一种导轨式凿岩机钻杆轴向力和扭矩载荷测试方法

1.本发明涉及载荷测试技术领域，涉及一种导轨式凿岩机钻杆轴向力和扭矩载荷测试方法。


背景技术：

2.进行隧道建设需要考虑众多因素，而地质因素往往是最重要的影响因素。在风化的作用下，岩层从地表向下形成不同风化壳，上层为残积土，向下依次为全风化层、强风化层、弱风化层与未风化的新鲜岩体，这些风化层的厚度与岩体特性存在较大差异。现阶段对于岩层信息快速识别技术存在不足，隧道建设过程中大量钻探数据未得到合理利用。因此，提出了一种数字钻探方法，建立围岩信息与随钻参数之间的桥梁，实现隧道围岩信息的快速获取。
3.其关键技术难点在于凿岩过程中凿岩机的扭矩、顶进压力、钻进速度、转速等较为直观的数字信息获取，无线传输传感器已能够实现钻进过程中的实时监测。但由于传感器应变片安装精度、构件变截面的影响，传感器所得到的结果需进行参数标定。为准确获取扭矩与顶进压力，开发工装完成钻杆轴向力和扭矩载荷测试，建立传感器数据与反馈值之间的标定方程与解耦方程，以得到更精确的反馈真实信息。


技术实现要素：

4.本发明公开了一种导轨式凿岩机钻杆轴向力和扭矩载荷测试方法，分别以万能试验机和标准质量的配重块为试验输入载荷真值，以传感器测得的稳定值为试验输出载荷，建立输入真值和传感器输出值的标定方程，获得各项标定系数，进一步完成对现场钻进过程中的实时监测数据的解耦修正，最终得到精确的凿岩机的轴向力、扭矩等真实载荷信息。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种导轨式凿岩机钻杆轴向力和扭矩载荷测试方法，通过设计测试方案，完成钻杆轴向力和扭矩载荷两种测试，建立其具体测试步骤如下：
7.步骤一，在导轨式凿岩机钻杆外表面布置轴向力应变片和扭矩应变片，设计测试电路，完成电路搭接，导轨式凿岩机钻杆钎杆、若干测试应变片、无线传输传感器、控制测试平台组成的数据采集系统，轴向力应变片r1～r4、钻杆钎杆、轴向力无线传输传感器连接组成轴向力传感器，扭矩应变片r5
45
°
、r5
135
°
、钻杆钎杆、扭矩无线传输传感器连接组成扭矩传感器，无线传输传感器与控制测试平台通过局域网实现数据输送。建立导轨式凿岩机钻杆、测试应变片、无线传输传感器、控制测试平台的数据采集系统；
8.步骤二，分别设计轴向力加载和扭矩加载标定试验方案，完成对导轨式凿岩机钻杆的轴向力和扭矩标定试验，并通过数据采集系统完成测试数据采集，得到试验输入载荷真值和试验输出载荷；
9.步骤三，根据标定试验输入载荷真值和试验输出载荷建立标定方程，对数据进行处理，分别以万能试验机和标准质量的配重块为试验输入载荷真值，以传感器测得的稳定
值为试验输出载荷，建立输入真值和传感器输出值的标定方程，获得各项标定系数；
10.步骤四，依据标定方程获得的标定系数，将导轨式凿岩机钻进过程的轴向力传感器和扭矩传感器实时输出监测数据进行解耦，最终得到精确的凿岩机钻杆轴向力和扭矩的载荷信息。
11.进一步，所述的应变片布置方式具体如下：
12.导轨式凿岩机钻杆其外形是变截面圆柱，选择截面变化小的中间段，在0度、90度、180度、270度位置贴4个轴向力应变片，其中0度、180度沿钻杆轴线方向布置，90度、270度垂直于钻杆轴线方向布置，在钻杆钎杆轴线方向分别布置r5
45
°
扭矩应变片(5)和r5
135
°
扭矩应变片。】
13.优选地，使用全桥的接线方式完成4个轴向力应变片的电路连接，扭矩应变片采用半桥接线方式。
14.进一步，轴向力应变片ri～r4、钻杆钎杆、轴向力无线传输传感器连接组成轴向力传感器，扭矩应变片r5
45
°
、r5
135
°
、钻杆钎杆、扭矩无线传输传感器连接组成扭矩传感器。
15.优选的，无线传输传感器与控制测试平台通过局域网实现数据输送，建立导轨式凿岩机钻杆、测试应变片、无线传输传感器、控制测试平台的数据采集系统。
16.进一步，轴向力标定试验方案采用万能试验机完成轴向力压缩，钻杆钎杆竖直放置在水平放置板，上侧为万能试验机加载装置，保证钻杆钎杆竖直承受轴向力。
17.进一步，以万能试验机输入轴向力载荷f
x
为标定试验真值载荷，此时轴向力传感器和扭矩传感器分别测得的稳定值为试验输出轴向力载荷和输出扭矩载荷其标定方程如公式(1)所示。
[0018][0019]k′
1-轴向力输入真值f
x
与扭矩传感器输出值的标定系数
[0020]k′
2-轴向力输入真值f
x
与轴向力传感器输出值的标定系数
[0021]
x-为钻杆钎杆(7)轴向力方向
[0022]
以扭矩传感器所测得扭矩为横坐标，轴向力f
x
为纵坐标，利用最小二乘法拟合，得到轴向力标定系数k
′1。
[0023]
以轴向力传感器所测得轴向力为横坐标，轴向力f
x
为纵坐标，利用最小二乘法拟合，得到轴向力标定系数k
′1。
[0024]
进一步，扭矩标定试验设计试验工装，并利用配重块(9)的重力载荷值乘以力臂l得到施加外部扭矩载荷完成扭矩标定。扭矩标定试验工装结构如下：
[0025]
导轨式凿岩机钻杆一端利用钻杆固有结构和实验室装备以及螺栓紧固件完全固定，形成悬臂结构，钻杆钎杆悬臂端通过内螺纹与钎杆套管拧紧连接，钎杆套管另一端与槽钢腹板通过焊接连接，保证钎杆套管的轴线与槽钢的腹板平面垂直。
[0026]
优选地，通过计算，在距离钎杆套管轴线水平距离l位置的槽钢悬臂端处放置配重块，根据配重块的重力载荷值乘以力臂l得到施加的外部扭矩载荷真值。
[0027]
进一步，基于采集系统完成测试数据采集获取试验输出载荷，以试验机数据为试验输入载荷与传感器测得稳定值的平均值为试验输出载荷建立标定方程。通过数据处理，以配重块输入扭矩荷载真值m
x
为标定试验输入载荷，此时轴向力传感器和扭矩传感器分别
测得的稳定值为试验输出轴向力载荷和输出扭矩载荷其标定方程如公式(2)所示。
[0028][0029]k1-扭矩输入真值m
x
与扭矩传感器输出值的标定系数
[0030]k2-扭矩输入真值m
x
与轴向力传感器输出值的标定系数
[0031]
x-为钻杆钎杆轴向力方向
[0032]
优选的，以扭矩传感器所测得扭矩为横坐标，扭矩m
x
为纵坐标，利用最小二乘法拟合，得到轴向力标定系数k1。
[0033]
优选的，以轴向力传感器所测得轴向力为横坐标，扭矩m
x
为纵坐标，利用最小二乘法拟合，得到扭矩标定系数k2。
[0034]
进一步地，将试验室已标定完成的钻杆钎杆安装到现场导轨式凿岩机钻杆上，基于现场钻进过程中的实时监测，得到轴向力传感器和扭矩传感器的输出载荷数据分别为轴向力fs和扭矩ms，依据下式解耦方程(3)完成解耦计算，最终得到凿岩工作时的实际钻杆轴向力f和钻杆扭矩m。
[0035][0036]
通过以上步骤，可以实现导轨式凿岩机钻杆轴向力和扭矩载荷测试。
[0037]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0038]
本发明通过导轨式凿岩机钻杆钎杆、轴向力和扭矩应变片、无线传输传感器、控制测试平台建立载荷数据采集系统，可以快速、准确测得钻杆轴向力和扭矩载荷。
[0039]
进一步，通过对轴向力和扭矩标定试验输出载荷完成数据整理，得到轴向力标定试验中轴向力输入真值与轴向力输出载荷值和扭矩输出载荷值，以及扭矩标定试验中扭矩输入真值与轴向力输出载荷值和扭矩输出载荷值，基于输入载荷和输出载荷建立标定方程，得到标定系数。
[0040]
进一步地，基于实验室内标定试验获得标定系数，根据现场钻进过程中的实时监测输出载荷测试数据，将标定系数代入解耦方程完成解耦，最终可以得到精确的凿岩机钻杆轴向力和扭矩载荷信息。
[0041]
本发明测试方法适用于其他构件的轴向力和扭矩测试。
附图说明
[0042]
图1是导轨式凿岩机钻杆轴向力和扭矩载荷测试方法技术路线图图2是测试应变片布置图
[0043]
图3是本发明的测试桥路图
[0044]
图4是导轨式凿岩机钻杆轴向力载荷测试试验示意图
[0045]
图5是轴向标定试验轴向力加载曲线
[0046]
图6是导轨式凿岩机钻杆扭矩载荷测试试验工装结构图
[0047]
图7是图4的a-a截面图
[0048]
图8是现场钻进测试示意图
[0049]
其中图中标号分别指：1-轴向力应变片r1，2-轴向力应变片r2，3-轴向力应变片r3，4-轴向力应变片r4，5-扭矩应变片r545
°
，6-轴向力应变片r5135
°
，7-导轨式凿岩机钻杆，8-力臂槽钢，9-配重块，10-下夹板，11-中夹板，12-上夹板，13-螺栓连接件，14-水平放置板、15-万能试验机加载装置，16-钎杆套管，17-岩层
具体实施方案
[0050]
下面结合附图对本发明做进一步详细说明：
[0051]
如图1为导轨式凿岩机钻杆轴向力和扭矩载荷测试方法技术路线图，在钻杆外表面布置轴向力应变片1、2、3、4和扭矩应变片5、6，设计测试桥路，导轨式凿岩机钻杆钎杆7、若干测试应变片、无线传输传感器、控制测试平台组成的数据采集系统，轴向力应变片r1～r4、钻杆钎杆7、轴向力无线传输传感器连接组成轴向力传感器，扭矩应变片r5
45
°
、r5
135
°
、钻杆钎杆7、扭矩无线传输传感器连接组成扭矩传感器，无线传输传感器与控制测试平台通过局域网实现数据输送。
[0052]
水平放置板14，上侧为万能试验机加载装置15与加载工装如图4、图6分别完成对导轨式凿岩机钻杆的轴向力和扭矩标定试验，并记录试验输入载荷真值以及轴向力标定试验和扭矩标定试验的轴向力和扭矩试验输出载荷，依据试验输入载荷与试验输出载荷建立标定方程，得到方程参数，最后，依据标定方程，完成对现场实现钻进过程中的实时监测数据解耦修正，最终得到更精确的凿岩机的扭矩、顶进压力等真实载荷信息。
[0053]
导轨式凿岩机钻杆钎杆7其外形是变截面圆柱，选择截面变化较小位置贴测试应变片，如图2所示，具体布置如下所述：
[0054]
应变片通过粘接的方式布置在钻杆钎杆7圆柱外表面，在0度、90度、180度、270度位置布置4个轴向力应变片r1、r2、r3、r4，其中r1轴向力应变片1、r2轴向力应变片2分别在0度、180度沿钻杆轴线方向布置，r3轴向力应变片3、r4轴向力应变片4分别在90度、270度垂直于钻杆轴线方向布置；在钻杆钎杆(7)轴线方向分别布置r545
°
扭矩应变片(5)和r5
135
°
扭矩应变片(6)。。
[0055]
根据测试原理，实现测试桥路搭接，如图3所示，4个轴向力应变片是矩形，均有两根引线，r1轴向力应变片1、r2轴向力应变片2、r3轴向力应变片3、r4轴向力应变片4依次按顺序通过锡焊将引线搭接，后将r1轴向力应变片1、r4轴向力应变片4搭接的引线与轴向力无线传感器连接。
[0056]
将扭矩应变片5、6半桥连接，并将其中一组引线与扭矩无线传感器连接。
[0057]
无线传感器通过局域网同测试控制平台建立数据传输通道，完成数据采集系统搭建。
[0058]
轴向力标定试验具体实施方式如下：
[0059]
将钻杆钎杆7竖直放置在水平放置板14，上侧为万能试验机加载装置15，需保证钻杆钎杆7竖直承受轴向力，其加载曲线如图5。
[0060]
依次控制试验机从0n开始逐次2000n加载至12000n后逐次2000n卸载至0n，共完成三次试验，对测试结果取平均值，得到表1所示。
[0061]
扭矩测试试验具体实施方式如下：
[0062]
导轨式凿岩机钻杆一端利用钻杆钎杆7固有结构和下夹板10、中垫板11、上夹板12
以及螺栓紧固件13完全固定，如图6、图7，上夹板12与下夹板10卡住钻杆钎杆7的凸台，其中下夹板10是固定侧，中垫板11起垫压作用，完全固定，形成悬臂结构，钻杆钎杆7悬臂端通过内螺纹与钎杆套管16拧紧连接，钎杆套管16另一端与槽钢8腹板通过焊接连接，保证钎杆套管16的轴线与槽钢8的腹板平面垂直。距离钎杆套管16轴线水平距离l位置的槽钢8悬臂端处放置配重块9，根据配重块9的重力载荷值乘以力臂l得到施加的外部扭矩载荷真值。
[0063]
表1轴向力标定试验数据
[0064][0065]
通过增加配重块9的数量计算得到加载扭矩，共完成三次试验，对测试结果取平均值，得到表2所示。
[0066]
表2扭矩标定试验数据
[0067][0068]
以万能试验机输入轴向力载荷f
x
为标定试验真值载荷，此时轴向力传感器和扭矩传感器分别测得的稳定值为试验输出轴向力载荷和输出扭矩载荷其标定方程如公式(1)所示。
[0069][0070]k′
1-轴向力输入真值f
x
与扭矩传感器输出值的标定系数
[0071]k′
2-轴向力输入真值f
x
与轴向力传感器输出值的标定系数
[0072]
x-为钻杆钎杆7轴向力方向
[0073]
以扭矩传感器所测得扭矩为横坐标，轴向力f
x
为纵坐标，利用最小二乘法拟合，得到轴向力标定系数k
′1。
[0074]
以轴向力传感器所测得轴向力为横坐标，轴向力f
x
为纵坐标，利用最小二乘法拟合，得到轴向力标定系数k
′1。
[0075]
以配重块输入扭矩荷载真值m
x
为标定试验输入载荷，此时轴向力传感器和扭矩传感器分别测得的稳定值为试验输出轴向力载荷和输出扭矩载荷其标定方程如公式(2)所示。
[0076][0077]k1-扭矩输入真值m
x
与扭矩传感器输出值的标定系数
[0078]k2-扭矩输入真值m
x
与轴向力传感器输出值的标定系数
[0079]
x-为钻杆钎杆(7)轴向力方向
[0080]
以扭矩传感器所测得扭矩为横坐标，扭矩m
x
为纵坐标，利用最小二乘法拟合，得到轴向力标定系数k1。
[0081]
以轴向力传感器所测得轴向力为横坐标，扭矩m
x
为纵坐标，利用最小二乘法拟合，得到扭矩标定系数k2。
[0082]
将试验室已标定完成的钻杆钎杆7安装到现场导轨式凿岩机钻杆上，基于现场钻进过程中的实时监测，如图8所示，得到轴向力传感器和扭矩传感器的输出载荷数据分别为轴向力fs和扭矩ms，依据下式解耦方程(3)完成解耦计算，最终得到凿岩工作时的实际钻杆轴向力f和钻杆扭矩m。
[0083][0084]
通过以上步骤，可以实现导轨式凿岩机钻杆轴向力和扭矩载荷测试。
[0085]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.导轨式凿岩机钻杆轴向力和扭矩载荷测试方法，其特征在于，包括导轨式凿岩机钻杆钎杆(7)、若干测试应变片、无线传输传感器、控制测试平台组成的数据采集系统，轴向力应变片r1～r4、钻杆钎杆(7)、轴向力无线传输传感器连接组成轴向力传感器，扭矩应变片r5
45
°
、r5
135
°
、钻杆钎杆(7)、扭矩无线传输传感器连接组成扭矩传感器，无线传输传感器与控制测试平台通过局域网实现数据输送。2.根据权力要求1所述的导轨式凿岩机钻杆轴向力和扭矩载荷测试方法，其特征在于，设计轴向力加载和扭矩加载标定工装，完成导轨式凿岩机钻杆的轴向力和扭矩标定试验，并通过数据采集系统完成测试数据采集，得到试验输入载荷真值和试验输出载荷值之间的标定方程。3.根据权力要求1和权力要求2所述的导轨式凿岩机钻杆轴向力和扭矩载荷测试方法，其特征在于，在钻杆钎杆(7)b-b截面外表面，应变片通过粘接的方式在0度、90度、180度、270度位置布置4个轴向力应变片r1、r2、r3、r4，其中r1轴向力应变片(1)、r2轴向力应变片(2)分别在0度、180度沿钻杆轴线方向布置，r3轴向力应变片(3)、r4轴向力应变片(4)分别在90度、270度垂直于钻杆钎杆(7)轴线方向布置，采用全桥测量电路；在钻杆钎杆(7)轴线方向分别布置r5
45
°
扭矩应变片(5)和r5
135
°
扭矩应变片(6)。4.根据权力要求1所述的导轨式凿岩机钻杆轴向力和扭矩载荷测试方法，其特征在于，轴向力标定试验具体实施方式：钻杆钎杆(7)竖直放置在水平放置板(14)，上侧为万能试验机加载头(15)，保证钻杆钎杆(7)竖直承受轴向力。5.根据权力要求1和权力要求2所述的导轨式凿岩机钻杆轴向力和扭矩载荷测试方法，其特征在于，以万能试验机输入轴向力载荷f
x
为标定试验真值载荷，此时轴向力传感器和扭矩传感器分别测得的稳定值为试验输出轴向力载荷和输出扭矩载荷其标定方程如公式(1)所示。k
′
1-轴向力输入真值f
x
与扭矩传感器输出值的标定系数k
′
2-轴向力输入真值f
x
与轴向力传感器输出值的标定系数x-为钻杆钎杆(7)轴向力方向以扭矩传感器所测得扭矩为横坐标，轴向力f
x
为纵坐标，利用最小二乘法拟合，得到轴向力标定系数k
′1。以轴向力传感器所测得轴向力为横坐标，轴向力f
x
为纵坐标，利用最小二乘法拟合，得到轴向力标定系数k
′1。6.根据权力要求1所述的导轨式凿岩机钻杆轴向力和扭矩载荷测试方法，其特征在于，扭矩测试标定试验具体实施方式：导轨式凿岩机钻杆钎杆(7)和下夹板(10)、中垫板(11)、上夹板(12)以及螺栓紧固件(13)完全固定，上夹板(12)与下夹板(10)卡住钻杆钎杆(7)的凸台，其中下夹板(10)是固定侧，中垫板(11)起垫压作用，完全固定，形成悬臂结构，钻杆钎杆(7)悬臂端通过内螺纹与钎杆套管(16)拧紧连接，钎杆套管(16)另一端与槽钢(8)腹板通过焊接连接，保证钎杆套管(16)的轴线与槽钢(8)的腹板平面垂直。距离钎杆套管(16)轴线水平距离l位置的槽钢(8)悬臂端处放置配重块(9)，根据配重块(9)的重力载荷值乘以力臂
l得到施加的外部扭矩载荷真值。7.根据权力要求1和权力要求2所述的导轨式凿岩机钻杆轴向力和扭矩载荷测试方法，其特征在于，以配重块输入扭矩荷载真值m
x
为标定试验输入载荷，此时轴向力传感器和扭矩传感器分别测得的稳定值为试验输出轴向力载荷和输出扭矩载荷其标定方程如公式(2)所示。k
1-扭矩输入真值m
x
与扭矩传感器输出值的标定系数k
2-扭矩输入真值m
x
与轴向力传感器输出值的标定系数x-为钻杆钎杆(7)轴向力方向以扭矩传感器所测得扭矩为横坐标，扭矩m
x
为纵坐标，利用最小二乘法拟合，得到轴向力标定系数k1。以轴向力传感器所测得轴向力为横坐标，扭矩m
x
为纵坐标，利用最小二乘法拟合，得到扭矩标定系数k2。8.根据权力要求1和权力要求2所述的导轨式凿岩机钻杆轴向力和扭矩载荷测试方法，其特征在于，将试验室已标定完成的钻杆钎杆(7)安装到现场导轨式凿岩机钻杆上，基于现场钻进过程中的实时监测，得到轴向力传感器和扭矩传感器的输出载荷数据分别为轴向力f
s
和扭矩m
s
，依据下式解耦方程(3)完成解耦计算，最终测试得到凿岩工作时的实际钻杆轴向力f和钻杆扭矩m。

技术总结
本发明公开了一种导轨式凿岩机钻杆轴向力和扭矩载荷测试方法，该测试方法包括以下步骤：首先，在导轨式凿岩机钻杆外表面布置轴向应变片和扭矩应变片，设计测试电路，建立导轨式凿岩机钻杆钎杆、测试应变片、无线传输传感器、控制测试平台的数据采集系统；其次，分别通过标定试验完成对导轨式凿岩机钻杆钎杆的轴向力和扭矩标定试验，得到测试数据，以万能试验机和标准配重块为试验输入载荷与传感器测得稳定值为试验输出载荷，通过最小二乘法拟合建立标定方程，建立输入真值和传感器测试值的标定方程；最后，建立解耦方程，完成钻进过程的轴向力传感器和扭矩传感器实时输出监测数据解耦修正，最终得到精确的凿岩机钻杆轴向力和扭矩载荷信息。扭矩载荷信息。扭矩载荷信息。


技术研发人员：王斌华 来弘鹏 程效岗 周阳
受保护的技术使用者：长安大学
技术研发日：2022.12.06
技术公布日：2023/7/11