一种钻机起拔与回转复合测试系统及方法与流程

1.本发明属于钻机性能测试技术领域，具体涉及一种钻机起拔与回转复合测试系统及方法。


背景技术：

2.钻机主要执行动作包括回转器回转及起拔，钻探作业时，反映为回转器绕回转中心转动及回转器沿回转中心轴向移动的复合动作，对钻机能力及性能的评价，主要是通过测试钻机回转特性及提升下放能力。常见的测试方法有静态测试和动态测试两种，静态测试只能对钻机的最大回转转矩及最大提升力进行测试，由于无法实现动态加载，不能完全模拟钻机的真实工况，无法较全面的掌握钻机的实际性能。另一种方法是动态测试，具体是通过台架试验，利用模拟加载装置为动力头回转及提升系统进行动态模拟加载，并实时进行相关数据监测，从而较全面的了解能力及性能。
3.钻机工作过程中，动力头回转与给进起拔同时执行，钻机负载为复合负载，为研究钻机动态特性，需要测试系统能够真实的模拟钻机实际工况，回转测试一般采用扭矩传感器检测，测试过程中，扭矩传感器只能承受周向负载，不能承受轴向负载，因此测试过程中，主轴轴向必须保持相对静止，而给进起拔测试需要采用拉力传感器，现有拉力传感器只能承受轴向力而不能承受周向载荷，而且钻机给进测试中，需要测试传感器及加载设备能够沿轴向做一定的位移，而受制于现有测试方法及手段的限制，无法进行回转及起拔复合加载动态测试，一般是先连接钻机回转器与回转测试装置，通过回转测试系统对钻机回转器动态加载，此时回转器只转动而不提升或下放，然后重新连接钻机回转器与起拔测试装置，通过起拔检测装置进行起拔测试，此时回转器不转动，只能对钻进回转能力及提升能力进行单独测试。钻机过程中是钻机回转器回转与起拔复合动作，通过回转及起拔单独动态测试，仍然与实际工况不符，不能反映钻机的真实工况，因此获得的数据不足以支撑钻机性能进一步的研究。另一方面，由于现有测试过程中，需要分别连接回转测试装置及起拔测试装置进行测试，以某煤层气钻机为例，设备总重超过60吨，长度超过13米，测试过程中，需要先将动力头回转中心轴与回转测试台中心轴对齐，测试结束后，挪动钻机再次将动力头回转中心与给进起拔测试台中心轴对齐，测试设备一般要求回转中心同轴度高，在实际使用中，单对中一次就需要花费数小时才能完成，费时而且费力。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本发明提供了一种钻机起拔与回转复合测试系统及方法，以解决现有的钻机测试装置测试过程负载、测试辅助周期长，辅助过程需要投入大量的人力和物力，而且存在无法实现复合测试，而不能真实的反映钻机实际工况，使得测试人员不能全面了解钻机状态的难题。
5.本发明具体采用如下技术方案予以实现：
6.一种钻机起拔与回转复合测试装置，包括滑动轴、变速箱、扭矩传感器、第一基座、
转动分离箱、防转导轨、拉压力传感器、用于模拟回转负载的测功机和用于模拟轴向负载的阻力油缸；
7.所述滑动轴包括主体轴和连接在主体轴两端的上接头、下接头，所述上接头用于与钻机动力头连接；所述主体轴与变速箱输入轴滑动连接，所述主体轴能够沿其轴向自由滑动；所述变速箱输出轴依次连接扭矩传感器和测功机；所述变速箱、测功机均连接在第一基座上；
8.所述转动分离箱包括连接轴和底座，所述连接轴、底座、拉压力传感器、阻力油缸依次同轴连接，且所述连接轴能够绕其轴向自由转动，所述连接轴与所述下接头连接；
9.所述防转导轨连接在第一基座上，所述防转导轨沿滑动轴轴向设置，所述底座上设置有与所述防转导轨匹配的导向孔。
10.优选的，所述变速箱输入轴上设置有中心通孔，所述中心通孔为矩形孔或者在中心通孔孔壁上设置有内花键，所述主体轴设置为与所述矩形孔匹配的矩形轴或沿主体轴圆周方向设置有与所述内花键匹配的外花键。
11.优选的，所述变速箱输入轴与变速箱输出轴垂直布置。
12.优选的，所述转动分离箱的底座包括套筒、轴承、锁母、底板和导向轴套，所述轴承设置在连接轴与套筒之间，所述锁母连接在套筒内，所述连接轴与所述锁母连接；所述套筒与底板连接，底板与拉压力传感器连接；所述导向轴套套接在套筒上，所述导向轴套上设置有所述导向孔。
13.进一步优选的，所述底板底部设置有耳板，所述耳板上设置有销轴孔，所述拉压力传感器通过销轴孔铰接在耳板上。
14.优选的，所述连接轴一端设置有法兰，所述法兰上设置有螺纹孔；所述连接轴为中空轴。
15.优选的，所述变速箱输出轴与扭矩传感器之间连接有扭矩限制器。
16.进一步的，该测试装置还包括第二基座和摩擦桩，所述阻力油缸通过油缸支座连接在第二基座上，所述摩擦桩连接在第二基座底部。
17.本发明还公开了一种钻机起拔与回转复合测试方法，该方法采用本发明的钻机起拔与回转复合测试装置进行测试，测试过程具体包括以下步骤：
18.步骤1，调整钻机使钻机动力头与滑动轴轴向对齐，连接钻机动力头与滑动轴；
19.步骤2，启动钻机，钻机动力头转动，滑动轴转动带动变速箱输入轴转动，经变速箱升速后拖动测功机转动，测功机模拟加载，通过扭矩传感器采集数据；钻机动力头提升，阻力油缸模拟加载，通过拉压力传感器采集数据；
20.步骤3，获得数据后，钻机停止提升，阻力油缸停止加载；测功机停止回转加载，钻机动力头停止回转，结束测试。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
22.本发明通过扭矩传感器+测功机测试钻机回转器回转性能，通过拉压力传感器+阻力油缸测试钻机起拔系统性能，通过设置有转动分离箱保证滑动轴转动不传导至拉压力传感器及阻力油缸，从而进行回转系统测试的同时，实现钻机给进或起拔测试，较真实的反映了钻机的实际工况，有利于测试人员较全面的了解钻机性能，同时由于实现了复合测试，测试过程中只需要连接一次钻机与测试系统，因而节省了大量的时间、人力和物力。
23.本发明的其他优点在具体实施方式中进行详细说明。
附图说明
24.图1是本发明实施例记载的钻机起拔与回转复合测试装置布局图。
25.图2是本发明实施例记载的转动分离箱部分局部放大图。
26.图3是本发明实施例记载的转动分离箱结构图。
27.图4是本发明实施例记载的变速箱正视图。
28.图5是本发明实施例记载的变速箱俯视图。
29.图6是本发明实施例记载的滑动轴结构图。
30.图7是本发明实施例记载的测试方法测试结果。
31.图8是现有常规测试方法测试结果。
32.图中各标号说明：
33.1-滑动轴，2-变速箱，3-扭矩传感器，4-第一基座，5-转动分离箱，6-防转导轨，7-拉压力传感器，8-测功机，9-阻力油缸，10-扭矩限制器，11-第二基座，12-摩擦桩，13-油缸支座，14-地基，15-钻机；
34.101-主体轴，102-上接头，103-下接头，104-外花键；
35.201-箱体，202-变速箱输入轴，203-变速箱输出轴，204-中心通孔，205-内花键；
36.501-连接轴，502-底座，503-套筒，504-轴承，505-锁母，506-底板，507-导向轴套，508-导向孔，509-耳板，510-销轴孔，511-螺钉，512-法兰，513-螺纹孔。
具体实施方式
37.以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。
38.在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、底、顶”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指以相应附图的轮廓为基准定义的，“前方、后方”是指以气体流动方向为基准定义的。
39.本发明并不局限于以下具体实施例，在下述具体实施例中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视其为本发明所公开的内容。
40.本发明具体实施例公开了一种钻机起拔与回转复合测试装置，如图1所示，本实施例的钻机起拔与回转复合测试装置包括滑动轴1、变速箱2、扭矩传感器3、第一基座4、转动分离箱5、防转导轨6、拉压力传感器7、测功机8和阻力油缸9；其中，扭矩传感器3用于实时检测变速箱输出轴203转速及转矩，测功机8用于模拟动态回转负载，实现钻机回转动态测试，阻力油缸9用于模拟轴向负载，即起拔负载，拉压力传感器7用于检测轴向起拔力。
41.如图6所示，本实施例的滑动轴1包括主体轴101和连接在主体轴101两端的上接头102、下接头103，上接头102用于与钻机动力头连接，下接头103用于与转动分离箱5连接。主体轴101与变速箱输入轴202滑动连接，且主体轴101能够沿其轴向自由滑动，具体的，变速
箱输入轴202上设置有中心通孔204，中心通孔204为矩形孔或者在中心通孔204孔壁上设置有内花键205，图5所示为内花键结构，主体轴101设置为与矩形孔匹配的矩形轴或沿主体轴101圆周方向设置有与内花键205匹配的外花键104。主体轴101插入中心通孔204中，实现主体轴101与变速箱输入轴202滑动连接，相应的，第一基座4上也设置有供主体轴的下接头103穿过的孔。外花键104与内花键205配合、或者矩形孔与矩形轴配合组成轴向滑动副，使得主体轴101只在回转时与变速箱输入轴202啮合受力，在沿变速箱输入轴202轴向滑动时不受力。
42.如图4所示，本实施例的变速箱2包括箱体201、变速箱输入轴202和变速箱输出轴203，变速箱输入轴202与变速箱输出轴203垂直布置，如图1所示，变速箱输出轴202沿水平方向，变速箱输入轴203沿竖直方向，这样便于优化装置整体布置。变速箱输出轴203依次连接扭矩传感器3和测功机8。变速箱2为升速箱，滑动轴1转动带动变速箱输入轴202转动，经变速箱升速后，拖动测功机8转动，测功机8模拟回转负载。测功机8优选电力测功机。最好的，在变速箱输出轴203与扭矩传感器3之间连接有扭矩限制器10，在回转器过载时，扭矩限制器10脱开扭矩传感器3从而保护扭矩传感器3及测功机8。另外，扭矩传感器3与扭矩限制器10之间、扭矩传感器3与测功机8之间均通过联轴器连接。
43.如图1所示，本实施例的第一基座4为板体，水平铺设在地基14上，变速箱2、测功机8固定在第一基座4上表面，防转导轨6固定在第一基座4下表面。
44.如图2和图3所示，转动分离箱5包括连接轴501和底座502，连接轴501、底座502、拉压力传感器7、阻力油缸9依次同轴连接，连接轴501还与下接头103固定连接，而且连接轴501能够绕其轴向自由转动。
45.如图3所示，本实施例优选的，底座502包括套筒503、轴承504、锁母505、底板506和导向轴套507。轴承504具体为圆锥滚轴轴承，可同时承受径向力和轴向力，轴承504设置在连接轴501与套筒503之间，锁母505连接在套筒503内，连接轴501底部与锁母505连接，锁母505用于限制连接轴501的轴向移动，避免起拔时将连接轴501拔出，但不限制连接轴501的回转自由度。
46.套筒503与底板506连接，导向轴套507套接在套筒503上，导向轴套507上设置有导向孔508，具体的，将导向轴套507夹在底板506与套筒503之间，再通过螺钉511将三者固定，方便拆装。
47.底板506与拉压力传感器7连接，具体的，底板506底部一体化加工有耳板509，耳板509上设置有销轴孔510，拉压力传感器7通过销轴孔510铰接在耳板509上，方便拆装。
48.本实施例的连接轴501为中空圆柱轴，可减小轴承504的承重。中空圆柱轴一端设置有法兰512，另一端插入套筒503中与锁母505连接，法兰512上设置有螺纹孔513与滑动轴1的下接头103通过螺栓固定连接。
49.防转导轨6连接在第一基座4上，防转导轨6沿滑动轴1轴向设置，防转导轨6插入导向孔508内，与导向孔508形成滑动副，当滑动轴1做回转与提升或下压复合动作时，由于防转导轨6限制，转动分离箱5的底座502只能做轴向运动，不能做圆周运动，从而保证拉压力传感器7只受正拉或正压负载。实现钻机起拔能力及性能测试。
50.作为本发明的其他优选实施方案，在上述实施例的基础上，还设置有第二基座11和摩擦桩12，如图1所示。阻力油缸9通过油缸支座13连接在第二基座11上，摩擦桩12连接在
第二基座11底部，第二基座11也为板体，板体边缘嵌在地基14中，摩擦桩12埋在地基14中，起抵抗提升和下压负载作用。
51.本发明的另一实施例中公开了一种钻机起拔与回转复合测试方法，该方法采用上述实施例记载的钻机起拔与回转复合测试装置进行测试，测试过程具体包括以下步骤：
52.步骤1，调整钻机15使钻机动力头1与滑动轴1轴向对齐，连接钻机动力头与滑动轴1；
53.步骤2，启动钻机，钻机动力头转动，滑动轴1转动带动变速箱输入轴202转动，经变速箱2升速后拖动测功机8转动，测功机8模拟加载，通过扭矩传感器3采集数据；钻机动力头提升，阻力油缸9模拟加载，通过拉压力传感器7采集数据；
54.步骤3，获得数据后，钻机停止提升，阻力油缸9停止加载；测功机8停止回转加载，钻机动力头停止回转，结束测试。
55.如图7所示为采用本发明的测试方法，通过同时模拟钻机给进和起拔复合作用，得到的测试结果，从图7中可以看出，给进起拔和回转的动态输出特性明显不是独立，当任意负载变化时，两者之间均有相互干扰，此时通过测试设计人员较为关注的钻机相关参数，可为钻机研发人员提供更为可靠的数据参考，从而更好的优化设计方案。
56.图8所示为现有常规测试方法的测试结果。其中，现有常规测试方法具体为：将钻机行驶至回转测试台架，竖立桅杆，检测钻机动力头主轴与测试台架主轴是否对齐，如果未对齐，落下桅杆继续挪动钻机然后再次竖立桅杆直至动力头主轴与回转测试台架主轴同轴度达到测试要求，连接动力头主轴与回转测试台架主轴，动力头主轴做周向回转完成回转动态加载。测试完成后，然后拆除两个主轴连接，落下桅杆，挪动钻机至给进起拔测试台，再一次重复主轴连接过程。
57.从图8可以看出，在现有常规测试中，由于给进起拔和回转单独测试，因此，无法观察两种运动状态同时做事时，钻机的运行及输出特性，从图中可以看出，当模拟回转负载变化时，图中曲线只能反映回转转矩的变化过程，观察给进起拔负载看不出任何变化，同样模拟给进起拔负载变化过程时，同样无法观察回转输出特性。钻机实际工作过程中，是给进起拔和回转同时作用，现有测试方法并不能体现两者之间的动态关系，同理在整机输出如钻机关键部位应力应变、动力输出、液压系统等并不能正式模拟钻探作业过程，对于设计人员来说，并不能完全得到真实的测试结果。
58.因此，本发明的钻进起拔复合测试装置和方法，可实现钻机起拔及回转复合测试，能够较真实的模拟钻机实际工况，帮助测试人员完成钻机性能测试，了解接近实钻状态下的钻机状态，为钻机的性能检测提供可靠数据参考。