實(shí)現(xiàn)地質(zhì)鉆探的載體[1-2]。地質(zhì)鉆機(jī)主要用于巖心勘探，典型的機(jī)型主要有TXJ-1600型，鉆進(jìn)深度為一般為1600m（50鉆桿），1200m（60鉆桿），主要用于垂直和傾斜度小于450的礦產(chǎn)資源、油氣資源、地下水以及市政工程和巖土工程勘查等勘探鉆孔工作[3]。然而目前具備正反轉(zhuǎn)功能的地質(zhì)鉆機(jī)，大多利用機(jī)械工作原理，由人工切換正反轉(zhuǎn)功能，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜繁瑣，對加工的精密度、設(shè)備的制造工藝均要求較高，這就導(dǎo)致了機(jī)械制造成本的增加，同時(shí)也不利于推廣應(yīng)用。更重要的是，人工切換地質(zhì)鉆機(jī)的正反轉(zhuǎn)功能，常常出現(xiàn)操作人員操作失誤引起的傷害事故[4-5]。鑒于傳統(tǒng)地質(zhì)鉆機(jī)的上述不足，我們利用電磁感應(yīng)原理[6]，通過改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)和工藝，研發(fā)、改進(jìn)了一種地質(zhì)鉆機(jī)的正反轉(zhuǎn)裝置，該技術(shù)克服了上述現(xiàn)有地質(zhì)鉆機(jī)正反轉(zhuǎn)裝置的缺點(diǎn)，可以快速、安全的切換地質(zhì)鉆機(jī)的正反轉(zhuǎn)功能。該設(shè)計(jì)在生產(chǎn)實(shí)踐中能提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，因此也獲得了國家實(shí)用新型專利授權(quán)（專利號：2017 209 622 11.2）。

1? 設(shè)計(jì)思路

我們設(shè)計(jì)的地質(zhì)鉆機(jī)正反轉(zhuǎn)裝置，其基本設(shè)計(jì)思路為：利用電磁感應(yīng)原理快速、安全的切換地質(zhì)鉆機(jī)的正反轉(zhuǎn)功能[7]。具體設(shè)計(jì)構(gòu)造如下：本裝置包括控制箱（1）、控制機(jī)構(gòu)和鉆桿（2），需要說明的是：為了能夠清楚的描述本裝置的構(gòu)造和工作原理，本文括號內(nèi)的數(shù)字代表本裝置的配件，具體名稱和配件結(jié)構(gòu)圖見圖1和圖2。

我們設(shè)計(jì)的地質(zhì)鉆機(jī)正反轉(zhuǎn)裝置，主要包括控制箱、控制機(jī)構(gòu)和鉆桿，控制箱內(nèi)部設(shè)有主動輪和從動輪，控制箱外壁的左右兩側(cè)分別設(shè)有左圓槽和右圓槽。

控制箱（1）內(nèi)設(shè)有主動輪（3和4）和從動輪（13），主動輪（3和4）為錐齒輪Ⅰ（3）和錐齒輪Ⅱ（4），并且錐齒輪Ⅰ（3）和錐齒輪Ⅱ（4）間隔設(shè)置在轉(zhuǎn)動軸（5）上，同時(shí)錐齒輪Ⅰ（3）和錐齒輪Ⅱ（4）與控制箱（1）的內(nèi)壁間設(shè)有纏繞在轉(zhuǎn)動軸上的彈簧（15）;控制箱的外壁左右兩側(cè)分別設(shè)有左圓槽（6）和右圓槽（7），上述轉(zhuǎn)動軸（5）的兩端貫穿于左圓槽（6）和右圓槽（7）的中心，并且在轉(zhuǎn)動軸（5）的兩端分別設(shè)有圓柱形的左磁鐵塊（8）和右磁鐵塊（9），左磁鐵塊（8）和右磁鐵塊（9）的側(cè)壁上均設(shè)有導(dǎo)電片Ⅰ（圖3、圖4）。

從動輪為錐齒輪Ⅲ（13），設(shè)置在主動輪的下方（3和4），另外在上述左圓槽（6）和右圓槽（7）的內(nèi)壁設(shè)有導(dǎo)電片Ⅱ（圖3、圖4）。

控制機(jī)構(gòu)包括：左電機(jī)（11）、右電機(jī)（12）、控制磁鐵（10）和電源Ⅰ、電源Ⅱ（圖3、圖4）。其構(gòu)造為：在左電機(jī)（11）和右電機(jī)（12）上均設(shè)有電機(jī)軸，在電機(jī)軸的端部設(shè)有控制磁鐵（10）。

上述鉆桿（2）貫穿于控制箱（1）的底面設(shè)置，并且鉆桿（2）的頂端連接在錐齒輪Ⅲ上（13），鉆桿（2）與控制箱（1）的接觸位置設(shè)有保護(hù)套（14）。

上述錐齒輪Ⅰ（3）和錐齒輪Ⅱ（4）分別與錐齒輪Ⅲ嚙合（13）。

上述右電機(jī)（12）、左磁鐵塊上導(dǎo)電片Ⅰ、左圓槽中導(dǎo)電片Ⅱ、右電機(jī)上控制磁鐵（10）和電源Ⅱ之間相互串聯(lián)（圖3）;上述左電機(jī)（11）、右磁鐵塊上導(dǎo)電片Ⅰ、右圓槽中導(dǎo)電片Ⅱ、左電機(jī)上控制磁鐵（10）和電源Ⅰ之間相互串聯(lián)（圖4）。

2? 產(chǎn)品樣圖

下面將結(jié)合本產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的附圖，對其技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)例。

3? 工作原理

本實(shí)用新型創(chuàng)新設(shè)計(jì)的工作原理為，本裝置的初始狀態(tài)是錐齒輪Ⅰ（3）與錐齒輪Ⅲ（13）嚙合，右磁鐵（9）與右電機(jī)（12）上的控制磁鐵（10）吸附在一起，形成一個(gè)整體，右電機(jī)（12）驅(qū)使轉(zhuǎn)動軸（5）轉(zhuǎn)動，從而帶動錐齒輪Ⅰ（3）和錐齒輪Ⅲ（13）隨之轉(zhuǎn)動，驅(qū)動鉆桿（2）正向轉(zhuǎn)動。

若要調(diào)整鉆桿（2）反方向轉(zhuǎn)動時(shí)，首先在右磁鐵塊（9）與右電機(jī)（12）上的控制磁鐵（10）中通入反向電流，產(chǎn)生排斥力，使得左磁鐵塊（8）脫離左圓槽（6），與此同時(shí)右磁鐵塊（9）會進(jìn)入右圓槽（7）中，產(chǎn)生的效果是右電機(jī)（12）斷電，停止工作;而右磁鐵塊（9）上導(dǎo)電片Ⅰ與右圓槽（7）中導(dǎo)電片Ⅱ接觸使左電機(jī)（11）通電，開始工作，左電機(jī)（11）上控制磁鐵塊（10）與左磁鐵塊（8）相互吸引，形成一個(gè)整體，此時(shí)錐齒輪Ⅱ（4）與錐齒輪Ⅲ（13）嚙合，左電機(jī)（11）驅(qū)使轉(zhuǎn)動軸（5）轉(zhuǎn)動，并且?guī)渝F齒輪Ⅱ（4）與錐齒輪Ⅲ（13）的傳動，實(shí)現(xiàn)鉆桿（2）反方向的轉(zhuǎn)動。

以上公開的本產(chǎn)品優(yōu)選實(shí)施例只是用于幫助闡述本實(shí)用新型。優(yōu)選實(shí)施例并沒有詳盡敘述所有的細(xì)節(jié)，也不限制該實(shí)用新型僅為的具體實(shí)施方式。顯然，根據(jù)本設(shè)計(jì)的內(nèi)容，可作很多的修改和變化。本設(shè)計(jì)選取并具體描述這些實(shí)施例，是為了更好地解釋本實(shí)用新型的原理和實(shí)際應(yīng)用，從而使所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員能很好地理解和利用本產(chǎn)品。

4? 產(chǎn)品創(chuàng)新性

本產(chǎn)品提供的一種地質(zhì)鉆機(jī)正反轉(zhuǎn)裝置，通過控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)錐齒輪Ⅲ與錐齒輪Ⅰ或者錐齒輪Ⅱ之間的嚙合，進(jìn)而改變鉆桿的轉(zhuǎn)動方向，實(shí)現(xiàn)鉆桿的正反轉(zhuǎn)，整個(gè)過程能夠快速調(diào)節(jié)鉆桿的正反轉(zhuǎn)，并且調(diào)節(jié)的過程安全有效。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾金義，劉建立.深井超深井鉆井技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].石油勘探技術(shù)，2005，33（5）：1-5.

[2]尹永晶.自動送鉆技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].石油機(jī)械，2002，30 （8）：64-65.

[3]Piippo A， Hinkkanen， Luomi J.， Analysis of an adaptive observer for sensorless control of interior permanent magnet synchronous motor[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2008， 55 （2）： 570-576.

[4]Das T， Kar I. N.， Design and implementation of an adaptive fuzzy logic based controller for wheeled mobile robots[J]. IEEE Trans on Control Systems Technology， 2006， 14 （3）： 501-510.

[5]張炳義，馮桂宏，王鳳翔，等.SPWM電源供電下低速大扭矩永磁同步電動機(jī)設(shè)計(jì)研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2001（12）：12-15.

[6]王麗，佘立根，張煒.機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)在地質(zhì)鉆機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].設(shè)計(jì)與分析，2014（27）：152-153.

[7]桂暖銀，劉寶林.地質(zhì)鉆機(jī)動力驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[J].中國地質(zhì)，1998（9）：26-28.

[8]劉寶林，桂暖銀.地質(zhì)鉆機(jī)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].探礦工程，1996（1）：49-52.

[9]常世瑤.地質(zhì)鉆機(jī)永磁電動機(jī)直驅(qū)自動送鉆控制系統(tǒng)[D].沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2015.