CN110068407B - 一种用于扭力冲击器扭矩测量的试验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于扭力冲击器扭矩测量的试验装置及其方法，该装置包括：底座；连接扭力冲击器的一端的进液接头，其通过第一防转座体与所述底座连接；一端连接扭力冲击器的另一端的传动轴，其通过轴承座组件与所述底座连接；以及扭矩传感器，其连接在所述传动轴的另一端，并通过传感器防转套组件与所述底座连接。该装置适用于扭力冲击器的扭矩测量。

Description

一种用于扭力冲击器扭矩测量的试验装置及其方法

技术领域

本发明属于石油工业井下工具技术领域，具体涉及一种用于扭力冲击器扭矩测量的试验装置及其方法。

背景技术

扭力冲击器是一种钻井提速工具，可以实现将钻井液的流体能量转化为机械冲击能量，在钻头的周向施加往复的扭矩脉冲，与钻柱稳态钻进扭矩相叠加，对钻头施加高效的破岩扭矩。扭力冲击器的扭矩是其中的一个关键参数，在扭力冲击器的设计中需要考虑扭矩，在试验、出厂检验中都需要对扭矩进行测量。对于扭力冲击器而言，扭矩是指扭力冲击器产生的周向力与该力作用线到轴中心的距离的矢量积的总和。

目前常用的扭矩测量的理论方法主要有两种：

(1)根据轴受扭要产生一定扭转角或应变的原理，对于一段已知直径和弹性模量的轴，将应变片贴在它的侧面，通过应变计算出传递的扭矩大小。

(2)根据牛顿第三定律中作用力与反作用力相等的原理，把被测量装置的壳体用轴承支架支起，在壳体上固定有力臂。通过测量已知长度的力臂端部上的力来获得被测装置的反力矩。

第一种方法是比较老的测扭方法，精度较低；而第二种方法适合测量静态扭矩。而扭力冲击器的扭矩是反复变化的，频率为10Hz以上。

而目前主要是理论研究，还没有适用于扭力冲击器扭矩测量的方法，同时，也没有适用于扭力冲击器扭矩测量的试验装置。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本发明提出了一种用于扭力冲击器扭矩测量的试验装置及其方法，该装置适用于扭力冲击器的扭矩测量。

为了实现以上发明目的，一方面，本发明提出了一种用于扭力冲击器扭矩测量的试验装置，包括：

底座；

连接扭力冲击器的一端的进液接头，其通过第一防转座体与所述底座连接；

一端连接扭力冲击器的另一端的传动轴，其通过轴承座组件与所述底座连接；以及

扭矩传感器，其连接在所述传动轴的另一端，并通过传感器防转套组件与所述底座连接。

在本发明中，通过设置第一防转座体、传动轴、轴承座组件和扭矩传感器等对扭力冲击器进行连接，通过进液接头将工作液泵入到扭力冲击器内，经传动轴将工作液经扭力冲击器产生的扭矩脉冲传递给扭矩传感器，通过第一防转座体、轴承座组件和传感器防转套组件来防止周向转动和保证连接可靠，根据牛顿第三定律中作用力与反作用力相等的原理，使得本发明的装置可适用于扭力冲击器的扭矩测量，而且由于能准确模拟扭力冲击器的受力环境，对扭力冲击器的测量精度相对较高。

在一种实施方案中，所述进液接头为阶梯状结构，所述第一防转底座与所述进液接头的第三部分之间设有第一防转套，所述进液接头连接在第一防转套与扭力冲击器之间。通过设置防转套主要用于限制进液接头和扭力冲击器的轴向转动。

在一种实施方案中，所述进液接头与所述第一防转套通过铣出的防转平面连接，所述第一防转套为横截面是L型的圆台套结构，所述第一防转套的小端穿过所述第一防转底座外接在所述进液接头上，所述第一防转套的大端抵接在所述第一防转底座上。

在一种实施方案中，所述进液接头的第二部分外接有紧固顶丝，所述紧固顶丝抵接在第一防转套与所述进液接头的第三部分形成的台肩面上并向第一防转套方向延伸，所述紧固顶丝与第一防转套螺纹连接。

在一种实施方案中，所述传动轴远离扭力冲击器的一端连接有旋转密封套和旋转密封端盖，所述旋转密封端盖插接在所述旋转密封套内并与所述旋转密封套固定连接。

在一种实施方案中，所述传动轴内设有与所述扭力冲击器的内腔连通的流通腔，所述旋转密封套的径向方向上连接有回液接头，所述流通腔与所述回液接头连通，所述旋转密封端盖与所述传动轴之间连接有固定螺母。

在一种实施方案中，所述传感器防转套组件包括防转轴、第二防转套和第三防转座体，所述防转轴与所述扭矩传感器连接，所述第二防转套外接于所述防转轴上，所述第二防转套和防转轴经第三防转座体与所述底座连接。

在一种实施方案中，所述防转轴上设有与所述第二防转套连接的凸部，所述第二防转套包括方形的连接部和圆柱状的防转部，所述连接部与所述第三防转座体连接，所述防转部通过多个紧定件与所述防转轴连接。

另一方面，本发明还提出了一种用于扭力冲击器扭矩测量的方法，其采用如上所述的装置对待测的扭力冲击器进行扭矩测量，并包括以下步骤：

将待测的扭力传感器安装到所述装置上；

经所述进液接头泵入工作液；

所述工作液流经扭力冲击器，产生高频的扭矩脉冲；

该高频的扭矩脉冲通过传动轴传递给扭矩传感器；

测量扭矩传感器的扭矩信号。

在一种优选的实施方案中，该方法包括以下步骤：

经所述进液接头泵入工作液；

所述工作液流经扭力冲击器，推动扭力冲击器内部的冲击扭矩发生单元运转，产生高频的扭矩脉冲；

该高频的扭矩脉冲通过传动轴传递给扭矩传感器；

扭矩传感器通过测量获得扭矩信号；

采集扭矩传感器测量的扭矩信号并进行处理。

与现有技术相比，本发明的用于扭力冲击器扭矩测量的试验装置优点在于：

首先，本发明的装置从理论层面进展到了实际应用和测试层面，设计了一套可适用于测量扭力冲击器的扭矩的试验装置，而且由于能准确模拟扭力冲击器的受力环境，对扭力冲击器的测量精度相对较高；

其次，测量扭力冲击器扭矩时，扭力冲击器需要接液压泵，待测的扭力冲击器前端连接进液接头，扭力冲击器的后端通过传动轴内的流通腔连接回液接头，可以实现工作液的循环使用；

再次，该装置的扭矩传感器可以实现全自动测试，只要连接泵，扭矩传感器外接相关软件，即可实现测试过程和测试结果显示与记录的全自动操作。

附图说明

下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：

图1所示为本发明的用于扭力冲击器扭矩测量的试验装置的半剖剖面图；

图2所示为图1中用于扭力冲击器扭矩测量的试验装置的立体图。

附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

发明人在发明过程中注意到，目前对于扭力冲击器的扭矩测量主要还限于理论研究，还没有适用于扭力冲击器扭矩测量的方法和试验装置。

针对以上不足，本发明的实施例提出了一种用于扭力冲击器扭矩测量的试验装置和用于扭力冲击器扭矩测量的方法，下面进行详细说明。

图1和图2显示了本发明的用于扭力冲击器扭矩测量的试验装置连接有扭力冲击器5后的实施例。在该实施例中，本发明的用于扭力冲击器扭矩测量的试验装置主要包括：底座18、进液接头1、第一防转座体3、传动轴6、轴承座组件、扭矩传感器13和传感器防转套组件。其中，试验中采用的底座18一般是有一定厚度和有一定重量的板块，平放在地面或试验台架上，在受到冲击时不易发生侧翻。进液接头1连接在扭力冲击器5的一端(图1中为左端)，进液接头1通过第一防转座体3与底座18连接。传动轴6连接扭力冲击器5的另一端(图1中为右端)，传动轴6通过轴承座组件与底座18连接。扭矩传感器13的左端连接传动轴6的右端，扭矩传感器13的右端连接有传感器防转套组件，该传感器防转套组件与底座18连接。

在一个实施例中，进液接头1为阶梯状结构，主要包括三部分：第一部分、第二部分和第三部分。且第一部分、第二部分和第三部分的外径依次增大。进液接头1的第三部分通过螺纹外接扭力冲击器5的左端。第一防转底座3与进液接头1的第三部分之间设有第一防转套4，该防转套4主要用于限制进液接头1和扭力冲击器5轴向转动。

在一个实施例中，进液接头1的第三部分上铣出有防转平面1.1，进液接头1与第一防转套4通过该防转平面1.1连接从而使得两者之间不能有相对周向转动。第一防转套4为横截面是L型的圆台套结构，在连接时，第一防转套4的小端从右向左穿过第一防转底座3外接在进液接头1的防转平面1.1上，第一防转套4的右侧的大端抵接在第一防转底座3的右侧面上。而第一防转底座3为L型结构，通过紧固件固定反向安装在底座18上。

在一个实施例中，为了防止进液接头1与第一防转套4的轴向窜动，在进液接头1的第二部分外接有紧固顶丝2。该紧固顶丝2的右端抵接在第一防转套4与进液接头1的第三部分形成的台肩面上并向第一防转套4方向(图1中为向右侧)延伸。紧固顶丝2的右侧外接在第一防转套4上并与第一防转套4螺纹连接。紧固顶丝2本身还可通过螺钉等紧固件与进液接头1固定连接。

在一个实施例中，传动轴6与扭力冲击器5连接的一端(图1中为左端)通过螺纹内接于扭力冲击器5的右端，且传动轴6外部与扭力冲击器5两者通过传力的导块形成间隔连接或者通过相互配合的卡止结构6.1连接。

在一个实施例中，如图1所示，轴承座组件主要包括轴承7、轴承座8和第二防转座体19。其中，轴承座8将轴承7压接在传动轴6上，轴承座8外接第二防转座体19。第二防转座体19为L型结构，其通过螺栓等紧固件安装在底座18上。

在一个实施例中，如图1所示，传动轴6远离扭力冲击器5的一端(即右端)连接有旋转密封套9和旋转密封端盖11。如图2所示，旋转密封端盖11插接在旋转密封套9内并与旋转密封套9通过紧固件固定连接。

在一个实施例中，旋转密封套9朝向第二防转座体19的一侧设有密封件，以防止轴承7的润滑液外流。

在一个实施例中，传动轴6内设有与扭力冲击器5的内腔连通的流通腔。旋转密封套9的径向方向上连接有回液接头10，流通腔与回液接头10连通。此处，工作液从进液接头1泵入后，经过扭力冲击器5的内腔、传动轴6内的流通腔后，受到传动轴6内的流通腔右侧壁的阻挡，经回液接头10流出。该过程可以实现工作液的循环使用。另外，为了减少扭力冲击器5产生的扭矩脉冲对旋转密封端盖11的影响和对旋转密封端盖11进行限位，在传动轴6上位于旋转密封端盖11的右侧设有固定螺母12。

在一个实施例中，传感器防转套组件主要包括防转轴14、第二防转套15和第三防转座体20，防转轴14与扭矩传感器13连接，第二防转套15外接于防转轴14上，第二防转套15和防转轴14经第三防转座体20与底座18连接。

在一个实施例中，防转轴14上设有与第二防转套15连接的凸部。第二防转套15主要包括方形的连接部和圆柱状的防转部，第二防转套15的连接部与第三防转座体连接，第二防转套15的防转部通过多个紧定件16与防转轴14连接。

另一方面，本发明还提出了一种用于扭力冲击器扭矩测量的方法，该方法采用如前所述的装置对待测的扭力冲击器5进行扭矩测量，并包括以下步骤：

将待测的扭力传感器安装到如前所述的装置上；

经进液接头1泵入工作液；

工作液流经扭力冲击器5，产生高频的扭矩脉冲；

该高频的扭矩脉冲通过传动轴6传递给扭矩传感器13；

测量扭矩传感器13的扭矩信号。

在一个实施例中，安装本发明的装置以及将待测的扭力传感器5连接到本发明的装置上主要包括以下步骤：将第一防转座体3、第二防转座体19和第三防转座体20通过紧固件17固定在底板18上。扭力冲击器5的左端与进液接头1连接，实现工作液进入。第一防转套4与进液接头1通过铣出的平面相连接，防止周向运动。紧固顶丝2与第一防转套4通过螺纹连接，起到固定作用。扭力冲击器5的右端通过螺纹与传动轴6连接，起到传递扭矩的作用。传动轴6与扭矩传感器13连接，扭矩传感器13与防转轴14连接，第二防转套15与第一防转座体3连接，用于固定扭矩传感器13。在传动轴6内加工有流通腔或流通槽，用于工作液流出。传动轴6的右端台肩处安装有轴承7、轴承座8，防止干摩擦。旋转密封套9、旋转密封端盖11安装在轴承座8的右端。在旋转密封套9上设计有回液接头10，用于工作液排出。

在一个实施例中，将扭力冲击器5安装在本发明的装置上后，通过液压泵将工作液从液罐抽出，从进液接头1的进液口泵送工作液到扭力冲击器5，驱动扭力冲击器5运动，工作液从装置的回液接头10排出，回到液罐。

在一个实施例中，该方法包括以下步骤：

经进液接头1泵入工作液；

工作液流经扭力冲击器5，推动扭力冲击器5内部的冲击扭矩发生单元运转，产生高频的扭矩脉冲；

该高频的扭矩脉冲通过传动轴6传递给扭矩传感器13；

扭矩传感器13通过测量获得扭矩信号；

采集扭矩传感器13测量的扭矩信号并进行处理。

本发明的试验装置和方法可以用于测量扭力冲击器5的扭矩，且测量结果比较精准。另外，还可以实现工作液的循环使用。此外，扭矩传感器13测量扭力冲击器5工作时的扭矩，扭矩传感器13可以外接电脑，记录扭矩测量结果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于扭力冲击器扭矩测量的试验装置，其特征在于，包括：

底座；

连接扭力冲击器的一端的进液接头，其通过第一防转座体与所述底座连接；

一端连接扭力冲击器的另一端的传动轴，其通过轴承座组件与所述底座连接；以及

扭矩传感器，其连接在所述传动轴的另一端，并通过传感器防转套组件与所述底座连接；所述进液接头为阶梯状结构，阶梯状结构包括外径依次增大的第一部分、第二部分和第三部分，所述第一防转座体与所述进液接头的第三部分之间设有第一防转套，所述进液接头连接在第一防转套与扭力冲击器之间；所述传感器防转套组件包括防转轴、第二防转套和第三防转座体，所述防转轴与所述扭矩传感器连接，所述第二防转套外接于所述防转轴上，所述第二防转套和防转轴经第三防转座体与所述底座连接；

所述进液接头与所述第一防转套通过铣出的防转平面连接，所述第一防转套为横截面是L型的圆台套结构，所述第一防转套的小端穿过所述第一防转座体外接在所述进液接头上，所述第一防转套的大端抵接在所述第一防转座体上；

所述进液接头的第二部分外接有紧固顶丝，所述紧固顶丝抵接在第一防转套与所述进液接头的第三部分形成的台肩面上并向第一防转套方向延伸，所述紧固顶丝与第一防转套螺纹连接；

进液接头的第三部分通过螺纹外接扭力冲击器。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传动轴远离扭力冲击器的一端连接有旋转密封套和旋转密封端盖，所述旋转密封端盖插接在所述旋转密封套内并与所述旋转密封套固定连接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述传动轴内设有与所述扭力冲击器的内腔连通的流通腔，所述旋转密封套的径向方向上连接有回液接头，所述流通腔与所述回液接头连通；所述传动轴上连接有固定螺母。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述防转轴上设有与所述第二防转套连接的凸部，所述第二防转套包括方形的连接部和圆柱状的防转部，所述连接部与所述第三防转座体连接，所述防转部通过多个紧定件与所述防转轴连接。

5.一种用于扭力冲击器扭矩测量的方法，其特征在于，其采用如权利要求1至4中任一项所述的装置对待测的扭力冲击器进行扭矩测量，并包括以下步骤：

将待测的扭力传感器安装到所述装置上；

经所述进液接头泵入工作液；

所述工作液流经扭力冲击器，产生高频的扭矩脉冲；

该高频的扭矩脉冲通过传动轴传递给扭矩传感器；

测量扭矩传感器的扭矩信号。

6.根据权利要求5 所述的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

经所述进液接头泵入工作液；

所述工作液流经扭力冲击器，推动扭力冲击器内部的冲击扭矩发生单元运转，产生高频的扭矩脉冲；

该高频的扭矩脉冲通过传动轴传递给扭矩传感器；

扭矩传感器通过测量获得扭矩信号；

采集扭矩传感器测量的扭矩信号并进行处理。

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