CN109854224B - 一种相对回转结构中的压扭分离力载测量方法 - Google Patents

Abstract

一种相对回转结构中的压扭分离力载测量方法，外管与钻头连接端截短后通过外螺纹与弹性元件的下端连接，弹性元件的上端通过插槽与外管过渡连接段的下端连接，外管过渡连接段的上端通过插孔与外管截短端连接，外管截短长度等于外管过渡段连接段与弹性元件连接后的长度，传感元件放在弹性元件上，从外管过渡段连接段下端到传感元件下端的外部，并设有保护套，保护套、外管过渡连接段、截短后的外管通过螺钉连接，弹性元件底部螺纹和外管过渡段连接段将钻头、传感器截断后的外管连接在一起，并将钻头所受的轴向力和扭矩直接传递给力传感器，力传感器包括弹性元件、两个传感元件。

Description

一种相对回转结构中的压扭分离力载测量方法

技术领域

本发明涉及仪器测量领域，特别是一种相对回转结构中的压扭分离力载测量方法。

背景技术

地外天体采样任务中，螺旋钻具是执行星壤采集的最有效工具，特别是深层钻取采样探测。地外天体表面一般无水，星壤一般以不含水的堆积颗粒或者岩石状态存在。螺旋钻具执行任务时候，钻头与钻杆会分别承受力载。针对干颗粒群的钻取过程中，钻头和钻杆之间的力载分布会严重影响钻进取样效果，钻进过程实时测量钻头与钻杆之间的作用力有利于为钻具的研制和星壤工况的探测方法制定提供直接支撑。

执行钻取采样的螺旋钻具通常由三部分组成：钻头(中间进芯通道有孔)，钻杆(一般为薄壁螺旋结构)，取芯机构(一般放置在钻杆内孔中)。正常钻进过程中，钻杆与钻头连接，相对取芯机构旋转；回转钻进过程中部分星壤通过进芯通道进入取芯机构，部分月壤通过螺旋通道排至星壤表面。钻头与钻杆之间力载的测量环节必须达到如下目标：(1)不能干扰或者改变钻取效果，既不能改变钻具外侧面构型；(2)可供利用的空间只有2～3mm,且该空间存在回转相对运动；(3)钻进过程中钻杆会发生变形，需尽可能消除其对测量影响；(4)钻具外侧为模拟月壤，设计结构防止月壤对测量结果的干扰；(5)钻具钻进过程中同时承受压力和扭矩，需将力载分解并测量压力和扭矩；(6)钻进过程会有50℃温升，需消除温升对测量影响。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种相对回转结构中的压扭分离力载测量方法，解决了狭小空间和复杂作用环境下相对回转结构下压扭分离力载的测量。

本发明的技术解决方案是：一种相对回转结构中的压扭分离力载测量方法，包括如下步骤：

(1)截短外管与钻头连接端，使得钻头通过外螺纹与弹性元件的下端连接，弹性元件的上端通过插槽与外管过渡连接段的下端连接，外管过渡连接段的上端通过插孔与外管截短端连接，使得外管截短长度等于外管过渡段连接段与弹性元件连接后的长度，传感元件放在弹性元件上，从外管过渡段连接段下端到传感元件下端的外部，并设有保护套，通过螺钉将保护套、外管过渡连接段、截短后的外管连接在一起，其中，保护套实现钻进过程中原有的作用关系不改变，弹性元件底部螺纹和外管过渡段连接段将钻头、传感器截断后的外管连接在一起，并将钻头所受的轴向力和扭矩直接传递给力传感器；

(2)通过在弹性元件上粘贴的传感元件，两个传感元件连接成惠斯通电桥，传感元件中轴线方向电阻及与轴向方向垂直的电阻组成全桥，其中，中轴线方向电阻用于测量轴向压力，与轴向垂直方向电阻用于温度补偿，与传感元件中轴线方向成45°角的电阻组成半桥，实现温度自补偿，测量压力的全桥输出四根传输线，测量扭矩的半桥输出3根传输线；

(3)传输线采用透明胶条紧贴于外管内壁，将采集信号从回转结构中输出；

(4)在钻头末端施加标准的压力后测量电压U1，采用最小二乘法拟合电压与力的关系得到映射系数K1，在钻头末端施加扭矩，测量电压U2，采用最小二乘法拟合电压与力的关系得到映射系数K2，最终得到压力和扭矩公式，进而完成相对回转结构中的压扭分离力载测量。

所述的相对回转结构包括钻头、外管、内管，其中，钻头与外管相连，内管与钻头、外管相连后的形成组合体连接，并形成相对回转的结构。

所述的两个传感元件贴在弹性元件筒壁的对称位置且方向相对。

所述的压力和扭矩公式为：

压力＝K1*U1；扭矩＝K2*U2。

一种相对回转结构中的压扭分离力载测量装置，包括弹性元件、外管过渡连接段、保护套、传感元件、测量电路、数据传输、信号放大及采集、数据采集与处理单元，其中：

外管与钻头连接端截短后通过外螺纹与弹性元件的下端连接，弹性元件的上端通过插槽与外管过渡连接段的下端连接，外管过渡连接段的上端通过插孔与外管截短端连接，外管截短长度等于外管过渡段连接段与弹性元件连接后的长度，传感元件放在弹性元件上，从外管过渡段连接段下端到传感元件下端的外部，并设有保护套，保护套、外管过渡连接段、截短后的外管通过螺钉连接，弹性元件底部螺纹和外管过渡段连接段将钻头、传感器截断后的外管连接在一起，并将钻头所受的轴向力和扭矩直接传递给力传感器，力传感器包括弹性元件、两个传感元件。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明一种保证原有外界作用关系约束及强干扰条件下，在相对回转的细长薄壳结构内部实现了压扭分离测量及信号传输较高精度测量，有效解决了工程需求，且测量结果具有重要科学意义；

(2)本发明通过在狭小空间内重新设计连接结构，将主承力路径与外侧作用界面分离，并在主承力路径上设计弹性测量区域及抗温度干扰的传感电路，实现复杂作用环境下连接环节压力和扭矩的分离测量；通过带保护的内侧传输线及滑环，解决了细长回转结构中信号传输难题。该技术抗干扰能力强，实现简单方便。

附图说明

图1为一种相对回转结构中的压扭分离力载测量方法装置原理图；

图2为弹性元件图；

图3为外管过渡连接段图；

图4为保护套图；

图5为应变花所贴位置图；

图6为应变花贴点展开图；

图7为电桥接线图，其中，(a)为压力测量电桥，(b)为扭矩测量电桥。

具体实施方式

一种相对回转结构(包括钻头、外管、内管，钻头与外管相连，内管与钻头外管相连后的组合体形成相对回转的结构)中的压扭分离力载测量系统，并采用如下技术方案：

如图1所示为一种相对回转结构中的压扭分离力载测量方法装置原理图；图2所示为弹性元件图；图3所示为外管过渡连接段图；图4所示为保护套图；图5所示为应变花所贴位置图；图6所示为应变花贴点展开图；图7所示为电桥接线图，其中，(a)为压力测量电桥，(b)为扭矩测量电桥。

1)测试装置包括弹性元件、外管过渡连接段、保护套、传感元件及测量电路、数据传输、信号放大及采集、数据采集与处理程序。其中：弹性元件、传感元件两部分构成力传感器；本测量装置采用惠斯通电桥作为测量电路，应变电阻片作为传感元件，同时根据材料力学性质，单独设计弹性元件。数据传输通过导线及滑环完成，信号方法通过应变放大器实现。力传感感器把被测物理量转换为有确定对应关系的电量输出，然后通过后续系统实现信号传输、处理显示等要求。

2)截短外管与钻头连接端，钻头通过外螺纹与弹性元件的下端连接，弹性元件的上端通过插槽与外管过渡连接段的下端连接，外管过渡连接段的上端通过插孔与外管截短端连接，使得外管截短长度等于外管过渡段连接段与弹性元件连接后的长度，两个传感元件放在弹性元件上。从外管过渡段连接段下端到传感元件下端的外部，设有保护套，通过螺钉将保护套、外管过渡连接段、截短后的外管连接在一起。通过保护套实现在钻进过程中不改变原来的作用关系；两个传感元件、弹性元件组合成传感器；弹性元件底部螺纹和外管过渡段连接段将钻头、传感器截断后的外管连接在一起，同时实现钻头所受的轴向力和扭矩直接传递给力传感器。

3)钻头和外管之间的压扭分离测量通过杆式弹性元件-空心圆截面实现，通过在弹性元件上粘贴传感元件，通过应力应变关系，测量钻头所受的力和扭矩。以上结构具有有易加工、承载力高、刚度大、精度高、稳定性好的特点。两个传感元件贴在弹性元件筒壁的对称位置但方向相对，然后按图7所示方式连接成惠斯通电桥。传感元件中轴线方向及与轴向方向垂直的电阻组成一个全桥，其中轴向方向电阻用于测量轴向压力，与轴向垂直方向电阻用于温度补偿；传感元件中轴线方向成45°角的电阻组成一个半桥，电路实现温度自补偿。在弹性元件贴传感元件的下凹环形空间内连接完成后，测量压力的全桥输出四根传输线，测量扭矩的半桥输出3根传输线。

4)导线通过预留空余插槽走出，采用透明胶条紧贴与外管内壁。至最上端后在外管上设置出口孔接入与外管固定的滑环中，实现信号从回转的系统中输出。

5)从滑环出来的线路接入动态应变仪器系统，转换成电压信号，再通过A/D卡采集为数字信号读入电脑中。

6)标定系统。在钻头末端施加标准的压力，比如10N，50N，100N，200N，300N，400N力，测量电压U1，采用最小二乘法拟合电压与力的关系得到映射系数K1；在钻头末端施加扭矩，比如0.5Nm，1Nm，1.5Nm，2Nm，2.5Nm，3Nm，3.5Nm，4Nm，4.5Nm，5Nm，测量电压U2，采用最小二乘法拟合电压与力的关系得到映射系数K2；最终得到压力和扭矩公式如下：

压力＝K1*U1；扭矩＝K2*U2。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种相对回转结构中的压扭分离力载测量方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将与钻头连接端连接 的外管截短，使得钻头通过外螺纹与弹性元件的下端连接，弹性元件的上端通过插槽与外管过渡连接段的下端连接，外管过渡连接段的上端通过插孔与外管截短端连接，使得外管截短长度等于外管过渡段连接段与弹性元件连接后的长度，传感元件放在弹性元件上，从外管过渡段连接段下端到传感元件下端的外部，并设有保护套，通过螺钉将保护套、外管过渡连接段、截短后的外管连接在一起，其中，保护套实现钻进过程中原有的作用关系不改变，弹性元件底部螺纹和外管过渡段连接段将钻头、传感器截断后的外管连接在一起，并将钻头所受的轴向力和扭矩直接传递给力传感器；

(2)通过在弹性元件上粘贴的传感元件，两个传感元件连接成惠斯通电桥，传感元件中轴线方向电阻及与轴向方向垂直的电阻组成全桥，其中，中轴线方向电阻用于测量轴向压力，与轴向垂直方向电阻用于温度补偿，与传感元件中轴线方向成45°的电阻组成半桥，实现温度自补偿，测量压力的全桥输出四根传输线，测量扭矩的半桥输出3根传输线；

(3)传输线采用透明胶条紧贴于外管内壁，将采集信号从回转结构中输出；

(4)在钻头末端施加标准的压力后测量电压U1，采用最小二乘法拟合电压与力的关系得到映射系数K1，在钻头末端施加扭矩，测量电压U2，采用最小二乘法拟合电压与力的关系得到映射系数K2，最终得到压力和扭矩公式，进而完成相对回转结构中的压扭分离力载测量；

其中，在钻头末端施加标准的压力范围为10N或50N或100N或200N或300N或400N，在钻头末端施加扭矩范围为0.5Nm或1Nm或1.5Nm或2Nm或2.5Nm或3Nm或3.5Nm或4Nm或4.5Nm或5Nm；

所述的相对回转结构包括钻头、外管、内管，其中，钻头与外管相连，内管与钻头、外管相连后的形成组合体连接，并形成相对回转的结构；

所述的两个传感元件贴在弹性元件筒壁的对称位置且方向相对；

所述的压力和扭矩公式为：

压力＝K1*U1；扭矩＝K2*U2。

2.一种相对回转结构中的压扭分离力载测量装置，相对回转结构包括钻头、外管、内管，其中，钻头与外管相连，内管与钻头、外管相连后的形成组合体连接，形成相对回转结构，其特征在于包括弹性元件、外管过渡连接段、保护套、传感元件、测量电路、数据传输、信号放大及采集、数据采集与处理单元，其中：

将与钻头连接端连接的外管截短后，钻头通过外螺纹与弹性元件的下端连接，弹性元件的上端通过插槽与外管过渡连接段的下端连接，外管过渡连接段的上端通过插孔与外管截短端连接，外管截短长度等于外管过渡段连接段与弹性元件连接后的长度，传感元件放在弹性元件上，从外管过渡段连接段下端到传感元件下端的外部，并设有保护套，保护套、外管过渡连接段、截短后的外管通过螺钉连接，弹性元件底部螺纹和外管过渡段连接段将钻头、传感器截断后的外管连接在一起，并将钻头所受的轴向力和扭矩直接传递给力传感器，力传感器包括弹性元件、两个传感元件，其中：

传感元件中轴线方向及与轴向方向垂直的电阻组成一个全桥，其中轴向方向电阻用于测量轴向压力，与轴向垂直方向电阻用于温度补偿；传感元件中轴线方向成45°的电阻组成一个半桥，电路实现温度自补偿；

在钻头末端施加标准的压力后测量电压U1，采用最小二乘法拟合电压与力的关系得到映射系数K1，在钻头末端施加扭矩，测量电压U2，采用最小二乘法拟合电压与力的关系得到映射系数K2，最终得到压力和扭矩公式，进而完成相对回转结构中的压扭分离力载测量；

其中，在钻头末端施加标准的压力范围为10N或50N或100N或200N或300N或400N，在钻头末端施加扭矩范围为0.5Nm或1Nm或1.5Nm或2Nm或2.5Nm或3Nm或3.5Nm或4Nm或4.5Nm或5Nm。

Images