[发明专利]一种评价冲击荷载作用下钻头牙齿破岩效率的装置及方法

权利要求书

1.一种评价冲击荷载作用下钻头牙齿破岩效率的装置，其特征在于：包括破岩系统、三轴加载系统、数据采集与处理系统；

所述破岩系统由霍普金森压杆装置、钻头、套筒组成；霍普金森压杆装置主要包括发射管、撞击杆、激光测速仪、入射杆、透射杆和吸收杆；钻头通过套筒连接在霍普金森压杆装置的入射杆端部；撞击杆受高压气体推动，从发射管中以一定速度射出并撞击入射杆，从而推动钻头切削岩样。

2.根据权利要求1所述的一种评价冲击荷载作用下钻头牙齿破岩效率的装置，其特征在于：所述三轴加载系统由轴压气缸、围压气缸、挡板、螺杆、连组成；围压气缸和轴压气缸为空心圆筒，气缸两端通过挡板封堵，在挡板的中心设置有供入射杆或透射杆穿过的圆孔，挡板的四周还设置有小圆孔，螺杆通过穿过四周的小圆孔用螺栓将气缸和两侧的挡板连接为一整体结构；两个气缸的挡板之间还通过螺连接了两根连杆，以约束两个气缸的相对运动。

3.根据权利要求1所述的一种评价冲击荷载作用下钻头牙齿破岩效率的装置，其特征在于：围压气缸右侧挡板的中心大圆孔下部和上部分别设有进油口和排气口，排气口外侧配有排气口密封塞用于在气缸内部空气排尽后对其进行密封，围压气缸和轴压气缸通过油管连接在相同的机油压力装置，保证轴压和围压的稳定；进油口用于将液压油泵入气缸对包裹在防渗透橡胶套中的岩样施加环向静态围压和轴压，静态围压和轴压压力大小通过安装在围压气缸右侧挡板上部的围压油表进行显示。

4.根据权利要求1所述的一种评价冲击荷载作用下钻头牙齿破岩效率的装置，其特征在于：所述数据采集与处理系统由高速摄像机、应变传感器、与应变传感器相连的动态应变仪、与动态应变仪相连的数据采集器、以及与数据采集器相连的计算机构成；所述应变传感器粘贴在入射杆和透射杆的中部，测得的信号经电桥转换，经动态应变仪后传入数据采集器，最后输入计算机进行分析处。

5.一种评价冲击荷载作用下钻头牙齿破岩效率的试验方法，所述动态破岩效率评价方法的步骤为：

(1)选取直径与入射杆和透射杆直径相等的圆柱体岩样，将岩样插入围压气缸内部，并调整入射杆和透射杆，夹紧岩样；

(2)打开排气口和进油口，机油压力装置开始加压使液压油进入气缸，油量逐渐增多，缓慢将缸体内气体排出，继续进油加压，直至达到实验所需的围压，关闭进油口，使试件处于所需的围压和轴压状态；

(3)设置一个固定的气压，通过高压气体推动撞击杆，从发射管中以一定的速度射出，速度由激光测速仪测出，撞击杆撞击入射杆，从而推动钻头切削试样；

(4)通过粘贴在入射杆和透射杆上的应变传感器测试得到入射、反射和透射应变信号；

(5)步骤(4)中测得的信号经电桥转换，经动态应变仪后传入数据采集器；

(6)传入数据采集器的信号输入计算机进行分析处理；

(7)计算出冲击作用下钻头压入对破岩效率影响的破碎耗能密度公式：

其中:A、E、C分别为压杆的横截面积，mm；弹性模量，GPa；和纵波波速，m/s；A_S和V分别为岩样的横截面积，mm；岩样的体积，mm³；ε_I、ε_R、ε_T分别为入射应变、反射应变和透射应变；

(8)所述数据采集与处理系统将获得的实时数据带入编程好的动态破碎耗能密度公式,钻头切屑单位体积岩石所消耗的能量反映了钻头的破岩效率；因此,破碎耗能密度越大表明破岩效率越低、钻头与地层的适应性越差、钻头参数越有待优化.从而为机械破岩提供了一种动态钻进效率评价方法；

(9)通过高速摄像机捕捉岩样的整个变形和破坏过程，并收集冲击破碎后的碎块；

(10)打开进油口，通过机油压力装置将液压油回收；

(11)更换另一种类型的钻头，重复步骤(1)-(11)；

(12)比较不同类型钻头岩样的破碎耗能密度以及破碎程度。