本發(fā)明屬于旋挖鉆機(jī)鉆桿技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種旋挖鉆機(jī)鉆桿載荷測(cè)試方法。

背景技術(shù)：

旋挖鉆機(jī)鉆桿是由鉆桿體、內(nèi)鍵、外鍵、擋頭、方頭、緩沖彈簧、拖盤、鉆桿軸銷等組成，由動(dòng)力頭和加壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，其功用是向鉆具傳遞扭矩和壓力。由鉆桿的功能可知其重要性，鉆桿載荷主要為扭矩和壓力。國(guó)內(nèi)廠家十分關(guān)注不同地質(zhì)條件下的鉆桿載荷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)鉆桿結(jié)構(gòu)，便于后續(xù)鉆桿載荷的測(cè)試，作為一項(xiàng)基礎(chǔ)性輸入，載荷譜的不準(zhǔn)確給后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及性能檢測(cè)帶來偏差及失效。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提供一種旋挖鉆機(jī)鉆桿載荷測(cè)試方法，通過測(cè)試出鉆桿所受的扭矩和壓力，實(shí)現(xiàn)旋挖鉆機(jī)鉆桿載荷譜的測(cè)試。

本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種旋挖鉆機(jī)鉆桿載荷測(cè)試方法，包括以下步驟：

步驟一、設(shè)計(jì)旋挖鉆機(jī)鉆桿的結(jié)構(gòu)，在緩沖彈簧的下端、方頭部位的上端部位設(shè)計(jì)圓柱體，用于應(yīng)變片的布置；

步驟二、在圓柱體上布置應(yīng)變片，在靠近緩沖彈簧的圓柱體前側(cè)、沿與軸線呈±45°方向分別粘貼兩個(gè)電阻應(yīng)變片；在靠近緩沖彈簧的圓柱體后側(cè)、沿與軸線呈±45°方向分別粘貼兩個(gè)電阻應(yīng)變片；在靠近方體的圓柱體前側(cè)、沿軸線方向粘貼一個(gè)應(yīng)變片；在靠近方體的圓柱體前側(cè)、沿垂直軸線方向粘貼一個(gè)應(yīng)變片；在靠近方體的圓柱體后側(cè)、沿軸線方向粘貼一個(gè)應(yīng)變片；在靠近方體的圓柱體后側(cè)、沿垂直軸線方向粘貼一個(gè)應(yīng)變片；

步驟三、按照一定的順序接入惠斯通電橋組成兩個(gè)測(cè)試組合應(yīng)變，利用加載設(shè)備和載荷傳感器分別進(jìn)行旋挖鉆機(jī)鉆桿所受扭矩和壓力標(biāo)定試驗(yàn)，直至達(dá)到最大載荷后卸載，將應(yīng)變和載荷輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)換算得到對(duì)應(yīng)扭矩和壓力下的載荷和應(yīng)變關(guān)系。

進(jìn)一步地，步驟三中利用應(yīng)變記錄儀記錄下不同時(shí)刻的應(yīng)變，利用壓力傳感器的讀數(shù)和力臂的乘積獲知實(shí)時(shí)扭矩值，利用壓力傳感器獲知實(shí)時(shí)壓力值。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明選用旋挖鉆機(jī)鉆桿為研究對(duì)象，通過設(shè)計(jì)鉆桿圓柱體結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)貼片位置和惠斯通電橋采用特定的橋臂接法，利用加載設(shè)備和壓力傳感器分別進(jìn)行鉆桿所受扭矩和壓力標(biāo)定試驗(yàn)，記錄下不同時(shí)刻的載荷和應(yīng)變，直至達(dá)到最大載荷后卸載，將應(yīng)變和載荷輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)換算得到對(duì)應(yīng)扭矩和壓力下的載荷和應(yīng)變關(guān)系，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)扭矩和載荷的準(zhǔn)確測(cè)試。本發(fā)明為準(zhǔn)確測(cè)試旋挖鉆機(jī)鉆桿載荷：扭矩和壓力，提供了一套通用、易操作的測(cè)試方法。

附圖說明

圖1是旋挖鉆機(jī)鉆桿整體結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明改造后鉆桿方頭結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明電阻應(yīng)變片安裝參考位置圖；

圖4是圖3的左視圖；

圖5是本發(fā)明標(biāo)定試驗(yàn)標(biāo)定載荷和測(cè)試載荷位置圖；

圖中，1、鉆桿體，2、外鍵，3、緩沖彈簧，4、方頭，5、鉆桿銷軸，6、圓柱體。

具體實(shí)施方式

下面根據(jù)附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

一種旋挖鉆機(jī)鉆桿載荷測(cè)試方法，包括以下步驟：如圖1和圖2所示，旋挖鉆機(jī)鉆桿是由鉆桿體1、內(nèi)鍵、外鍵2、擋頭、方頭4、緩沖彈簧3、鉆桿銷軸5等組成，其中方頭4位于里節(jié)桿下端，用于傳遞扭矩及加壓力。為實(shí)現(xiàn)載荷的測(cè)試需要對(duì)鉆桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：如圖2所示，在緩沖彈簧3的下端、方頭4的上端設(shè)計(jì)圓柱體6，圓柱體6的長(zhǎng)度要滿足應(yīng)變片布置所需的長(zhǎng)度，同時(shí)結(jié)構(gòu)尺寸要便于布片并提高其對(duì)載荷響應(yīng)的敏感性。

如圖3和圖4所示，在靠近緩沖彈簧3的圓柱體6前側(cè)、沿與軸線呈±45°方向分別粘貼電阻應(yīng)變片11和電阻應(yīng)變片12。在靠近方體4的圓柱體6前側(cè)、沿軸線方向粘貼一個(gè)應(yīng)變片21。在靠近方體4的圓柱體6前側(cè)、沿垂直軸線方向粘貼應(yīng)變片22。在靠近緩沖彈簧3的圓柱體6后側(cè)、沿與軸線呈±45°方向分別粘貼電阻應(yīng)變片13和電阻應(yīng)變片14。在靠近方體4的圓柱體5后側(cè)、沿軸線方向粘貼一個(gè)應(yīng)變片23。在靠近方體4的圓柱體5后側(cè)、沿垂直軸線方向粘貼應(yīng)變片24。電阻應(yīng)變片11與電阻應(yīng)變片14、電阻應(yīng)變片12與電阻應(yīng)變片13、電阻應(yīng)變片21與電阻應(yīng)變片23、電阻應(yīng)變片22與電阻應(yīng)變片24為前后對(duì)稱布片。

試驗(yàn)時(shí)將電阻應(yīng)變片11、電阻應(yīng)變片12、電阻應(yīng)變片13、電阻應(yīng)變片14；電阻應(yīng)變片21、電阻應(yīng)變片22、電阻應(yīng)變片23和電阻應(yīng)變片24分別按1、2、3、4順序接入惠斯通電橋四個(gè)橋臂，那么兩個(gè)組合應(yīng)變s1、s2的輸出值為：

s1＝ε11-ε12+ε13-ε14(1)

s2＝ε21-ε22+ε23-ε24(2)

當(dāng)鉆桿只受到扭矩時(shí)，根據(jù)梁的變形和貼片的特點(diǎn)，可以得出：

s1＝4ε11s2＝2ε22(3)

當(dāng)鉆桿只受到壓力時(shí)，根據(jù)梁的變形和貼片的貼點(diǎn)，可以得出：

s1＝0s2＝2(1+μ)ε21(4)

其中，μ是構(gòu)件的泊松比。

由公式(1)、(2)、(3)、(4)，可知當(dāng)鉆桿受扭矩t和壓力f共同作用時(shí)，可以得出：

s1＝k1t(5)

s2＝k2t+k3f(6)

其中，k1、k2、k3為常數(shù)，也就是通過扭矩和壓力分別對(duì)鉆桿進(jìn)行單向加載時(shí)，得到的標(biāo)定系數(shù)。

由公式(5)、(6)可以得出：

進(jìn)而可以得到：

t＝a1s1(9)

f＝a2s1+a3s2(10)

其中，a1、a2、a3為最終的計(jì)算系數(shù)。

由公式(7)、(8)、(9)、(10)可得：

在載荷單向標(biāo)定試驗(yàn)中，測(cè)試壓力與標(biāo)定壓力大小相同，但位置不同；測(cè)試扭矩的實(shí)施需要扭矩標(biāo)定力和力臂來實(shí)現(xiàn)，其中扭矩標(biāo)定力的方向要與鉆桿軸線垂直，如圖5所示。設(shè)扭矩標(biāo)定力為f1(力的方向垂直鉆桿軸線)，力臂長(zhǎng)度為l1，測(cè)試扭矩為標(biāo)定壓力為f2，測(cè)試壓力為那么：

只要在載荷單向標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)，記錄s1、s2、f1、l1、f2，可得到標(biāo)定系數(shù)k1、k2、k3，進(jìn)而計(jì)算出系數(shù)a1、a2、a3。

試驗(yàn)時(shí)，利用加載設(shè)備和壓力傳感器對(duì)鉆桿施加扭矩標(biāo)定力載荷，載荷方向和位置如圖5所示，記錄下不同時(shí)刻的標(biāo)定力載荷和載荷距離鉆桿軸線的距離，同時(shí)用應(yīng)變儀記錄下不同時(shí)刻的應(yīng)變，將采集的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，直至標(biāo)定力載荷和載荷距離鉆桿軸線的距離乘積達(dá)到最大扭矩后卸載。通過應(yīng)變和載荷數(shù)據(jù)，得到標(biāo)定系數(shù)k1，k2(單位為με/knm)；利用加載設(shè)備和壓力傳感器對(duì)鉆桿施加壓力標(biāo)定載荷，載荷方向(要與鉆桿軸線垂直)和位置如圖5所示，記錄下不同時(shí)刻的載荷，用應(yīng)變儀記錄下不同時(shí)刻的應(yīng)變，將采集的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，直至達(dá)到最大載荷后卸載。通過應(yīng)變和載荷數(shù)據(jù)，得到標(biāo)定系數(shù)k3(單位為με/kn)；利用公式(11)計(jì)算出載荷應(yīng)變最終計(jì)算系數(shù)a1(單位為knm/με)、a2、a3(單位為kn/με)；在試驗(yàn)時(shí)記錄應(yīng)變值s1、s2得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到鉆桿所受扭矩和壓力數(shù)據(jù)。

技術(shù)特征：

1.一種旋挖鉆機(jī)鉆桿載荷測(cè)試方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、設(shè)計(jì)旋挖鉆機(jī)鉆桿的結(jié)構(gòu)，在緩沖彈簧的下端、方頭部位的上端部位設(shè)計(jì)圓柱體，用于應(yīng)變片的布置；

步驟二、在圓柱體上布置應(yīng)變片，在靠近緩沖彈簧的圓柱體前側(cè)、沿與軸線呈+450方向分別粘貼兩個(gè)電阻應(yīng)變片；在靠近緩沖彈簧的圓柱體后側(cè)、沿與軸線呈+450方向分別粘貼兩個(gè)電阻應(yīng)變片；在靠近方體的圓柱體前側(cè)、沿軸線方向粘貼一個(gè)應(yīng)變片；在靠近方體的圓柱體前側(cè)、沿垂直軸線方向粘貼一個(gè)應(yīng)變片；在靠近方體的圓柱體后側(cè)、沿軸線方向粘貼一個(gè)應(yīng)變片；在靠近方體的圓柱體后側(cè)、沿垂直軸線方向粘貼一個(gè)應(yīng)變片；

步驟三、按照一定的順序接入惠斯通電橋組成兩個(gè)測(cè)試組合應(yīng)變，利用加載設(shè)備和載荷傳感器分別進(jìn)行旋挖鉆機(jī)鉆桿所受扭矩和壓力標(biāo)定試驗(yàn)，直至達(dá)到最大載荷后卸載，將應(yīng)變和載荷輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)換算得到對(duì)應(yīng)扭矩和壓力下的載荷和應(yīng)變關(guān)系。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋挖鉆機(jī)鉆桿載荷測(cè)試方法，其特征在于，步驟三中利用應(yīng)變記錄儀記錄下不同時(shí)刻的應(yīng)變，利用壓力傳感器的讀數(shù)和力臂的乘積獲知實(shí)時(shí)扭矩值，利用壓力傳感器獲知實(shí)時(shí)壓力值。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明屬于旋挖鉆機(jī)鉆桿技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種旋挖鉆機(jī)鉆桿載荷測(cè)試方法，改造旋挖鉆機(jī)鉆桿結(jié)構(gòu)并在改造區(qū)域粘貼電阻應(yīng)變片，按照一定的順序接入惠斯通電橋組成兩個(gè)測(cè)試組合應(yīng)變；利用加載設(shè)備和載荷傳感器分別對(duì)鉆桿施加扭矩和壓力，進(jìn)行單向載荷標(biāo)定試驗(yàn)。本發(fā)明為測(cè)試旋挖鉆機(jī)鉆桿載荷譜提供了一套易操作的測(cè)試方法。

技術(shù)研發(fā)人員：張繼光;王海金;孫余;魏亞坤

受保護(hù)的技術(shù)使用者：徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2021.05.14

技術(shù)公布日：2021.08.06