[发明专利]一种钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置

权利要求书

1.一种钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，其特征在于，包括：框架组件、顶部驱动组件、微型钻杆、微型钻头、模拟岩层组件、光学编码盘、超声位移传感器、光电传感器、扭力传感器、压力传感器和数据采集系统；

所述顶部驱动组件设置于所述框架组件的顶部，用于驱动微型钻杆上下运动和旋转运动；

所述微型钻杆一端与顶部驱动组件连接，另一端设有微型钻头，带动微型钻头切削所述模拟岩层组件；

所述光学编码盘设置在微型钻杆的中下部，可随微型钻杆上下运动和旋转运动；

所述超声位移传感器设置在光学编码盘上方，用于测量光学编码盘的轴向位移；

所述光电传感器设置在光学编码盘的侧面且与光学编码盘同步上下运动，用于发射红外激光信号进而测量微型钻杆的扭转速度；

所述扭力传感器设置在模拟岩层组件下方，扭力传感器的承载端与模拟岩层组件配合，测量微型钻头的切削扭力；

所述压力传感器的承载端的上部连接扭力传感器，测量微型钻头的切削压力；

所述数据采集系统用于采集超声位移传感器、光电传感器、扭力传感器、压力传感器所检测的数据。

2.如权利要求1所述的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，其特征在于，所述顶部驱动组件包括：步进电机、电机支架、伺服电机、电机固定板、电机后板、中间固定板、前置固定板、两根光杆、丝杠、滑块、第一联轴器、轴承、第二联轴器；

所述电机固定板、电机后板、中间固定板与前置固定板通过螺栓连接构成框架支撑结构，步进电机设置在电机固定板上；所述丝杠一端通过第一联轴器与步进电机的输出轴连接，另一端通过轴承与前置固定板连接，两根光杆平行设置在丝杠两侧，所述滑块与丝杠旋转连接，光杆穿设于滑块两侧起导向作用；伺服电机通过电机支架安装在滑块上，可随滑块上下运动，伺服电机的输出轴通过第二联轴器与微型钻杆的一端连接，驱动微型钻杆上下运动和旋转运动。

3.如权利要求1所述的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，其特征在于，所述模拟岩层组件包括：包括圆桶型容器、模拟岩层材料和底部圆板；圆桶型容器用于盛装模拟岩层材料，底部圆板封闭在圆桶型容器的底部，所述底部圆板中间设置有方形通孔，所述扭力传感器的承载端为方形，其与方形通孔配合测量微型钻头的切削扭力。

4.如权利要求1所述的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，其特征在于，所述光学编码盘为盘型多齿结构，所述光学编码盘四周均匀分布多个反光齿，所述反光齿的齿顶涂有反光材料，所述反光齿的齿底涂有黑色油漆。

5.如权利要求4所述的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，其特征在于，所述光电传感器的探测端正对光学编码盘的轴线，所述光电传感器发射红外激光信号，当反光齿的齿顶正对光电传感器时，会将激光信号反射回光电传感器；当反光齿的齿底正对光电传感器时，会吸收激光信号，数据采集系统通过记录光电传感器的交替信号，可得到微型钻杆的扭转速度。

6.如权利要求2所述的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，其特征在于，所述滑块的侧面设有连接耳板，连接耳板下部设有连接杆，所述连接杆下部连接有传感器支架，所述光电传感器设置在传感器支架上，以确保与光学编码盘同步上下运动。

7.如权利要求1所述的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，其特征在于，所述框架组件是由两根底部侧面支架、两根底部前部支架、四根支撑架、两根中部侧面支架、两根顶部侧面支架和一根顶部前部支架，通过螺栓连接构成长方体框架结构。

8.如权利要求7所述的钻井自激振动与粘滑振动模拟实验装置，其特征在于，两根中部侧面支架之间连接有扶正横梁，所述超声位移传感器安装在扶正横梁上；超声位移传感器向光学编码盘上表面发射超声信号，超声信号接触光学编码盘上表面后反射回超声位移传感器，超声位移传感器就会将位移信息通传送给数据采集系统。