一種孔底管式直線電機電動沖擊器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種孔底管式直線電機電動沖擊器，包括電機外筒、永磁桿、直線球軸承、動子、動子硅鋼片、動子線圈。電機外筒為直線電機的外殼，永磁桿固定在電機外筒上，永磁桿作為直線電機的定子；動子通過直線球軸承與永磁桿做相對運動；動子內(nèi)部鑲嵌有由動子硅鋼片組成的鐵芯，鐵芯中有槽，槽里有動子線圈；線圈采用三相交流繞組，用于接入三相對稱交流電，產(chǎn)生與動子運動方向一致的行波磁場；還設(shè)有兩個減震彈簧用于緩沖減震。本沖擊器采用動圈式結(jié)構(gòu)，即永磁桿和鐵芯固定，線圈運動。同時在動子與底座間設(shè)計了緩沖墊片提高沖擊器的抗疲勞壽命。本沖擊器結(jié)構(gòu)簡單堅固，制造維護成本低，沖擊行程速度、頻率易于調(diào)節(jié)，效率高，可用于深孔鉆探。
【專利說明】一種孔底管式直線電機電動沖擊器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種電機設(shè)計技術(shù)，具體地說是涉及一種孔底管式直線電機電動沖擊器，本發(fā)明的沖擊器可廣泛應(yīng)用于地質(zhì)裝備、地質(zhì)、石油鉆探工程、鉆井工程中，可替代現(xiàn)有液動沖擊器和風動沖擊器。
【背景技術(shù)】
[0002]當前在地質(zhì)、石油鉆探工程常用沖擊器有兩大類:液動沖擊器和風動沖擊器，這兩類沖擊器在使用中都存在有以下一些問題:
[0003]I)工作參數(shù)無法井下調(diào)整、遙控困難，無法適應(yīng)鉆探設(shè)備自動化發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的液動或風動沖擊器沖擊行程頻率調(diào)節(jié)困難，通常下井后只能按照預(yù)先調(diào)整的沖擊功和沖擊頻率開始沖擊，無法根據(jù)不同的地層對沖擊參數(shù)做出適當調(diào)整。地表泥漿泵或空氣壓縮機一開始運轉(zhuǎn)，沖擊器即處于工作狀態(tài)，在井下開始工作后無法通過地表控制；遇到緊急情況需停止工作時，必須關(guān)閉泥漿泵或空氣壓縮機，有可能造成燒鉆等事故。對于可能出現(xiàn)的如空打、水路堵死、沖擊器卡死等狀況，無法做出準確分析、識別，只能由工作人員在地表憑經(jīng)驗主觀判斷。已不能很好的滿足現(xiàn)今鉆探設(shè)備對自動化程度要求較高的需要。
[0004]2)需大功率附屬設(shè)施，效率低，能耗大。液動或氣動沖擊器需要配備專門的設(shè)備，如較大功率泥漿泵或空氣壓縮機。有時過大的泥漿流量會帶來孔壁失穩(wěn)等負面效果；液動沖擊器對鉆井液的含砂量等也有嚴格要求。由于液體和氣體滲漏等多方面原因，液動和氣動傳動效率要比機械傳動低得多，這是一個難以改變的事實。
[0005]3)無法滿足某些特殊情況鉆進工況。受鉆井液重力等因素的影響，液動或風動沖擊器在水平鉆進、定向鉆進中的應(yīng)用有一定的限制。同時由于對鉆井液的依賴，其不能應(yīng)用于無鉆井液等循環(huán)介質(zhì)的特種鉆進場合。
[0006]4)液動沖擊器在深部鉆進還存在很多技術(shù)問題。風動沖擊器不適合深孔鉆進，液動沖擊器可鉆進3000米以深的鉆孔。但進行深孔、超深孔作業(yè)時，液動沖擊器所需攜帶能量的流體介質(zhì)通過較長的鉆桿柱時會產(chǎn)生比較大的壓力損失(泄露)，這種現(xiàn)象在超深孔鉆進過程中尤其明顯。此外在垂直孔鉆進過程中上返流體的背壓也會對液動沖擊器工作性能造成影響，嚴重時可導(dǎo)致沖擊器不工作。此外還存在如內(nèi)缸測通道泄露、射流元件工作壽命短等問題，因為射流元件平均壽命為60-100h，嚴重影響鉆探效率。
[0007]相對于傳統(tǒng)液動沖擊器和風動沖擊器，開發(fā)直線電機電動沖擊器用于地質(zhì)、石油鉆探工程替代現(xiàn)有液動沖擊器和風動沖擊器具有很多優(yōu)點，能很好的解決以上存在問題，能適應(yīng)目前鉆探智能化和自動化、深部化發(fā)展趨勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有存在的問題，而提出了一種結(jié)構(gòu)簡單堅固，制造維護成本低，沖擊行程速度、頻率易于調(diào)節(jié)，且效率高，可用于深孔鉆探的孔底管式直線電機電動沖擊器。[0009]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:提供一種孔底管式直線電機電動沖擊器，包括電機外筒、永磁桿、直線球軸承、動子外圈、動子硅鋼片、動子線圈、減震彈簧、緩沖墊片和底座，所述的電機外筒為整個電動沖擊器的外殼，電機外筒用于與鉆具的連接；所述的永磁桿固定在電機外筒上，永磁桿作為直線電機定子；所述的動子外圈為直線電機的動子，動子外圈通過直線球軸承與作為定子的永磁桿做相對滑動運動；同時動子外圈作為電機動圈的承載體，動子外圈內(nèi)部鑲嵌有由動子硅鋼片組成的鐵芯，鐵芯設(shè)有槽，槽里固定有動子線圈；所述的動子線圈采用三相交流繞組，用于接入三相對稱交流電，產(chǎn)生與動子運動方向一致的行波磁場；所述的減震彈簧有兩個，分別安裝在永磁桿兩端，其中減震彈簧A通過電機外筒的臺階和動子外圈上端部軸向限位，減震彈簧B的一端通過動子外圈上的止推臺階限位，兩個減震彈簧用于對動子運動起緩沖減震作用；所述的底座通過緩沖墊片由螺釘固定在動子外圈上。
[0010]所述的永磁桿的永磁體外層包裹有一不銹鋼層，永磁體中心有一用于排屑的排屑通道。
[0011]所述的直線電機采用動圈式結(jié)構(gòu)，即作為定子的永磁桿和鐵芯固定，動子線圈運動。這樣孔底管式直線電機電動沖擊器在工作時可防止永磁桿和鐵芯在撞擊中失磁。
[0012]所述的動子線圈采用單層餅式繞組，槽滿率為72.7%。
[0013]所述的緩沖墊片采用兩層聚四氟乙烯中間夾鋁片的三明治結(jié)構(gòu)。本發(fā)明在動子外圈與底座之間設(shè)計了兩層聚四氟乙烯中間夾鋁片的三明治結(jié)構(gòu)，能較好地解決了孔底管式直線電機電動沖擊器在鉆進的過程中，電動沖擊器動子直接作用于沖砧，通過傳遞沖擊應(yīng)力到鉆頭達到破碎巖石的效果。沖擊的過程中，沖擊器會受到復(fù)雜應(yīng)力作用。緩沖墊片保證了沖擊器長時間正常工作，及盡可能減小沖擊器動子部分應(yīng)力，提高了孔底管式直線電機電動沖擊器的抗疲勞壽命。能顯著衰減其在質(zhì)心加速度曲線上的應(yīng)力波，降低二者的合力尖峰，并減少往復(fù)振動沖擊的破壞，大大提高沖擊器關(guān)鍵部位疲勞壽命。
[0014]本發(fā)明的一種孔底管式直線電機電動沖擊器的有益效果是:
[0015]1、本發(fā)明的沖擊器采用類似電磁炮彈彈射原理，借助電磁力(或洛倫茲力)做功，將電磁能轉(zhuǎn)化成動能，完成對沖錘的加速。
[0016]2、本發(fā)明的沖擊器的線圈采用電磁發(fā)射式結(jié)構(gòu)，使其具有電磁力大，發(fā)射速度快的特點，圓筒型直線電機適合鉆桿內(nèi)孔空間，動子和定子長度不受空間限制，沖擊器功率能夠靈活設(shè)計。
[0017]3、本發(fā)明的沖擊器的線圈采用三相交流繞組，通入三相對稱交流電，產(chǎn)生與動子運動方向一致的行波磁場。由于磁場氣隙一般恒定在0.5?Imm,產(chǎn)生的電磁力恒定并且一直維持為峰值。通過改變通電頻率和切換正反向頻率可以非常方便控制動子運動速度。
[0018]4、本發(fā)明在動子外圈與底座之間設(shè)計了兩層聚四氟乙烯中間夾鋁片的三明治結(jié)構(gòu)，能顯著衰減其在質(zhì)心加速度曲線上的應(yīng)力波，降低動子外圈與底座二者的合力尖峰，并減少往復(fù)振動沖擊的破壞，大大提聞沖擊器關(guān)鍵部位疲勞壽命。
[0019]5、本發(fā)明的電動沖擊器沖擊速度、頻率、行程均易于調(diào)節(jié)、直接利用電能機械效率高，結(jié)構(gòu)簡單堅固，結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計靈活，制造維護成本低，可用于鉆孔內(nèi)使用，能有效解決普通電動沖擊機構(gòu)力量小的缺點?？梢詮V泛運用于地礦、冶金、石油等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)地下的地質(zhì)勘探及資源開采，具有廣泛的應(yīng)用前景和實用價值。【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明孔底管式直線電機電動沖擊器的外觀結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2為本發(fā)明電動沖擊器的前端結(jié)構(gòu)放大示意圖。
[0022]圖3為本發(fā)明電動沖擊器后端局部結(jié)構(gòu)放大示意圖。
[0023]圖4為本發(fā)明的電動沖擊器采用動圈式結(jié)構(gòu)的原理示意圖。
[0024]圖5本發(fā)明電動沖擊器的槽與齒結(jié)構(gòu)放大示意圖。圖中最底部的虛線為定子的中心線。
[0025]上述圖中:1一電機外筒；2—減震彈簧A ；3一永磁桿；4一直線球軸承；5—動子外圈；6—動子娃鋼片；7—動子線圈；8—減震彈簧B ；9一止推臺階；10—緩沖墊片；11 一螺釘；12—底座；13—排屑通道；21—槽；22—齒；23—齒腳；24—槽口。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳述。
[0027]實施例1:本發(fā)明提供的一種孔底管式直線電機電動沖擊器，其結(jié)構(gòu)如圖1、2、3所示，包括電機外筒1、永磁桿3、直線球軸承4、動子外圈5、動子硅鋼片6、動子線圈7、減震彈簧、緩沖墊片11和底座12,所述的電機外筒I為整個電動沖擊器的外殼，電機外筒I用于與鉆具的連接，所述直線電機的永磁桿3固定在電機外筒I上,永磁桿3作為直線電機的定子，永磁桿3為一根永磁體,在永磁體外圈包裹有不銹鋼層,永磁桿3中心有一用于排屑的排屑通道13，所述的排屑通道13貫穿整個電動沖擊器；所述的動子外圈5為直線電機的動子，動子外圈5通過直線球軸承4與作為定子的永磁桿3做相對滑動運動；同時動子外圈5作為電機動圈的承載體，動子外圈5內(nèi)部鑲嵌有由動子硅鋼片6組成的鐵芯，鐵芯設(shè)有槽21，槽21里固定有動子線圈7 ;所述的動子線圈7采用三相交流繞組，用于接入三相對稱交流電，產(chǎn)生與動子運動方向一致的行波磁場；所述的減震彈簧有兩個分別安裝在永磁桿3兩端，其中減震彈簧A2通過電機外筒I的臺階和動子外圈5上端部軸向限位，減震彈簧B8的一端通過動子外圈5上的止推臺階9限位，兩個減震彈簧均用于對動子運動起緩沖減震作用；所述的底座12通過緩沖墊片10由螺釘11固定在動子外圈5上。
[0028]參見圖3，所述的緩沖墊片10采用兩層聚四氟乙烯中間夾鋁片的三明治結(jié)構(gòu)。根據(jù)應(yīng)力波反射機理，采用機械濾波的設(shè)計，即采用三層墊片結(jié)構(gòu)的方式提高零部件抗沖擊能力。當沖擊應(yīng)力波在通過結(jié)構(gòu)件與緩沖墊片10的分界面時，部分被反射而衰減，緩沖墊片10提高被保護件抗沖擊能力的主要原因不是彈性緩沖，而是機械濾波。本實施例通過在沖擊器底部增加一個5mm聚四氟乙烯+5mm鋁片+5mm聚四氟乙烯的典型三明治緩沖結(jié)構(gòu)后，采用Ansys仿真得到采用緩沖墊片10后沖擊器局部應(yīng)力分布云圖和局部應(yīng)變分布圖，從分布云圖可以表明沖擊器最大應(yīng)力由原來的642.37MPa降為523.78MPa，而且最大應(yīng)力處不是在電機的動子線圈和動子硅鋼片的關(guān)鍵部分。最大應(yīng)力和應(yīng)變都出現(xiàn)在緩沖墊片10的部件中，直線電機沖擊的動子線圈7和動子硅鋼片6部分平均應(yīng)力下降231MPa，這樣最大限度的保護了直線電機沖擊器的電樞關(guān)鍵部分。采用緩沖墊片10后關(guān)鍵部分壽命由原來的40.34X 104h變?yōu)?33.56X 104h，改進效果非常顯著。
[0029]參見圖4，本發(fā)明所述的直線電機采用動圈式結(jié)構(gòu)，即作為定子的永磁桿3和鐵芯固定，動子線圈5運動。這樣孔底管式直線電機電動沖擊器在工作時可防止永磁桿和鐵芯在撞擊中失磁。
[0030]實施例2:本發(fā)明提供的一種孔底管式直線電機電動沖擊器,其結(jié)構(gòu)基本與實施例I相同。本發(fā)明采用的圓筒型直線電機適合鉆桿內(nèi)孔空間，動子和定子長度不受空間限制，沖擊器功率能夠靈活設(shè)計，使其具有大電磁力的特點。
[0031]本發(fā)明的管式直線電機電動沖擊器主要尺寸和電磁參數(shù)見下表:表中部分符號參見圖5。
[0032]
【權(quán)利要求】
1.一種孔底管式直線電機電動沖擊器，包括電機外筒、永磁桿、直線球軸承、動子外圈、動子硅鋼片、動子線圈、減震彈簧、緩沖墊片和底座，其特征在于:所述的電機外筒為整個電動沖擊器的外殼，電機外筒用于與鉆具的連接；所述的永磁桿固定在電機外筒上，永磁桿作為直線電機的定子；所述的動子外圈為直線電機的動子，動子外圈通過直線球軸承與作為定子的永磁桿做相對滑動運動；同時動子外圈作為電機動圈的承載體，動子外圈內(nèi)部鑲嵌有由動子硅鋼片組成的鐵芯，鐵芯設(shè)有槽，槽里固定有動子線圈；所述的動子線圈采用三相交流繞組，用于接入三相對稱交流電，產(chǎn)生與動子運動方向一致的行波磁場；所述的減震彈簧有兩個，分別安裝在永磁桿兩端，其中減震彈簧A通過電機外筒的臺階和動子外圈上端部軸向限位，減震彈簧B的一端通過動子外圈上的止推臺階限位，兩個減震彈簧用于對動子運動起緩沖減震作用；所述的底座通過緩沖墊片由螺釘固定在動子外圈上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的孔底管式直線電機電動沖擊器，其特征在于:所述的永磁桿的永磁體外層包裹有一不銹鋼層，永磁體中心有一用于排屑的排屑通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的孔底管式直線電機電動沖擊器，其特征在于:所述的直線電機采用動圈式結(jié)構(gòu)，即作為定子的永磁桿和鐵芯固定，動子線圈運動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的孔底管式直線電機電動沖擊器，其特征在于:所述的動子線圈采用單層餅式繞組，槽滿率為72.7%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的孔底管式直線電機電動沖擊器，其特征在于:所述的緩沖墊片采用兩層聚四氟乙烯中間夾鋁片的三明治結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】E21B1/22GK104022616SQ201410282793
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】吳濤, 姚愛國, 李勇波, 何王勇, 楊代華 申請人:中國地質(zhì)大學（武漢）