电磁驱动的地质钻机正反转装置设计研究

周集忠

摘要：目前具备正反转功能的地质钻机，大多利用机械工作原理，由人工切换正反转功能，其结构复杂繁琐，对设备的加工制造工艺和精密度要求较高，这导致机械制造成本的增加。更重要的是，人工切换地质钻机的正反转功能，常常出现操作人员操作失误引起的伤害事故。鉴于传统地质钻机正反转装置的不足，我们利用电磁感应原理，设计的地质钻机正反转装置，可以快速、安全的切换地质钻机的正反转功能。该设计在生产实践中能提高生产效率、降低生产成本。

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.

关键词：电磁驱动;地质钻机;正反转

Key words： electromagnetism;mine drill;corotation and contrarotation

中图分类号：TN712.1                                    文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）01-0057-02

0  引言

鉆探是岩土工程勘查、地质调查、矿产资源勘查和寻找地下水资源等地勘工作最直接、最有效的技术手段之一，而地质钻机是实现地质钻探的载体[1-2]。地质钻机主要用于岩心勘探，典型的机型主要有TXJ-1600型，钻进深度为一般为1600m（50钻杆），1200m（60钻杆），主要用于垂直和倾斜度小于450的矿产资源、油气资源、地下水以及市政工程和岩土工程勘查等勘探钻孔工作[3]。然而目前具备正反转功能的地质钻机，大多利用机械工作原理，由人工切换正反转功能，其结构复杂繁琐，对加工的精密度、设备的制造工艺均要求较高，这就导致了机械制造成本的增加，同时也不利于推广应用。更重要的是，人工切换地质钻机的正反转功能，常常出现操作人员操作失误引起的伤害事故[4-5]。鉴于传统地质钻机的上述不足，我们利用电磁感应原理[6]，通过改进生产技术和工艺，研发、改进了一种地质钻机的正反转装置，该技术克服了上述现有地质钻机正反转装置的缺点，可以快速、安全的切换地质钻机的正反转功能。该设计在生产实践中能提高生产效率、降低生产成本，因此也获得了国家实用新型专利授权（专利号：2017 209 622 11.2）。

1  设计思路

我们设计的地质钻机正反转装置，其基本设计思路为：利用电磁感应原理快速、安全的切换地质钻机的正反转功能[7]。具体设计构造如下：本装置包括控制箱（1）、控制机构和钻杆（2），需要说明的是：为了能够清楚的描述本装置的构造和工作原理，本文括号内的数字代表本装置的配件，具体名称和配件结构图见图1和图2。

我们设计的地质钻机正反转装置，主要包括控制箱、控制机构和钻杆，控制箱内部设有主动轮和从动轮，控制箱外壁的左右两侧分别设有左圆槽和右圆槽。

控制箱（1）内设有主动轮（3和4）和从动轮（13），主动轮（3和4）为锥齿轮Ⅰ（3）和锥齿轮Ⅱ（4），并且锥齿轮Ⅰ（3）和锥齿轮Ⅱ（4）间隔设置在转动轴（5）上，同时锥齿轮Ⅰ（3）和锥齿轮Ⅱ（4）与控制箱（1）的内壁间设有缠绕在转动轴上的弹簧（15）;控制箱的外壁左右两侧分别设有左圆槽（6）和右圆槽（7），上述转动轴（5）的两端贯穿于左圆槽（6）和右圆槽（7）的中心，并且在转动轴（5）的两端分别设有圆柱形的左磁铁块（8）和右磁铁块（9），左磁铁块（8）和右磁铁块（9）的侧壁上均设有导电片Ⅰ（图3、图4）。

从动轮为锥齿轮Ⅲ（13），设置在主动轮的下方（3和4），另外在上述左圆槽（6）和右圆槽（7）的内壁设有导电片Ⅱ（图3、图4）。

控制机构包括：左电机（11）、右电机（12）、控制磁铁（10）和电源Ⅰ、电源Ⅱ（图3、图4）。其构造为：在左电机（11）和右电机（12）上均设有电机轴，在电机轴的端部设有控制磁铁（10）。

上述钻杆（2）贯穿于控制箱（1）的底面设置，并且钻杆（2）的顶端连接在锥齿轮Ⅲ上（13），钻杆（2）与控制箱（1）的接触位置设有保护套（14）。

上述锥齿轮Ⅰ（3）和锥齿轮Ⅱ（4）分别与锥齿轮Ⅲ啮合（13）。

上述右电机（12）、左磁铁块上导电片Ⅰ、左圆槽中导电片Ⅱ、右电机上控制磁铁（10）和电源Ⅱ之间相互串联（图3）;上述左电机（11）、右磁铁块上导电片Ⅰ、右圆槽中导电片Ⅱ、左电机上控制磁铁（10）和电源Ⅰ之间相互串联（图4）。

2  产品样图

下面将结合本产品设计中的附图，对其技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实例。

3  工作原理

本实用新型创新设计的工作原理为，本装置的初始状态是锥齿轮Ⅰ（3）与锥齿轮Ⅲ（13）啮合，右磁铁（9）与右电机（12）上的控制磁铁（10）吸附在一起，形成一个整体，右电机（12）驱使转动轴（5）转动，从而带动锥齿轮Ⅰ（3）和锥齿轮Ⅲ（13）随之转动，驱动钻杆（2）正向转动。

若要调整钻杆（2）反方向转动时，首先在右磁铁块（9）与右电机（12）上的控制磁铁（10）中通入反向电流，产生排斥力，使得左磁铁块（8）脱离左圆槽（6），与此同时右磁铁块（9）会进入右圆槽（7）中，产生的效果是右电机（12）断电，停止工作;而右磁铁块（9）上导电片Ⅰ与右圆槽（7）中导电片Ⅱ接触使左电机（11）通电，开始工作，左电机（11）上控制磁铁块（10）与左磁铁块（8）相互吸引，形成一个整体，此时锥齿轮Ⅱ（4）与锥齿轮Ⅲ（13）啮合，左电机（11）驱使转动轴（5）转动，并且带动锥齿轮Ⅱ（4）与锥齿轮Ⅲ（13）的传动，实现钻杆（2）反方向的转动。

以上公开的本产品优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为的具体实施方式。显然，根据本设计的内容，可作很多的修改和变化。本设计选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本产品。

4  产品创新性

本产品提供的一种地质钻机正反转装置，通过控制机构实现锥齿轮Ⅲ与锥齿轮Ⅰ或者锥齿轮Ⅱ之间的啮合，进而改变钻杆的转动方向，实现钻杆的正反转，整个过程能够快速调节钻杆的正反转，并且调节的过程安全有效。

参考文献：

[1]曾金义，刘建立.深井超深井钻井技术现状和发展趋势[J].石油勘探技术，2005，33（5）：1-5.

[2]尹永晶.自动送钻技术的现状与展望[J].石油机械，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]张炳义，冯桂宏，王凤翔，等.SPWM电源供电下低速大扭矩永磁同步电动机设计研究[J].电工技术学报，2001（12）：12-15.

[6]王丽，佘立根，张炜.机械强度可靠性设计在地质鉆机设计中的应用[J].设计与分析，2014（27）：152-153.

[7]桂暖银，刘宝林.地质钻机动力驱动系统的发展趋势[J].中国地质，1998（9）：26-28.

[8]刘宝林，桂暖银.地质钻机交流变频调速系统驱动性能的实验研究[J].探矿工程，1996（1）：49-52.

[9]常世瑶.地质钻机永磁电动机直驱自动送钻控制系统[D].沈阳工业大学硕士学位论文，2015.