CN103335581A - 内螺纹接头中径测量仪、杆、定位样板及中径测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内螺纹接头中径测量仪，属于计量工具技术领域。该内螺纹接头中径测量仪包括支架、固定臂、转轴、活动臂、杠杆、千分表、固定臂测球和活动臂测球。本发明还公开了用于对所述内螺纹接头中径测量仪进行校准的杆，用于对所述内螺纹接头中径测量仪的固定臂测球、活动臂测球在待测内螺纹接头中进行定位的定位样板，以及应用该内螺纹接头中径测量仪、杆、定位样板对待测内螺纹接头进行中径测量的方法。该内螺纹中径测量仪、杆、定位样板配合使用，能够直接用于测量待测内螺纹接头规定截面处的作用中径值。

Description

内螺纹接头中径测量仪、杆、定位样板及中径测量方法

技术领域

本发明涉及计量工具技术领域，特别涉及一种内螺纹接头中经测量仪、标准杆、定位样板及中径测量方法。

背景技术

API SPEC7-2《旋转台肩螺纹连接的加工和测量》钻具类螺纹规范中通常采用塞规来间接测量钻具内螺纹接头中径。该方法通常是根据内螺纹接头是否匹配塞规间接地说明内螺纹接头是否符合要求。参见附图1，检测内螺纹接头01时，通过手紧将塞规02与内螺纹接头01旋紧。测量时，塞规02与内螺纹接头01旋紧后紧密距在允许的公差范围内，即塞规02大端面至内螺纹接头大端面03沿轴向不超过0+（0～+0.01）英寸。操作过程中，若紧密距04在公差范围内，检测人员推定产品符合要求，若紧密距04超出公差范围，检测人员推定产品不符合要求。对于不符合要求的螺纹接头，通常其补救措施就是再加工，通过这种再加工，并不能解决螺纹之间的匹配性问题。在现行的API规范中，除中径外，其余螺纹参数均是独立测量，并且有自己的公差范围。长期以来，内螺纹接头中径都是由塞规控制，没有公差要求和推荐方法。塞规是通过测量规定平面间轴向距离间接反映距离内螺纹接头大端面基准平面处的作用中径尺寸，其基准平面则通过轴向公差进行控制。实际上，塞规在制造过程中或多或少带入了诸如锥度、螺距、齿高等偏差，其中，螺距偏差对紧密距的影响较大；紧密距的检测值还受到检测人员的力量、环境温度、内螺纹接头等加工质量因素的影响。此外，应用塞规测量紧密距的方式无法真实、有效地反映基准平面处的作用中径尺寸。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种能够直接用于测量待测内螺纹接头规定截面处的作用中径的内螺纹接头中径测量仪，用于对该内螺纹接头中径测量仪进行校准的标准杆，用于对该内螺纹接头中径测量仪进行定位的定位样板及应用该内螺纹接头中径测量仪对内螺纹接头中径进行测量的测量方法。

本发明提供的内螺纹接头中径测量仪包括支架、固定臂、转轴、活动臂、杠杆、千分表、固定臂测球和活动臂测球；

所述固定臂固定连接于所述支架，所述杠杆通过所述转轴连接于所述固定臂，所述杠杆以所述转轴为界被分隔为第一段和第二段，所述杠杆的第一段伸出所述固定臂，所述杠杆的第二段置于由所述固定臂和所述支架提供的容置空间内并由所述容置空间伸出一小段，使得所述杠杆能够以所述转轴为支点旋转；

所述活动臂与所述支架构成移动副，使得所述活动臂只能沿所述支架的一个方向移动；

所述固定臂测球固定连接于所述杠杆的自由端，所述活动臂测球固定连接于所述活动臂的自由端，所述固定臂测球和活动臂测球的连线与所述支架的轴线平行；

所述千分表的触头与所述杠杆的第二段接触。

作为优选，所述内螺纹接头中径测量仪还包括弹性部件，所述支架内设有定位台阶，所述弹性部件连接于所述杠杆的第二段与所述定位台阶之间，自然状态下，所述弹性部件呈伸长状态，从而在所述杠杆的第二段提供向下的作用力。

作为优选，所述支架上设有凹槽，所述活动臂通过所述凹槽与所述支架相互嵌合。

作为优选，所述内螺纹接头中径测量仪还包括手柄，所述手柄连接于所述杠杆。

本发明提供的杆包括中间连杆及连接在所述中间连杆两端且平行设置的平行块；

将所述杆用于对所述内螺纹接头中径测量仪进行校准时，所述固定臂测球和活动臂测球卡置于所述平行快之间。

本发明提供的定位样板包括本体和记号笔，所述本体上设有能够与待测内螺纹接头相互配合的螺纹，所述记号笔嵌于与所述螺纹部分对应的本体处；

将所述定位样板用于对所述内螺纹接头中径测量仪的固定臂测球、活动臂测球在待测内螺纹接头中进行定位时，用所述记号笔在待测内螺纹接头的待测位置做记号。

作为优选，还包括凸缘，所述凸缘固定连接于所述本体自由端。

作为优选，所述记号笔的轴线到所述本体自由端的距离为34.925mm。

本发明提供的内螺纹接头中径测量方法包括以下步骤：

调整所述内螺纹接头中径测量仪的活动臂，使固定臂测球和活动臂测球卡置于所述杆的两个平行块之间，记录所述中间连杆长度，对所述内螺纹接头中径测量仪进行校准；

用所述定位样板在待测内螺纹接头中进行定位，并用所述记号笔在待测内螺纹接头的待测位置做记号；

将所述内螺纹接头中径测量仪的固定臂测球和活动臂测球对准所述记号，旋转所述杠杆对所述固定臂测球进行微调，使所述固定臂测球和活动臂测球与待测内螺纹接头贴合，记录所述千分表的读数；

构建数学模型，根据所述杠杆第一段的长度、杠杆第二段的长度、固定臂测球到固定臂的距离、千分表的读数计算得出固定臂测球在所述微调过程中的位移；

所述中间连杆的长度与所述固定臂测球在所述微调过程中的位移差即为待测内螺纹接头中径值。

作为优选，所述构建数学模型包括以下步骤：

设，

初始时，所述千分表触头的位置为B，固定臂测球的位置为E，转轴的位置为O，过固定臂测球做所述杠杆的垂线的垂足为A，

所述杠杆以所述转轴为轴旋转后，千分表触头与杠杆第二段接触的位置为H，固定臂测球的位置为C，过固定臂测球做所述杠杆的垂线垂足为F，以点E为圆心，EC的长为半径做圆，该圆与EA延长线交于点D，

给BH赋值为L，给OA赋值为d_A，给OB赋值为d_B，给AE赋值为d，给EC=ED赋值为x，给∠BOH=∠FOA=∠COE赋值为α，

对所述数学模型进行计算，

OA=OF=d_A，CF=AE=d， $\cos$ $\mathrm{\α}=\frac{d_B}{\sqrt{d_B^2+L^2}},$ 根据余弦定理，

$x^2={\mathrm{OE}}^2+{\mathrm{OC}}^2-2\·\mathrm{OE}\·\mathrm{OC}\·\cos \mathrm{\α}=2(d_A^2+d^2)-2(d_A^2+d^2)\·\frac{d_B}{\sqrt{d_B+L^2}},$ 得到

$x=\sqrt{\frac{2(d_A^2+d^2)\·(\sqrt{d_B^2+L^2}-d_B)}{\sqrt{d_B^2+L^2}}},$

由于DE=CE=x，即x的值为固定臂测球在微调过程中的位移。

作为优选，还包括对所述中间连杆的长度进行修正的步骤，当所述杠杆顺时针旋转时，所述中间连杆的长度修正值为

当所述杠杆逆时针旋转时，所述中间连杆的长度修正值为

其中，θ为待测内螺纹接头的理论螺旋升角，为待测内螺纹接头的理论半锥角，R₀为待测螺纹接头在基准平面处对应的理论中径值，此时，所述中间连杆的长度修正值与所述固定臂测球在微调过程中的位移差即为待测内螺纹接头中径值。

作为优选，所述基准平面为在距离内螺纹接头大端面34.925mm处。

应用本发明提供的内螺纹接头中径测量仪对待测内螺纹接头中径进行测量时，首先利用本发明提供的杆对内螺纹接头中径测量仪进行校准，然后借助本发明提供的定位样板及记号笔在待测内螺纹接头中定位，对内螺纹接头中径进行测量时，使内螺纹接头中径测量仪的固定臂测球、活动臂测球对准由记号笔定出的位置，使杠杆的第二段产生位移，该位移能够由千分表读出，根据该千分表的读数、杠杆第一段的长度、杠杆第二段的长度、固定臂测球到固定臂的距离可以计算得到固定臂测球的位移，中间连杆的长度与固定臂测球的位移差即得待测内螺纹接头被测定处的中径测量值。

附图说明

图1为现有技术中应用塞规对内螺纹接头中径进行定性测量的示意图；

图2为本发明实施例提供的内螺纹接头中径测量仪的局部剖视主视示意图；

图3为本发明实施例提供的内螺纹接头中径测量仪的右视示意图；

图4为本发明实施例提供的杆的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的定位样板的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的内螺纹接头中径测量仪在校准过程中，内螺纹接头中径测量仪与本发明实施例提供的杆的配合状态结构示意图；

图7为本发明实施例提供的定位样板在内螺纹接头中径中进行定位时定位样板与内螺纹接头相配合的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的内螺纹接头中径测量仪与内螺纹接头的配合状态示意图；

图9为应用本发明实施例提供的内螺纹接头中径测量方法时构建的数学模型示意图；

图10为应用本发明实施例提供的内螺纹接头中径测量方法时对中间连杆的长度进行修正时的结构示意图。

具体实施方式

为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

参见附图2和附图3，本发明提供的内螺纹接头中径测量仪包括支架4、固定臂6、转轴12、活动臂5、杠杆11、千分表17（本实施例中，千分表17可以为机械传动式千分表或者数字显示千分表）、固定臂测球13和活动臂测球9。

固定臂6固定连接于支架4，杠杆11通过转轴12连接于固定臂6，杠杆11的一端伸出固定臂6，杠杆11的另一端置于由固定臂6和支架4提供的容置空间内并由容置空间伸出一小段，使得杠杆11能够以转轴12为支点旋转，杠杆11以转轴12为界被分隔为第一段11A和第二段11B。

活动臂5与支架4构成移动副，使得活动臂5只能沿支架4的一个方向移动，本实施例中，活动臂5可以通过螺栓8与支架4固定，从而使活动臂5在沿支架4移动后与支架4的相对位置固定。

固定臂测球13固定连接于杠杆11的自由端，活动臂测球9固定连接于活动臂5的自由端，固定臂测球13和活动臂测球9的连线与支架4的轴线平行。

千分表17的触头19与杠杆11的第二段11B接触。

其中，内螺纹接头中径测量仪还包括弹性部件15，支架4内设有定位台阶28，弹性部件15连接于杠杆11的第二段11B与定位台阶28之间，自然状态下，弹性部件15呈伸长状态，从而在杠杆11的第二段11B提供向下的作用力，使得在自然状态时，杠杆11始终处于水平状态，本实施例中，弹性部件15为弹簧。

其中，作为活动臂5与支架4构成的移动副的一种具体的实现方式，支架4上设有凹槽7，活动臂5通过凹槽7与支架4相互嵌合。本实施例中，凹槽7为燕尾槽，燕尾槽是一种能够实现活动臂5只能沿支架4的轴向移动而不发生转动的较为简易的方式。

其中，内螺纹接头中径测量仪还包括手柄14，手柄14连接于杠杆11，从而对杠杆11以转轴12为轴转动时，便于对杠杆11进行操作。

参见附图4，本发明还提供了一种用于对内螺纹接头中径测量仪进行校准的杆，包括中间连杆1及连接在中间连杆1两端且平行设置的平行块（2A，2B）。其形式不局限于采用附图4所示的圆柱体，其采用其它方式，例如U型座架方式，只要能够保证本发明提供的内螺纹中径测量仪校零的准确性亦可使用。

将杆用于对内螺纹接头中径测量仪进行校准时，固定臂测球13和活动臂测球9卡置于平行块2A和2B之间。

参见附图5，本发明还提供了一种定位样板，包括本体20和记号笔23，本体20上设有能够与待测内螺纹接头相互配合的螺纹21，记号笔23嵌于与螺纹21部分对应的本体20处，

将定位样板用于对内螺纹接头中径测量仪的固定臂测球13、活动臂测球9在待测内螺纹接头26中进行定位时，用记号笔23在待测内螺纹接头26的待测位置做记号。

本实施例中，记号笔23的轴线到本体20自由端的距离为34.925mm。本实施例中，记号笔23嵌于定位样板中，且受弹簧推力，稍凸出于定位样板上表面。需要说明的是，根据API SPEC7-2规范，理论的基准平面定义在15.875mm处，对于内螺纹接头而言，该处没有实际螺纹，对应的螺纹中径是一实际无法测量的值，因此本发明将基准平面定义在距离内螺纹接头大端面34.925mm处。

其中，定位样板还包括凸缘22，凸缘22固定连接于本体20自由端，在使用该定位样板时，将该定位样板的螺纹部分与待测内螺纹接头相互嵌合，由于有该凸缘22的限制，可以更方便地在待测内螺纹接头26中找到基准平面。本实施例中，由于有该凸缘22的限制，可以更方便地在待测内螺纹接头26中找到使记号笔23的轴线到本体20自由端的距离为34.925mm处的位置。

本发明还提供了一种内螺纹接头中径测量方法，包括以下步骤：

参见附图6，调整内螺纹接头中径测量仪的活动臂5，使固定臂测球13和活动臂测球9卡置于杆的两个平行块2A，2B之间，记录中间连杆1长度，对内螺纹接头中径测量仪进行校准。

参见附图7，用定位样板在待测内螺纹接头中径中进行定位，并用记号笔23在待测内螺纹接头26的待测位置做记号27，本实施例中，需要使定位样板的凸缘22抵顶于待测内螺纹接头的端口处。

参见附图8将内螺纹接头中径测量仪的固定臂测球13和活动臂测球9对准记号27，旋转杠杆11对固定臂测球13进行微调，使固定臂测球13和活动臂测球9与待测内螺纹接头26贴合，记录千分表17的读数。

构建数学模型，根据杠杆11第一段11A的长度、杠杆第二段11B的长度、固定臂测球13到固定臂16的距离、千分表17的读数计算得出固定臂测球13在微调过程中的位移，实践中，还可以通过对千分表17进行调整，使千分表17的读数即为固定臂测球13在微调过程中的位移。

中间连杆1的长度与固定臂测球13在微调过程中的位移差即为待测内螺纹接头26中径的测量值。

其中，参见附图9，作为构建数学模型的一种具体的实现方式，构建数学模型包括以下步骤：

步骤1：设，

初始时，千分表17触头19与杠杆11第二段11B接触的位置为B，固定臂测球13的位置为E，转轴12的位置为O，过固定臂测球13做杠杆11的垂线的垂足为A。

杠杆11以转轴12为轴旋转后，千分表17触头19与杠杆11第二段11B接触的位置为H，固定臂测球13的位置为C，过固定臂测球13做杠杆11的垂线垂足为F，以点E为圆心，EC的长为半径做圆，该圆与EA延长线交于点D。

步骤2：给BH赋值为L，给OA赋值为d_A，给OB赋值为d_B，给AE赋值为d，给EC赋值为x，给∠BOH=∠FOA=∠COE=α。

步骤3：在该数学模型中，

OA=OF=d_A，CF=AE=d， $\cos$ $\mathrm{\α}=\frac{d_B}{\sqrt{d_B^2+L^2}},$ 根据余弦定理，

$x^2={\mathrm{OE}}^2+{\mathrm{OC}}^2-2\·\mathrm{OE}\·\mathrm{OC}\·\cos \mathrm{\α}=2(d_A^2+d^2)-2(d_A^2+d^2)\·\frac{d_B}{\sqrt{d_B+L^2}},$ 得到

$x=\sqrt{\frac{2(d_A^2+d^2)\·(\sqrt{d_B^2+L^2}-d_B)}{\sqrt{d_B^2+L^2}}}.$

由于DE=CE=x，即x的值为固定臂测球13在微调过程中的位移。通过对千分表17的调整，可以使千分表17的度数即为x的值，这样更便于对待测内螺纹中径测量值进行计算。

本实施例中，为便于计算，令d_A=d_B=d₀，此时，

其中，参见附图10，该方法还包括对中间连杆1的长度进行修正的步骤，当杠杆11顺时针旋转时，中间连杆1的长度修正值为

当杠杆11逆时针旋转时，中间连杆1的长度修正值为

其中，θ为待测内螺纹接头26的理论螺旋升角，

为待测内螺纹接头26的理论半锥角，R₀为待测螺纹接头在基准平面处对应的理论中径值（本实施例中，基准平面为在距离内螺纹接头大端面34.925mm处），此时，中间连杆1的长度修正值与固定臂测球13在微调过程中的位移差即为待测内螺纹接头26中径值。本实施例中，理论上距离内螺纹大端面34.925mm处的中径是指垂直于内螺纹轴线的基准平面截取中径圆锥所得圆对应的直径，实际上无法直接测量，只能在找到34.925mm处，逆时针或顺时针沿内螺纹牙槽旋转测量修正的杆来间接测量出中径。以钻具内螺纹（NC50）接头26为例，在34.925mm处理论中径值为124.8842mm，螺旋升角为0.9043°，理论半锥角为4.7636°，则对应的杆1长度的修正值为124.6928mm，此时，该钻具内螺纹NC50接头26的中径测量值为124.6928mm与x的差值。经过对中间连杆1的长度的修正，可以使得内螺纹接头在34.925mm处的中径的测量值更接近其真值。

应用本发明提供的种内螺纹接头中经测量仪对待测内螺纹接头26中径进行测量时，首先利用本发明提供的杆对内螺纹接头中径测量仪进行校准，然后借助本发明提供的定位样板及记号笔23在待测内螺纹接头26中定位，对内螺纹接头中径进行测量时，使内螺纹接头中径测量仪的固定臂测球13、活动臂测球9对准由记号笔23定出的位置27，使杠杆11的第二段11B产生位移，该位移能够由千分表17读出，根据该千分表17的读数L、杠杆11第一段11A的长度d_A、杠杆11第二段11B的长度d_B、固定臂测球13到固定臂16的距离d可以计算得到固定臂测球13的位移，中间连杆1的长度与固定臂测球13的位移差即得待测内螺纹接头26被测定处的中径测量值。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种内螺纹接头中径测量仪，其特征在于，包括支架、固定臂、转轴、活动臂、杠杆、千分表、固定臂测球和活动臂测球；

所述固定臂固定连接于所述支架，所述杠杆通过所述转轴连接于所述固定臂，所述杠杆以所述转轴为界被分隔为第一段和第二段，所述杠杆的第一段伸出所述固定臂，所述杠杆的第二段置于由所述固定臂和所述支架提供的容置空间内并由所述容置空间伸出一小段，使得所述杠杆能够以所述转轴为支点旋转；

所述活动臂与所述支架构成移动副，使得所述活动臂只能沿所述支架的一个方向移动；

所述固定臂测球固定连接于所述杠杆的自由端，所述活动臂测球固定连接于所述活动臂的自由端，所述固定臂测球和活动臂测球的连线与所述支架的轴线平行；

所述千分表的触头与所述杠杆的第二段接触。

2.根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于，所述内螺纹接头中径测量仪还包括弹性部件，所述支架内设有定位台阶，所述弹性部件连接于所述杠杆的第二段与所述定位台阶之间，自然状态下，所述弹性部件呈伸长状态，从而在所述杠杆的第二段提供向下的作用力。

3.根据权利要求1或2所述的测量仪，其特征在于，所述支架上设有凹槽，所述活动臂通过所述凹槽与所述支架相互嵌合。

4.根据权利要求1或2所述的测量仪，其特征在于，所述内螺纹接头中径测量仪还包括手柄，所述手柄连接于所述杠杆。

5.一种杆，其特征在于，包括中间连杆及连接在所述中间连杆两端且平行设置的平行块；

将所述杆用于对权利要求1～4中任一所述的内螺纹接头中径测量仪进行校准时，所述固定臂测球和活动臂测球卡置于所述平行快之间。

6.一种定位样板，其特征在于，包括本体和记号笔，所述本体上设有能够与待测内螺纹接头相互配合的螺纹，所述记号笔嵌于与所述螺纹部分对应的本体处；

将所述定位样板用于对权利要求1～4中任一所述的内螺纹接头中径测量仪的固定臂测球、活动臂测球在待测内螺纹接头中进行定位时，用所述记号笔在待测内螺纹接头的待测位置做记号。

7.根据权利要求6所述的定位样板，其特征在于，还包括凸缘，所述凸缘固定连接于所述本体自由端。

8.根据权利要求6或7所述的定位样板，所述记号笔的轴线到所述本体自由端的距离为34.925mm。

9.一种内螺纹接头中径测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

调整权利要求1～4中任一所述的内螺纹接头中径测量仪的活动臂，使固定臂测球和活动臂测球卡置于权利要求5所述的杆的两个平行块之间，记录所述中间连杆长度，对所述内螺纹接头中径测量仪进行校准；

用权利要求6～8中任一所述的定位样板在待测内螺纹接头中进行定位，并用所述记号笔在待测内螺纹接头的待测位置做记号；

将所述内螺纹接头中径测量仪的固定臂测球和活动臂测球对准所述记号，旋转所述杠杆对所述固定臂测球进行微调，使所述固定臂测球和活动臂测球与待测内螺纹接头贴合，记录所述千分表的读数；

构建数学模型，根据所述杠杆第一段的长度、杠杆第二段的长度、固定臂测球到固定臂的距离、千分表的读数计算得出固定臂测球在所述微调过程中的位移；

所述中间连杆的长度与所述固定臂测球在所述微调过程中的位移差即为待测内螺纹接头中径值。

10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，所述构建数学模型包括以下步骤：

设，

初始时，所述千分表触头的位置为B，固定臂测球的位置为E，转轴的位置为O，过固定臂测球做所述杠杆的垂线的垂足为A，

所述杠杆以所述转轴为轴旋转后，千分表触头与杠杆第二段接触的位置为H，固定臂测球的位置为C，过固定臂测球做所述杠杆的垂线垂足为F，以点E为圆心，EC的长为半径做圆，该圆与EA延长线交于点D，

给BH赋值为L，给OA赋值为d_A，给OB赋值为d_B，给AE赋值为d，给EC=ED赋值为x，给∠BOH=∠FOA=∠COE赋值为α，

对所述数学模型进行计算，

OA=OF=d_A，CF=AE=d， $\cos$ $\mathrm{\α}=\frac{d_B}{\sqrt{d_B^2+L^2}},$ 根据余弦定理，

$x^2={\mathrm{OE}}^2+{\mathrm{OC}}^2-2\·\mathrm{OE}\·\mathrm{OC}\·\cos \mathrm{\α}=2(d_A^2+d^2)-2(d_A^2+d^2)\·\frac{d_B}{\sqrt{d_B+L^2}},$ 得到

$x=\sqrt{\frac{2(d_A^2+d^2)\·(\sqrt{d_B^2+L^2}-d_B)}{\sqrt{d_B^2+L^2}}},$

由于DE=CE=x，即x的值为固定臂测球在微调过程中的位移。

11.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，还包括对所述中间连杆的长度进行修正的步骤，当所述杠杆顺时针旋转时，所述中间连杆的长度修正值为

当所述杠杆逆时针旋转时，所述中间连杆的长度修正值为

其中，θ为待测内螺纹接头的理论螺旋升角，为待测内螺纹接头的理论半锥角，R₀为待测螺纹接头在基准平面处对应的理论中径值，此时，所述中间连杆的长度修正值与所述固定臂测球在微调过程中的位移差即为待测内螺纹接头中径值。

12.根据权利要求9～11中任一所述的测量方法，其特征在于，所述基准平面为在距离内螺纹接头大端面34.925mm处。

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