CN112014009A - 旋挖钻机扭矩及压力载荷谱测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布一种旋挖钻机扭矩及压力载荷谱测试方法，属于机器载荷谱测试技术领域。步骤如下：①设计弹性体；②在弹性体上布置下压力应变片；③在弹性体上布置扭矩应变片；④搭建扭矩和下压力标定试验台；⑤将弹性体上端与旋挖钻机的钻杆下端连接，弹性体下端与旋挖钻机的钻头上端连接；⑥选取施工介质；⑦选取施工工艺；⑧记录施工过程中对应施工工艺中的下压力、扭矩、应变值数据。本发明实现了直接测量钻杆所受的扭矩和下压力的目的，弹性体传感器可重复性较好，测试结果比较稳定，直接测量能够得到更为准确和直接的结果，并且两个弹性体传感器均以标定完毕，也可用于后续的相关机型试验。

Description

旋挖钻机扭矩及压力载荷谱测试方法

技术领域

本发明涉及机器载荷谱测试技术领域，具体是一种旋挖钻机扭矩及压力载荷谱测试方法。

背景技术

机器载荷谱的收集可以为机械设计及整机性能匹配检验数字化样机等提供基础性的数据输入。旋挖钻机是一种预制桩孔施工设备，目前旋挖钻机载荷谱的获取基本采取非直接测量的方式，即通过采集动力头及加压油缸的压力变化计算出加压力和扭矩的变化，由于测量部位与载荷输入部位存在多级结构的连接以及压力的分配及损失的估算还需要进一步提升，因此其精度及敏感程度大幅度降低。作为一项基础性输入，载荷谱的不准确给后续产品设计以及性能检测带来偏差及失效。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种旋挖钻机扭矩及压力载荷谱测试方法。

本发明通过以下技术方案实现：一种旋挖钻机扭矩及压力载荷谱测试方法，步骤如下：

①设计弹性体，弹性体中部为圆柱体；

②在弹性体上布置下压力应变片，下压力应变片实时采集数据并采用无线通讯传送至计算机；

所述下压力应变片采用全桥接法，包括四个应变片ε21、ε22、ε23、ε24；在圆柱体前侧、沿轴线方向粘贴一个应变片ε21、沿垂直轴线方向粘贴应变片ε22，在圆柱体后侧、沿轴线方向粘贴一个应变片应变片23、沿垂直轴线方向粘贴应变片应变片24；

③在弹性体上布置扭矩应变片，扭矩应变片实时采集数据并采用无线通讯传送至计算机；

所述扭矩应变片采用全桥接法，包括四个应变片ε11、ε12、ε13、ε14；在圆柱体前侧、沿与轴线呈±45°方向分别粘贴电阻应变片ε11、ε12，在圆柱体后侧、沿与轴线呈±45°方向分别粘贴电阻应变片ε13、ε14；

④搭建扭矩和下压力标定试验台，将布置好下压力应变片、扭矩应变片的弹性体安装在标定试验台，给弹性体加载下压力和扭矩；

按照顺序接入惠斯通电桥组成两个测试组合应变，利用加载设备和载荷传感器分别进行弹性体所受扭矩和压力标定试验，直至达到最大载荷后卸载，将应变和载荷输入计算机，经换算得到对应扭矩和压力下的载荷和应变关系；

⑤将弹性体上端与旋挖钻机的钻杆下端连接，弹性体下端与旋挖钻机的钻头上端连接；

⑥选取施工介质；

⑦选取施工工艺；

施工工艺包括两种，一种施工工艺为钻孔L1mm后扩孔至L2mm；

另一种施工工艺为钻孔L2mm；

⑧记录施工过程中对应施工工艺中的下压力、扭矩、应变值数据。

其进一步是：所述弹性体上端为方形套筒，弹性体上端的方形套筒套装在钻杆下端的方头结构上，并通过插销固定；弹性体中部呈圆柱筒形，用于应变片的布置；弹性体下端为方头，弹性体下端的方头套装在钻具上端的方形孔中，并通过插销固定。

所述弹性体材质为Q345B，弹性体中部圆柱筒形处的外径为242mm、壁厚为48.4mm。

所述钻孔L1mm后扩孔至L2mm的施工工艺的测试工序为：

钻孔L1mm：L1mm截齿筒钻钻孔——L1mm捞沙斗取土——回转倒土；

扩孔至L2mm：L2mm截齿筒钻扩孔—L2mm捞沙斗取土——回转倒土；

对L1mm截齿筒钻钻孔、L2mm截齿筒钻扩孔过程中加压力与扭矩的变化进行全程测量；

对L1mm捞沙斗取土、L2mm捞沙斗取土、回转倒土过程中加压力与扭矩的变化不测量。

所述钻孔L2mm的施工工艺的测试工序为：

钻孔L2mm：L2mm截齿筒钻钻孔——L2mm捞沙斗取土——回转倒土；

对L2mm截齿筒钻钻孔过程中加压力与扭矩的变化进行全程测量；

对21mm捞沙斗取土、回转倒土过程中加压力与扭矩的变化不测量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过带有应变片的弹性体传感器连接钻杆、钻头实现了直接测量钻杆所受的扭矩和下压力的目的；弹性体传感器可重复性较好，测试结果比较稳定，直接测量能够得到更为准确和直接的结果，并且两个弹性体传感器均以标定完毕，也可用于后续的相关机型试验。

附图说明

图1是旋挖钻机钻孔试验示意图；

图2是图1中弹性体与钻杆、钻头连接示意图；

图3是本发明实施例中弹性体主视图；

图4是本发明实施例中弹性体左视图；

图5是本发明实施例中弹性体右视图；

图6是本发明实施例中弹性体俯视图。

图7是弹性体应变片布置图；

图8是弹性体标定示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

载荷的确定

旋挖钻机可以在土层软岩层进行钻孔作业。如图1和2所示，钻杆3下端为方头结构，钻头4上端为方形孔结构。工作时钻杆3方头插入钻头4的方形孔中，并用插销固定防止钻头4脱落。

在工作过程中，通过作用在钻杆3上的加压油缸1及动力头2同时提供向下的加压力和扭矩，钻杆3带动钻头4向下旋转取土，实现钻孔作业。当钻头4里的土满以后，通过卷扬带动钢丝绳提升钻杆3和钻头4至地面卸土。如此反复循环直至达到预定深度，可以发现旋挖钻机的主要工作流程为钻孔——提升——回转倒土这样一个反复循环的过程。因此旋挖钻机的外载荷主要是：

1.钻孔过程中工作介质通过加压油缸1以及动力头2反作用于旋挖钻机的加压反作用力以及回转反作用力；

2.提升过程中钻杆3钻头4以及挖取的工作介质反作用于旋挖钻机的拉力。

以XR400E旋挖钻机为例，本实施例公布一种旋挖钻机扭矩及压力载荷谱测试方法，

步骤如下：

①设计弹性体；

弹性体6满足三个要求：1、要承受住最大扭矩和下压力；2、制造精度要足够高，可重复好，不能在测试过程中出现严重的塑性变形；3、在满足强度要求的基础上，壁厚要尽可能小，满足灵敏性的要求；

在工作过程中，通过作用在钻杆上的加压油缸及动力头同时提供向下的压力和扭矩，钻杆带动钻头向下旋转取土，实现钻孔作业。依据工作原理和相应机器的型号确认最大载荷：扭矩M_max，压力F_max。选定好材料和安全系数后，许用切应力[σ]和许用应力[τ]，计算弹性体的圆柱区域内外径D、d过程如下：

依据式确认D、d的范围后，结合钻杆和钻具的尺寸确认方头尺寸，完成弹性体的尺寸设计，如图3-6所示。

②在弹性体上布置下压力应变片，下压力应变片实时采集数据并采用无线通讯传送至计算机；

所述下压力应变片采用全桥接法，包括四个应变片ε21、ε22、ε23、ε24；在圆柱体前侧、沿轴线方向粘贴一个应变片ε21、沿垂直轴线方向粘贴应变片ε22，在圆柱体后侧、沿轴线方向粘贴一个应变片应变片23、沿垂直轴线方向粘贴应变片应变片24。

③在弹性体上布置扭矩应变片，扭矩应变片实时采集数据并采用无线通讯传送至计算机；

所述扭矩应变片采用全桥接法，包括四个应变片ε11、ε12、ε13、ε14；在圆柱体前侧、沿与轴线呈±45°方向分别粘贴电阻应变片ε11、ε12，在圆柱体后侧、沿与轴线呈±45°方向分别粘贴电阻应变片ε13、ε14。

④搭建扭矩和下压力标定试验台，将布置好下压力应变片、扭矩应变片的弹性体安装在标定试验台，给弹性体加载下压力和扭矩；

按照顺序接入惠斯通电桥组成两个测试组合应变，利用加载设备和载荷传感器分别进行弹性体所受扭矩和压力标定试验，直至达到最大载荷后卸载，将应变和载荷输入计算机，经换算得到对应扭矩和压力下的载荷和应变关系；

本实施例中，应变片ε11与ε14、ε12与ε13、ε21与ε23、ε22与ε24前后对称布片，如图7所示，图8所示，

试验时将电阻应变片ε11、ε12、ε13、ε14；ε21、ε22、ε23、ε24分别按1、2、3、4顺序接入惠斯通电桥四个桥臂，那么两个组合应变S1、S2的输出值为：

S1＝ε₁₁-ε₁₂+ε₁₃-ε₁₄ (3)

S2＝ε₂₁-ε₂₂+ε₂₃-ε₂₄ (4)

当钻杆只受到扭矩时，根据梁的变形和贴片的特点，可以得出：

S1＝4ε₁₁ S2＝2ε₂₂ (5)

当钻杆只受到压力时，根据梁的变形和贴片的贴点，可以得出：

S1＝0 S2＝2(1+μ)ε₂₁ (6)

式中，μ是构件的泊松比。

由上述公式，可知当钻杆受扭矩T和压力F共同作用时，可以得出：

S1＝k₁T (7)

S2＝k₂T+k₃F (8)

其中，k₁、k₂、k₃为常数，也就是通过扭矩和压力分别对钻杆进行单向加载时，得到的标定系数。

在标定系数已知的情况下，可以得出真实的扭矩和压力换算公式：

进而可以得到扭矩T和压力F的最终计算公式：

T＝A₁S1 (11)

F＝A₂S1+A₃S2 (12)

其中，S1为全桥扭矩应变值，S2为全桥压力应变值；A₁、A₂、A₃为最终的计算系数，

我们只需要在单项载荷标定试验中，记录加载的载荷及S1和S2应变桥的试验数据，即可计算出最终的系数A₁，A₂，A₃，单位量纲分别为kNm/μN，kN/μN，kN/μN。

⑤现场试验时，将弹性体上端与旋挖钻机的钻杆下端连接，弹性体下端与旋挖钻机的钻头上端连接。

⑥选取施工介质；

XR400E旋挖钻机性能参数表可以确定XR400E旋挖钻机的钻孔直径最大可达2500mm；钻孔深度可达110米；动力头输出扭矩可达360KN.m，旋挖钻机施工介质可以覆盖从砂土层到软岩层。这样可以组合成多种工况，测试工况及测试数据会非常庞大。本实施例选取施工介质为硬度为单轴饱和和抗压强度50-60Mpa的砂岩层进行钻孔测试，根据钻机的施工能力，选取钻孔2000mm较为适宜。

⑦选取施工工艺；

施工工艺选取以下两种：

1.钻孔1500mm后扩孔至2000mmm；

2.钻孔2000mm；

施工参数相对于XR400E旋挖钻机的施工能力以及常用的施工领域非常具有典型性。同时此组数据的测试对于旋挖钻机极限工况的测试具有意义；

详细的测试工序为：

1.钻孔1500mm：1500mm截齿筒钻钻孔——1500mm捞沙斗取土——回转倒土；

扩孔至2000mm：2000mm截齿筒钻扩孔—2000mm捞沙斗取土——回转倒土；

2.钻孔2000mm：2000mm截齿筒钻钻孔——2000mm捞沙斗取土——回转倒土。

⑧记录实时的应变值，通过公式换算即可得到相应测试工况下的实时扭矩和压力值；

测试的三个工序中，钻孔以及扩孔工序是最主要的环节，其加压力与扭矩随着对岩石的破坏发生变化，需要全程测量。取土环节以及回转倒土由于载荷变化很小可以看做是静载，不测量。

Claims (5)

1.一种旋挖钻机扭矩及压力载荷谱测试方法，其特征在于，步骤如下：

①设计弹性体，弹性体中部为圆柱体；

②在弹性体上布置下压力应变片，下压力应变片实时采集数据并采用无线通讯传送至计算机；

所述下压力应变片采用全桥接法，包括四个应变片ε21、ε22、ε23、ε24；在圆柱体前侧、沿轴线方向粘贴一个应变片ε21、沿垂直轴线方向粘贴应变片ε22，在圆柱体后侧、沿轴线方向粘贴一个应变片应变片23、沿垂直轴线方向粘贴应变片应变片24；

③在弹性体上布置扭矩应变片，扭矩应变片实时采集数据并采用无线通讯传送至计算机；

所述扭矩应变片采用全桥接法，包括四个应变片ε11、ε12、ε13、ε14；在圆柱体前侧、沿与轴线呈+45^o方向分别粘贴电阻应变片ε11、ε12，在圆柱体后侧、沿与轴线呈+45^o方向分别粘贴电阻应变片ε13、ε14；

④搭建扭矩和下压力标定试验台，将布置好下压力应变片、扭矩应变片的弹性体安装在标定试验台，给弹性体加载下压力和扭矩；

按照顺序接入惠斯通电桥组成两个测试组合应变，利用加载设备和载荷传感器分别进行弹性体所受扭矩和压力标定试验，直至达到最大载荷后卸载，将应变和载荷输入计算机，经换算得到对应扭矩和压力下的载荷和应变关系；

⑤将弹性体上端与旋挖钻机的钻杆下端连接，弹性体下端与旋挖钻机的钻头上端连接；

⑥选取施工介质；

⑦选取施工工艺；

施工工艺包括两种，一种施工工艺为钻孔L1mm后扩孔至L2mm；

另一种施工工艺为钻孔L2mm；

⑧记录施工过程中对应施工工艺中的下压力、扭矩、应变值数据。

2.根据权利要求1所述的旋挖钻机扭矩及压力载荷谱测试方法，其特征在于：所述弹性体上端为方形套筒，弹性体上端的方形套筒套装在钻杆下端的方头结构上，并通过插销固定；弹性体中部呈圆柱筒形，用于应变片的布置；弹性体下端为方头，弹性体下端的方头套装在钻具上端的方形孔中，并通过插销固定。

3.根据权利要求2所述的旋挖钻机扭矩及压力载荷谱测试方法，其特征在于：所述弹性体材质为Q345B，弹性体中部圆柱筒形处的外径为242mm、壁厚为48.4mm。

4.根据权利要求1所述的旋挖钻机扭矩及压力载荷谱测试方法，其特征在于：所述钻孔L1mm后扩孔至L2mm的施工工艺的测试工序为：

钻孔L1mm：L1mm截齿筒钻钻孔——L1mm捞沙斗取土——回转倒土；

扩孔至L2mm：L2mm截齿筒钻扩孔—L2mm捞沙斗取土——回转倒土；

对L1mm截齿筒钻钻孔、L2mm截齿筒钻扩孔过程中加压力与扭矩的变化进行全程测量；

对L1mm捞沙斗取土、L2mm捞沙斗取土、回转倒土过程中加压力与扭矩的变化不测量。

5.根据权利要求1所述的旋挖钻机扭矩及压力载荷谱测试方法，其特征在于：所述钻孔L2mm的施工工艺的测试工序为：

钻孔L2mm：L2mm截齿筒钻钻孔——L2mm捞沙斗取土——回转倒土；

对L2mm截齿筒钻钻孔过程中加压力与扭矩的变化进行全程测量；

对21mm捞沙斗取土、回转倒土过程中加压力与扭矩的变化不测量。

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