CN110243569A - 一种水流中钻管运动模拟实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水流中钻管运动模拟实验装置，包括钻管、顶部张力施加装置、水流控制测量系统、驱动系统和运动采集系统；水流控制测量系统包括循环水槽和流速计，流速计安装于循环水槽内；驱动系统包括双轴电机；顶部张力施加装置包括绳索、三角圆环结构、吊环结构、配重重物和张力计，绳索的一端连接三角圆环结构、另一端绕过吊环结构后与配重重物连接；钻管下端与循环水槽底部转动连接、上部从循环水槽的盖体穿出后与双轴电机连接，钻管上端与三角圆环结构转动连接，钻管上设有标定点；运动采集系统包括安装于循环水槽中两个高速相机。本发明能有效模拟钻管实际所处的复杂海洋环境及受力情况，填补了水流中的钻管运动实验的空缺。

Description

一种水流中钻管运动模拟实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及海洋工程大洋科学钻探技术领域，具体涉及一种无立管钻探的钻管运动模拟实验装置及实验方法。

背景技术

钻管作为大洋科学钻探船最核心的部分，是实现钻探的关键。在复杂海洋环境中进行无立管钻探时，钻管外部有海流的作用、同时在旋转的驱动下，钻管的运动会变得极其复杂。复杂运动不仅降低了钻探效率，还增加了钻探成本。甚至会导致钻管的应力集中，进而使钻管过早出现疲劳破坏，使得科学钻探无法进行，因此对于无立管钻探时钻管运动的研究尤为重要。

目前对于水流中的钻管运动实验来说，基于属于空白阶段，存在的几个问题增加了实验的难度：其一是设计钻管结构在施加旋转的同时不被破坏；其二是在钻管旋转的情况下如何考虑顶部张力的施加；其三是在钻管旋转的情况下，如何合理处理钻管的底部连接。合理的施加水流，旋转以及顶部张力，准确的模拟和测量钻管的运动，掌握钻管运动的特性对安全高效的科学钻探起重要保证，为第三代科学钻探船的钻管结构设计提供参考。因此，急需设计一种水流中钻管运动模拟实验装置及方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的钻管结构设计、顶张力施加以及底部连接设计的困难，提供一种水流中钻管运动模拟实验装置及实验方法，利用滚珠花键和双螺旋连接键，设计了合理的钻管结构和底部连接形式，通过滚珠花键和设计的三角圆环结构，解决了顶张力的施加问题。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种水流中钻管运动模拟实验装置，包括钻管、顶部张力施加装置、水流控制测量系统、驱动系统和运动采集系统；

所述水流控制测量系统包括循环水槽和流速计，所述循环水槽壳体内设有水流控制系统，所述流速计安装于循环水槽内，循环水槽上端开口并配置盖体；

所述驱动系统包括双轴电机；

所述顶部张力施加装置设置于所述循环水槽盖体的上方，包括绳索、三角圆环结构、吊环结构、配重重物和张力计，所述绳索的一端连接所述三角圆环结构，绳索的另一端绕过所述吊环结构后与所述配重重物连接，所述张力计安装于所述绳索上；

所述钻管下部位于所述循环水槽内，其下端与循环水槽底部转动连接，钻管上部从循环水槽的盖体穿出后与所述双轴电机连接，钻管上端与所述三角圆环结构转动连接，所述钻管上设有标定点；

所述运动采集系统包括安装于所述循环水槽中的第一高速相机和第二高速相机，所述第一高速相机与第二高速相机成一定角度布置，对钻管上标定点的运动进行追踪。

上述方案中，所述钻管包括位于中部的塑料管，以及分别位于所述塑料管上、下两端的上段钢管与下段钢管，所述塑料管上端与上段钢管之间通过第一双螺旋连接键固定连接，塑料管下端与下段钢管之间通过第二双螺旋连接键固定连接。

上述方案中，所述上段钢管的中部安装所述双轴电机，上段钢管的上端通过第一滚珠花键与所述三角圆环结构实现转动连接，所述下段钢管的下端通过第二滚珠花键与底部固定平板转动连接，所述底部固定平板固定安装于所述循环水槽底部。

上述方案中，所述实验装置还包括电脑PC，所述第一高速相机和第二高速相机均与所述电脑PC连接，电脑PC内装有高速运动分析软件对钻管运动数据进行采集和分析，并对钻管的运动特性进行研究；所述流速计与所述电脑PC连接。

上述方案中，所述驱动系统还包括电机控制器，所述双轴电机与电机控制器连接，电机控制器与所述电脑PC连接。

上述方案中，所述顶部张力施加装置的三角圆环结构包括第一圆环、第二圆环和第三圆环，三个圆环呈三角形排列并通过连接杆依次相连，所述钻管上端与位于底部的连接杆转动连接，所述绳索与位于顶部的第二圆环连接；所述顶部张力施加装置的吊环结构包括水平排列的第一吊环和第二吊环。

上述方案中，所述实验装置还包括第一支撑平板、第二支撑平板、支撑杆，所述循环水槽的盖体上表面固定安装有两个平行设置的支撑桁架，所述第一支撑平板固定安装于所述支撑桁架上，所述第二支撑平板平行设置于第一支撑平板的上方，两块支撑平板之间通过若干根所述支撑杆相连；所述双轴电机安装于所述第一支撑平板的上表面，所述第一吊环与第二吊环固定安装于所述第二支撑平板的下表面；所述配重重物与三角圆环结构悬挂于第一支撑平板与第二支撑平板中间的空间。

本发明还提出了上述水流中钻管运动模拟实验装置的实验方法，包括以下步骤：

(1)按要求组装所述水流中钻管运动模拟实验装置；

(2)控制钻管运动模拟时的变量，变量包括水流速度、顶部张力及钻管转速：利用循环水槽的控制系统对水流速度大小进行控制，设定所需流速，通过所述流速计对循环水槽中的流速大小进行测量，流速计的测量数据传输至电脑PC中；通过改变所述配重重物的质量，得到所需的顶部张力；通过改变所述双轴电机的功率，获得所需的钻管转速；

(3)钻管运动测量分析：通过所述第一高速相机和第二高速相机对钻管上标定点的运动进行追踪测量，并通过安装在电脑PC中的高速运动分析软件对钻管在水流中的运动进行分析。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明水流中钻管运动模拟实验装置通过水流控制测量系统控制水流速度模拟海洋环境中海流作用，通过顶部张力施加装置模拟钻管的轴向顶部张力，通过双轴电机控制钻管转速，能有效模拟钻管实际所处的复杂海洋环境及受力情况，填补了水流中的钻管运动实验的空缺。通过运动采集系统对钻管上的标定点进行测量，并通过安装在电脑PC中的高速运动分析软件对钻管在水流中的运动进行分析，能够掌握钻管运动的特性，对安全高效的科学钻探起重要保证，为第三代科学钻探船的钻管结构设计提供参考。

(2)本发明设计的钻管由塑料管部分和钢管部分组合而成，在上段部分，通过双螺旋连接键连接塑料管和钢管部分，以便于与电机连接部分为钢管部分，避免钻管的破坏。通过钢管连接滚珠花键，在保证钢管旋转的同时，能够施加顶部张力。在钻管下段部分，为了得到合理的底部边界条件，塑料管和钢管部分通过双螺旋连接键进行连接，钢管连接到底部的滚珠花键，滚珠花键固定在底部固定平板上，钻管在旋转的同时得到合理的底部边界条件。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明水流中钻管运动模拟实验装置的整体结构示意图；

图2是本发明钻管的结构示意图；

图3是本发明顶部张力装置的结构示意图；

图4是本发明第一滚珠花键与三角圆环结构的结构示意图；

图5是本发明第二双螺旋连接键与第二滚珠花键的结构示意图。

图中：10、钻管；11、塑料管；12a、上段钢管；12b、下段钢管；13a、第一双螺旋连接键；13b、第二双螺旋连接键；14a、第一滚珠花键；14b、第二滚珠花键；21a、第一圆环；21b、第二圆环；21c、第三圆环；22、张力计；23a、第一吊环；23b、第二吊环；24、配重重物；31、循环水槽；311、盖体；32、流速计；41、双轴电机；42、电机控制器；51a、第一高速相机；51b、第二高速相机；52、相机固定平台；60、电脑PC；71a、第一支撑平板；71b、第二支撑平板；72、支撑杆；73、支撑桁架；81、底部固定平板；82a、第一底部固定桁架；82b、第二底部固定桁架。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-5所示，为本发明一较佳实施例的水流中钻管运动模拟实验装置，包括钻管10、顶部张力施加装置、水流控制测量系统、驱动系统、运动采集系统和电脑PC60。

水流控制测量系统包括循环水槽31和流速计32，循环水槽31壳体内设有水流控制系统，水流控制系统能够对水流速度大小进行控制。流速计32安装于循环水槽31内，可以对水流速度进行实时测量，流速计32与电脑PC60连接，将测量数据传输至电脑PC60进行分析。循环水槽31上端开口并配置盖体311。

驱动系统包括双轴电机41和电机控制器42，双轴电机41与电机控制器42连接，电机控制器42与电脑PC60连接，电脑PC60通过电机控制器42能够驱动双轴电机41。

顶部张力施加装置设置于循环水槽31盖体311的上方，包括绳索、三角圆环结构、吊环结构、配重重物24和张力计22。绳索的一端连接三角圆环结构，绳索的另一端绕过吊环结构后与配重重物24连接，张力计22安装于绳索上。配重重物24的重力相当于顶部张力，通过吊环结构传递到三角圆环结构上，并通过张力计22测量顶部张力的大小。

钻管10包括位于中部的塑料管11，以及分别位于塑料管11上、下两端的上段钢管12a与下段钢管12b，塑料管11上端与上段钢管12a之间通过第一双螺旋连接键13a固定连接，塑料管11下端与下段钢管12b之间通过第二双螺旋连接键13b固定连接。塑料管11与下段钢管12b位于循环水槽31内，下段钢管12b的下端通过第二滚珠花键14b与底部固定平板81转动连接，底部固定平板81固定安装于循环水槽31底部。上段钢管12a从循环水槽31的盖体311穿出后与双轴电机41连接，上段钢管12a的上端通过第一滚珠花键14a与三角圆环结构实现转动连接。钻管10的塑料管11上设有标定点。

运动采集系统包括安装于循环水槽31中的第一高速相机51a和第二高速相机51b，对两个高速相机进行防水处理，并将两个高速相机分别固定安装于各自的相机固定平台52上，两个高速相机成一定角度布置以进行三维空间的定位，对钻管10上标定点的运动进行追踪。第一高速相机51a和第二高速相机51b均与电脑PC60连接，电脑PC60内装有高速运动分析软件对钻管10运动数据进行采集和分析，并对钻管10的运动特性进行研究。

本发明设计的钻管10由塑料管11部分和钢管部分组合而成，在上段部分，通过双螺旋连接键连接塑料管11和钢管部分，以便于与电机连接部分为钢管部分，避免钻管10的破坏。通过钢管连接滚珠花键，在保证钢管旋转的同时，能够施加顶部张力。在钻管10下段部分，为了得到合理的底部边界条件，塑料管11和钢管部分通过双螺旋连接键进行连接，钢管连接到底部的滚珠花键，滚珠花键固定在底部固定平板81上，钻管10在旋转的同时得到合理的底部边界条件。在钻管中段部分，采用柔性的塑料管模拟钻管运动的部分，并在上面标记表定点，便于观察钻管运动变化。顶部张力施加装置的三角圆环结构与上部的滚珠花键连接，可将顶部张力传递给钻管10，改变配重重物24相当于改变顶部张力，从而对顶部张力的大小进行控制。双轴电机41与钻管10钢管部分连接，改变电机的功率可以改变钻管10的转速，从而模拟不同转速下的钻管10运动。

进一步优化，本实施例中，顶部张力施加装置的三角圆环结构包括第一圆环21a、第二圆环21b和第三圆环21c，三个圆环呈三角形排列并通过刚性钢条依次相连形成稳定的三角结构，保证顶部张力的稳定传递，钻管10上端通过第一滚珠花键14a与位于底部的刚性钢条中心位置转动连接，能够将配重重物24的重力转化成钻管10的轴向顶部张力，并保证钻管旋转时顶部张力作用在钻管的轴心线上。绳索与位于顶部的第二圆环21b连接。顶部张力施加装置的吊环结构包括水平排列的第一吊环23a和第二吊环23b。

进一步优化，本实施例中，实验装置还包括第一支撑平板71a、第二支撑平板71b、支撑杆72，循环水槽31的盖体311上表面固定安装有两个平行设置的支撑桁架73，第一支撑平板71a固定安装于支撑桁架73上，第二支撑平板71b平行设置于第一支撑平板71a的上方，两块支撑平板之间通过若干根支撑杆72相连。第一支撑平板71a、第二支撑平板71b、支撑杆72组成顶部张力施加装置与双轴电机41的安装支撑结构。双轴电机41安装于第一支撑平板71a的上表面，第一吊环23a与第二吊环23b固定安装于第二支撑平板71b的下表面。配重重物24与三角圆环结构悬挂于第一支撑平板71a与第二支撑平板71b中间的空间，张力计22设于第一吊环23a与第二圆环之间。

进一步优化，本实施例中，流速计32位于水流中，它通过一个固定条安装于支撑桁架73上。

进一步优化，本实施例中，底部固定平板81两侧分别固定安装有第一底部固定桁架82a和第二底部固定桁架82b，对底部固定平板81进行固定和限位。

本发明还提出了上述水流中钻管10运动模拟实验装置的实验方法，包括以下步骤：

(1)依次安装水流控制测量系统、钻管10、顶部张力施加装置、驱动系统、运动采集系统和电脑PC60。

(2)控制钻管10运动模拟时的变量，变量包括水流速度、顶部张力及钻管10转速：利用循环水槽31的控制系统对水流速度大小进行控制，设定所需流速，通过所述流速计32对循环水槽31中的流速大小进行测量，流速计32的测量数据传输至电脑PC60中；通过改变所述配重重物24的质量，得到所需的顶部张力；通过电脑PC60和电机控制器42改变所述双轴电机41的功率，获得所需的钻管10转速；

(3)钻管10运动测量分析：通过所述第一高速相机51a和第二高速相机51b对钻管10上标定点的运动进行追踪测量，并通过安装在电脑PC60中的高速运动分析软件对钻管10在水流中的运动进行分析。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种水流中钻管运动模拟实验装置，其特征在于，包括钻管、顶部张力施加装置、水流控制测量系统、驱动系统和运动采集系统；

所述水流控制测量系统包括循环水槽和流速计，所述循环水槽壳体内设有水流控制系统，所述流速计安装于循环水槽内，循环水槽上端开口并配置盖体；

所述驱动系统包括双轴电机；

所述顶部张力施加装置设置于所述循环水槽盖体的上方，包括绳索、三角圆环结构、吊环结构、配重重物和张力计，所述绳索的一端连接所述三角圆环结构，绳索的另一端绕过所述吊环结构后与所述配重重物连接，所述张力计安装于所述绳索上；

所述钻管下部位于所述循环水槽内，其下端与循环水槽底部转动连接，钻管上部从循环水槽的盖体穿出后与所述双轴电机连接，钻管上端与所述三角圆环结构转动连接，所述钻管上设有标定点；

所述运动采集系统包括安装于所述循环水槽中的第一高速相机和第二高速相机，所述第一高速相机与第二高速相机成一定角度布置，对钻管上标定点的运动进行追踪。

2.根据权利要求1所述的水流中钻管运动模拟实验装置，其特征在于，所述钻管包括位于中部的塑料管，以及分别位于所述塑料管上、下两端的上段钢管与下段钢管，所述塑料管上端与上段钢管之间通过第一双螺旋连接键固定连接，塑料管下端与下段钢管之间通过第二双螺旋连接键固定连接。

3.根据权利要求2所述的水流中钻管运动模拟实验装置，其特征在于，所述上段钢管的中部安装所述双轴电机，上段钢管的上端通过第一滚珠花键与所述三角圆环结构实现转动连接，所述下段钢管的下端通过第二滚珠花键与底部固定平板转动连接，所述底部固定平板固定安装于所述循环水槽底部。

4.根据权利要求1所述的水流中钻管运动模拟实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括电脑PC，所述第一高速相机和第二高速相机均与所述电脑PC连接，电脑PC内装有高速运动分析软件对钻管运动数据进行采集和分析，并对钻管的运动特性进行研究；所述流速计与所述电脑PC连接。

5.根据权利要求4所述的水流中钻管运动模拟实验装置，其特征在于，所述驱动系统还包括电机控制器，所述双轴电机与电机控制器连接，电机控制器与所述电脑PC连接。

6.根据权利要求1所述的水流中钻管运动模拟实验装置，其特征在于，所述顶部张力施加装置的三角圆环结构包括第一圆环、第二圆环和第三圆环，三个圆环呈三角形排列并通过连接杆依次相连，所述钻管上端与位于底部的连接杆转动连接，所述绳索与位于顶部的第二圆环连接；所述顶部张力施加装置的吊环结构包括水平排列的第一吊环和第二吊环。

7.根据权利要求6所述的水流中钻管运动模拟实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括第一支撑平板、第二支撑平板、支撑杆，所述循环水槽的盖体上表面固定安装有两个平行设置的支撑桁架，所述第一支撑平板固定安装于所述支撑桁架上，所述第二支撑平板平行设置于第一支撑平板的上方，两块支撑平板之间通过若干根所述支撑杆相连；所述双轴电机安装于所述第一支撑平板的上表面，所述第一吊环与第二吊环固定安装于所述第二支撑平板的下表面；所述配重重物与三角圆环结构悬挂于第一支撑平板与第二支撑平板中间的空间。

8.根据权利要求1所述的水流中钻管运动模拟实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按要求组装所述水流中钻管运动模拟实验装置；

(2)控制钻管运动模拟时的变量，变量包括水流速度、顶部张力及钻管转速：利用循环水槽的控制系统对水流速度大小进行控制，设定所需流速，通过所述流速计对循环水槽中的流速大小进行测量，流速计的测量数据传输至电脑PC中；通过改变所述配重重物的质量，得到所需的顶部张力；通过改变所述双轴电机的功率，获得所需的钻管转速；

(3)钻管运动测量分析：通过所述第一高速相机和第二高速相机对钻管上标定点的运动进行追踪测量，并通过安装在电脑PC中的高速运动分析软件对钻管在水流中的运动进行分析。