CN110259431A - 一种基于摩擦纳米发电原理的涡轮钻具扭矩测量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于摩擦纳米发电原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，包括外筒、软承接轴、输入轴、输出轴和电路板，软承接轴设置于外筒内，输入轴上端密封连接外筒上端，下端连接软承接轴，输出轴上端连接软承接轴，下端密封连接外筒下端，软承接轴外壁设有环形的摩擦块，摩擦块环绕软承接轴设置，外筒内壁设有环形的摩擦层，摩擦层围绕摩擦块设置且二者表面均为不规则弧面，电路板分别连接摩擦块和摩擦层，软承接轴扭转形变使摩擦块与摩擦层接触并摩擦生电，电路板用于测量电压并根据电压计算接触面积，由接触面积计算出软承接轴形变程度，从而计算扭矩。本发明的有益效果：测量摩擦生电产生的电信号测量扭矩，避免应变片测量的温漂问题。
Description
技术领域
本发明涉及钻探仪器仪表技术领域，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电原理的涡轮钻具扭矩测量传感器。
背景技术
近年来，随着我国工业化、城镇化和农业现代化的加快推进，我国矿产资源供需矛盾日益突出，对矿产资源的需求呈刚性上升态势，矿产资源的供给和保障问题已成为制约我国经济发展的瓶颈问题，而当今国际矿产资源市场竞争激烈，依靠国际市场的难度加大，因此加快找矿突破、立足国内、增强矿产资源的保障能力，已经成为我国经济社会发展的重大战略问题，而我国传统的矿产资源中，浅层矿产资源已勘探开发殆尽，因此深部地质勘探和开发将成为必然。
在深部地质勘探时，由于钻孔深度较深，钻杆及钻头的受力状态将变得越发复杂，在复杂的合力作用下，钻孔的轨迹将复杂多变，由此导致钻杆旋转过程中与钻孔内壁的摩擦增大，导致钻机所提供的动力将很难传递到井底，从而大大降低钻进的效率，此外，较大的摩擦阻力还有可能磨断钻杆，造成钻探事故。因此，为提高深部钻探的效率及确保钻探安全，现阶段深部地质钻探多采用涡轮钻具进行。
对于涡轮钻具而言，其在井底工作时的扭矩参数是衡量其性能的重要指标之一，是司钻人员制定钻探工艺的重要参数，因此，有必要对涡轮钻具在井底工作时的扭矩进行测量，而现阶段针对涡轮钻具井下扭矩测量多采用粘贴应变片的方式进行测量，但在深部地质钻探的高温工作环境下，应变片的温漂问题无法解决，导致测量结果精度太差甚至得到错误的测量结果，因此急需一种可适应高温环境的涡轮钻具井下扭矩测量传感器。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种基于摩擦纳米发电原理的涡轮钻具扭矩测量传感器。
本发明的实施例提供一种基于摩擦纳米发电原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，包括外筒、软承接轴、输入轴、输出轴和电路板，所述软承接轴设置于所述外筒内，所述输入轴上端密封连接所述外筒上端，下端连接所述软承接轴，所述输出轴上端连接所述软承接轴，下端密封连接所述外筒下端，所述软承接轴外壁设有环形的摩擦块，所述摩擦块环绕所述软承接轴设置，所述外筒内壁设有环形的摩擦层，所述摩擦层围绕所述摩擦块设置，所述摩擦块表面和所述摩擦层表面均为不规则弧面，所述电路板分别连接所述摩擦块和所述摩擦层，所述输入轴用于连接涡轮钻具的涡轮节，所述输出轴用于连接所述涡轮钻具的支撑节，所述涡轮节驱动所述输入轴、所述软承接轴和所述输出轴转动，所述软承接轴扭转形变，使所述摩擦块与所述摩擦层接触并摩擦生电，所述电路板用于测量所述摩擦块与所述摩擦层之间的电压，并根据该电压计算出所述摩擦块与所述摩擦层接触面积，由接触面积计算出所述软承接轴形变程度，从而计算出涡轮钻具的扭矩。
进一步地，所述摩擦块、所述摩擦层和所述软承接轴高度相同，其三者上端平齐，所述摩擦块套设于所述软承接轴上并通过粘接固定。
进一步地，所述输入轴下端螺纹连接所述软承接轴上端，所述输出轴上端螺纹连接所述软承接轴下端。
进一步地，所述输入轴为T形阶梯轴，所述输入轴上端外壁与所述外筒上端内壁紧贴且连接处设有上密封圈，所述输入轴下端连接所述软承接轴上端。
进一步地，所述输出轴为十字形轴体，所述筒体下端设有插接孔，所述输出轴上端螺纹连接所述软承接轴下端，所述输出轴中部外壁与所述外筒内部贴合，所述输出轴下端贯穿所述插接孔且连接处设有下密封圈。
进一步地，所述摩擦块为铜质圆环片，所述摩擦层为聚四氟乙烯纳米材料层。
进一步地，所述输出轴设有台阶面，所述电路板通过紧固件固定于所述台阶面上。
进一步地，所述电路板设有纽扣电池，所述纽扣电池为所述电路板供电。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种基于摩擦纳米发电原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，软承接轴受扭矩作用形变，使所述摩擦块发生形变，进而与摩擦层接触并摩擦生电，扭矩大小影响摩擦面积的大小，通过测量接触摩擦后产生的电信号进行扭矩的测量，有效避免了传统应变片测量时的温漂问题。
附图说明
图1是本发明一种基于摩擦纳米发电原理的涡轮钻具扭矩测量传感器的主视剖视图；
图2是图1中的A-A剖面示意图；
图3是发明一种基于摩擦纳米发电原理的涡轮钻具扭矩测量传感器的工作状态示意图。
图中：1-外筒、2-上密封圈、3-摩擦层、4-固定螺钉、5-输出轴、6-下密封圈、7-电路板、8-摩擦块、9-软承接轴、10-输入轴、101-外壳、102-涡轮节、103-支撑节、104-钻头。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1和图2，本发明的实施例提供了一种基于摩擦纳米发电原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，包括外筒1、软承接轴9、输入轴10、输出轴5和电路板7。
所述外筒1为空心圆筒，所述外筒1上端开口，下端1设有环形片封口，所述环形片中部设有插接孔，所述外筒1内壁设有环形的嵌入槽，所述嵌入槽内设有环形的摩擦层3，所述摩擦层3表面(内壁)为不规则弧面。本实施例中所述摩擦层3为聚四氟乙烯纳米材料层，通过胶粘固定于所述嵌入槽内。
所述输出轴5为十字形轴体，所述输出轴5下端贯穿所述插接孔且连接处设有下密封圈6，本实施例中所述下密封圈6为O形密封圈，所述插接孔内壁设有密封槽，所述下密封圈6设置于所述密封槽内，且套于所述输出轴5上被所述输出轴5压紧密封，所述输出轴5上端伸入所述外筒1内部，且所述输出轴5上端设有外螺纹。
请参考图3，所述输出轴5与所述输入轴10之间通过所述软承接轴9连接，所述软承接轴9设置于所述外筒1内部，所述软承接轴9上下两端均设有螺纹孔，所述输出轴5上端螺纹连接所述软承接轴9下端，所述输入轴10为T形阶梯轴，所述输入轴10上端外壁与所述外筒1上端内壁紧贴且连接处设有上密封圈2，所述上密封圈也为O形密封圈，设置于所述外筒1内壁开设的密封槽内，且与所述输入轴10上端外壁紧贴密封，为了保证密封效果这里可以设置多个上密封圈2，所述输入轴10下端连接所述软承接轴9上端。
所述软承接轴9外壁设有环形外接槽，所述软承接轴9外接槽内设置环形的摩擦块8，所述摩擦块8表面(外壁)为不规则弧面。本实施例中所述摩擦块8为铜质圆环片，所述摩擦块8通过胶粘固定于所述外接槽内。所述摩擦层3围绕所述摩擦块8，且所述摩擦块8、所述摩擦层3和所述软承接轴9高度相同，其三者上端平齐。
所述电路板7分别连接所述摩擦层3和所述摩擦块8，本实施中所述输出轴5设有台阶面，所述台阶面上设有多个螺纹盲孔，所述电路板7通过固定螺钉4与所述螺纹盲孔连接，从而固定于所述台阶面上。所述电路板7设有纽扣电池，所述纽扣电池为所述电路板7供电。
请参考图3，本发明的一种基于摩擦纳米发电原理的涡轮钻具扭矩测量传感器工作时，所述输入轴10上端连接涡轮钻具的涡轮节102，所述输出轴5下端连接所述涡轮钻具的支撑节103，支撑节103连接钻头104，所述外筒1连接涡轮钻具的外壳101，所述涡轮钻具工作时，所述涡轮节102转动，带动所述输入轴10、所述软承接轴9、所述输出轴5、所述支撑节103和所述钻头104转动，所述外壳101和所述外筒1保持静止。
所述涡轮节101转动之前，所述摩擦层3和所述摩擦块8不接触，转动过程中所述软承接轴9受扭矩作用发生形变，带动所述摩擦块8扭转形变，所述摩擦层3静止，由于所述摩擦层3和所述摩擦块8表面均为不规则圆形，所述摩擦块8表面会部分与所述摩擦层3表面贴合摩擦，所述摩擦块8与所述摩擦层3摩擦生电使二者之间产生电压信号，电压信号的大小由所述摩擦块8与所述摩擦层3的摩擦面积决定，摩擦面积的改变将直接导致摩擦发电量的改变，即所产生的电压信号值改变，所述电路板7测量所述摩擦块8与所述摩擦层3之间的电压，并根据该电压计算出所述摩擦块8与所述摩擦层3的接触面积，由接触面积计算出所述软承接轴9形变程度，形变程度可计算出所述软承接轴9所受扭矩，所述软承接轴9所受扭矩即为涡轮钻具的扭矩。这里的计算过程可以在所述电路板7上设置微处理器进行，也可以将所述电路板7拆卸，连接计算机，通过计算机读取电路板7存储数据进行计算。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于摩擦纳米发电原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，其特征在于：包括外筒、软承接轴、输入轴、输出轴和电路板，所述软承接轴设置于所述外筒内，所述输入轴上端密封连接所述外筒上端，下端连接所述软承接轴，所述输出轴上端连接所述软承接轴，下端密封连接所述外筒下端，所述软承接轴外壁设有环形的摩擦块，所述摩擦块环绕所述软承接轴设置，所述外筒内壁设有环形的摩擦层，所述摩擦层围绕所述摩擦块设置，所述摩擦块表面和所述摩擦层表面均为不规则弧面，所述电路板分别连接所述摩擦块和所述摩擦层，所述输入轴用于连接涡轮钻具的涡轮节，所述输出轴用于连接所述涡轮钻具的支撑节，所述涡轮节驱动所述输入轴、所述软承接轴和所述输出轴转动，所述软承接轴扭转形变，使所述摩擦块与所述摩擦层接触并摩擦生电，所述电路板用于测量所述摩擦块与所述摩擦层之间的电压，并根据该电压计算出所述摩擦块与所述摩擦层接触面积，由接触面积计算出所述软承接轴形变程度，从而计算出涡轮钻具的扭矩。
2.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，其特征在于：所述摩擦块、所述摩擦层和所述软承接轴高度相同，其三者上端平齐，所述摩擦块套设于所述软承接轴上并通过粘接固定。
3.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，其特征在于：所述输入轴下端螺纹连接所述软承接轴上端，所述输出轴上端螺纹连接所述软承接轴下端。
4.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，其特征在于：所述输入轴为T形阶梯轴，所述输入轴上端外壁与所述外筒上端内壁紧贴且连接处设有上密封圈，所述输入轴下端连接所述软承接轴上端。
5.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，其特征在于：所述输出轴为十字形轴体，所述筒体下端设有插接孔，所述输出轴上端螺纹连接所述软承接轴下端，所述输出轴中部外壁与所述外筒内部贴合，所述输出轴下端贯穿所述插接孔且连接处设有下密封圈。
6.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，其特征在于：所述摩擦块为铜质圆环片，所述摩擦层为聚四氟乙烯纳米材料层。
7.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，其特征在于：所述输出轴设有台阶面，所述电路板通过紧固件固定于所述台阶面上。
8.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电原理的涡轮钻具扭矩测量传感器，其特征在于：所述电路板设有纽扣电池，所述纽扣电池为所述电路板供电。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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