鉆孔動(dòng)力學(xué)模擬測(cè)試系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種鉆孔動(dòng)力學(xué)模擬測(cè)試系統(tǒng)，由鉆進(jìn)模擬與測(cè)試、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析三部分構(gòu)成，用于沖擊、旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆進(jìn)過程的模擬，并實(shí)施材料沖擊、旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)-沖擊作用下的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試。鉆進(jìn)模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軸壓、沖擊速率、鉆頭轉(zhuǎn)速、鉆具扭矩、沖擊能以及鉆頭與巖石摩擦系數(shù)、摩擦力、鉆桿振動(dòng)等參量的測(cè)量；材料動(dòng)力學(xué)響應(yīng)系統(tǒng)可在有壓接觸、無壓接觸、無壓非接觸下進(jìn)行沖擊、旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)-沖擊荷載下的材料強(qiáng)度、動(dòng)摩擦等動(dòng)力學(xué)響應(yīng)測(cè)試。 本發(fā)明可適于各種鉆進(jìn)系統(tǒng)以及各種阻抗材料在不同沖擊和旋轉(zhuǎn)速率下的鉆進(jìn)參數(shù)及材料動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性測(cè)試。
【專利說明】
鉆孔動(dòng)力學(xué)模擬測(cè)試系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種鉆孔動(dòng)力學(xué)模擬測(cè)試系統(tǒng)，一種用于鉆進(jìn)過程實(shí)驗(yàn)?zāi)M與材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試的技術(shù)，一方面，本技術(shù)可用于沖擊、旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆進(jìn)過程的動(dòng)態(tài)模擬，并實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)工作參數(shù)、鉆頭與材料間摩擦特性等的測(cè)試;另一方面，可用于沖擊、旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)-沖擊下材料的動(dòng)力學(xué)特征的測(cè)試及分析。用以研究不同鉆進(jìn)條件下的鉆進(jìn)效果與鉆進(jìn)工作參數(shù)之間的關(guān)系以及材料在沖擊、旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)-沖擊作用下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性。屬鉆井工程及巖土力學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]沖擊、旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)-沖擊式鉆進(jìn)是地質(zhì)、巖土等勘察以及礦業(yè)生產(chǎn)等的主要鉆進(jìn)方式，在鉆進(jìn)過程中，鉆頭在一定軸壓作用下，受沖擊、旋轉(zhuǎn)或沖擊-旋轉(zhuǎn)作用，使巖石破碎形成鉆孔。鉆頭與孔底巖石相互作用時(shí)，鉆頭承受來自孔底巖石的荷載，使鉆具產(chǎn)生摩擦、振動(dòng)以及反射應(yīng)力波，直接影響鉆具的工作壽命和效率。對(duì)不同荷載下鉆頭-巖石界面摩擦、振動(dòng)及應(yīng)力波等特征進(jìn)行研究，對(duì)研究鉆進(jìn)機(jī)具、巖石破壞機(jī)理、地層地質(zhì)的實(shí)時(shí)評(píng)判等具有重要意義。
[0003]此外，在地質(zhì)及巖土工程勘察鉆探中，一直以來采用專門的鉆探以獲取巖土、地層地質(zhì)等有關(guān)信息，并通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試來獲取巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)與結(jié)構(gòu)特性。鉆勘需要進(jìn)行大量的取樣、鉆孔編錄、原位測(cè)試和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與檢測(cè)，工作繁重，而且效率低，時(shí)間長且滯后，影響工作進(jìn)程。迫切需要新的技術(shù)和方法，來解決鉆進(jìn)過程中信息的利用問題。
[0004]眾所周知，在鉆進(jìn)過程中，鉆桿承載了許多有用的信息，這些信息直接與所鉆地層巖石的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。然而，這些信息沒有被利用。因此，如果能充分利用鉆進(jìn)過程中的這些信息，則能為鉆進(jìn)過程中實(shí)時(shí)獲取地層巖土體物理力學(xué)及結(jié)構(gòu)特性提供新的方法。反過來，也可改進(jìn)鉆具的設(shè)計(jì)及工作參數(shù)的優(yōu)化。
[0005]在現(xiàn)有的材料動(dòng)力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)中，主要是單脈沖沖擊荷載下的材料動(dòng)力學(xué)特性測(cè)試，典型的技術(shù)是分離式霍普金森桿(SHPB)，但它不能測(cè)量旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)-沖擊作用下材料的動(dòng)力學(xué)特性。
[0006]本發(fā)明建立一種鉆孔動(dòng)力學(xué)模擬測(cè)試系統(tǒng)，既可以模擬沖擊、旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆進(jìn)過程，可實(shí)現(xiàn)對(duì)軸壓、扭矩、活塞沖擊速率、沖擊能及鉆頭和巖石試樣間的摩擦等進(jìn)行測(cè)量以及鉆進(jìn)效果的分析;又可以在上述荷載作用下實(shí)現(xiàn)有軸壓(有壓接觸)和無軸壓(無壓非接觸)條件下材料動(dòng)力學(xué)特性的測(cè)量和分析，可測(cè)量沖頭瞬發(fā)脈沖速率、沖擊壓力、轉(zhuǎn)速、沖擊能以及沖擊桿入/反射應(yīng)力波，測(cè)試和分析受荷材料的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度及摩擦等特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是建立一種鉆孔動(dòng)力學(xué)模擬的綜合測(cè)試系統(tǒng)，可在一定靜壓作業(yè)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、沖進(jìn)鉆進(jìn)以及旋轉(zhuǎn)-沖擊試驗(yàn)?zāi)M，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過程參數(shù)及材料動(dòng)力學(xué)與結(jié)構(gòu)特響應(yīng)特性的測(cè)試。同時(shí)，克服現(xiàn)有材料動(dòng)力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)中不能實(shí)施旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)-沖擊脈沖加載以及給實(shí)驗(yàn)桿施加軸向靜荷等局限性。
[0008]本發(fā)明一種鉆孔動(dòng)力學(xué)模擬測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括鉆進(jìn)模擬與測(cè)試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。其中，鉆進(jìn)模擬與測(cè)試系統(tǒng)是一種模擬沖擊、旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆進(jìn)和在此類荷載下測(cè)量材料動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)，可以測(cè)量鉆進(jìn)過程中軸壓、沖擊壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩，計(jì)算沖擊能、摩擦力及摩擦系數(shù)；同時(shí)對(duì)鉆進(jìn)過程中振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。此外，可在沖擊、旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)-沖擊荷載下測(cè)量材料的動(dòng)力學(xué)特性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過各類傳感器技術(shù)，測(cè)量鉆進(jìn)模擬時(shí)的工作參數(shù)以及材料動(dòng)力學(xué)測(cè)試時(shí)的荷載及應(yīng)變等參量，并進(jìn)行信號(hào)放大、轉(zhuǎn)換、集成后輸送給數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)通過示波器、計(jì)算機(jī)等終端和數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)和輸出。
[0009]所述鉆進(jìn)模擬測(cè)試系統(tǒng)，是鉆進(jìn)模擬與材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)的綜合試驗(yàn)系統(tǒng)，用于模擬鉆進(jìn)系統(tǒng)和給被測(cè)材料施加旋轉(zhuǎn)與脈沖荷載，并將脈沖發(fā)生單元產(chǎn)生的應(yīng)力脈沖通過實(shí)驗(yàn)桿傳遞給由旋轉(zhuǎn)單元輸出軸聯(lián)動(dòng)的載樣倉試樣，經(jīng)實(shí)驗(yàn)桿與試樣端面作用后應(yīng)力波反射回實(shí)驗(yàn)桿。本系統(tǒng)由測(cè)試平臺(tái)、加壓機(jī)構(gòu)、脈沖發(fā)生器、整形器、撞擊桿系、載樣倉及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)是一水平剛性支架，直接固定安裝在水平地面上。加壓機(jī)構(gòu)、脈沖發(fā)生器、動(dòng)量陷波器及鉆桿(實(shí)驗(yàn)桿，含整形器)通過支架固定安裝在系統(tǒng)平臺(tái)上，實(shí)驗(yàn)桿為帶肩圓桿。加壓機(jī)構(gòu)由滑塊、水平導(dǎo)軌和加壓推進(jìn)油缸組成，水平、固定安裝在支架上，活塞桿輸出端可與滑塊固聯(lián)，在水平活塞作用下施加水平軸向壓力，并沿導(dǎo)軌產(chǎn)生水平軸向位移。脈沖發(fā)生器由壓力源、調(diào)壓器、脈沖發(fā)射開關(guān)組成。整形單元由脈沖整形器、轉(zhuǎn)換閥及動(dòng)量陷波器組成。撞擊桿系由撞擊桿、實(shí)驗(yàn)桿及鉆頭組成。壓力源為壓縮空氣，由空氣壓縮機(jī)生成;載樣倉用以承載試樣，根據(jù)試樣形狀與規(guī)格，倉腔可設(shè)計(jì)為圓柱形、棱柱形等不同形狀和尺寸。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)電機(jī)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器及輸出軸組成，輸出軸與載樣倉固聯(lián)。
[0010]所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由壓力傳感器、測(cè)速傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、振動(dòng)傳感器、應(yīng)變傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換盒、數(shù)字式動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)集成箱構(gòu)成，將接收到的所述感測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和數(shù)字集成。
[0011 ]所述數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，將所述轉(zhuǎn)換和數(shù)字集成的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)接口及電纜傳輸?shù)剿鰯?shù)據(jù)分析系統(tǒng)如計(jì)算機(jī)、示波器等進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和輸出，并對(duì)鉆進(jìn)過程參數(shù)與材料的結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析、評(píng)判、存儲(chǔ)和輸出。
[0012]所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)的工作電壓為380V。
[0013]所述數(shù)字式動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的工作電壓為220V。
[0014]所述紅外光電測(cè)速傳感器的工作電壓為220V。
[0015]所述數(shù)據(jù)集成箱的工作電壓為DC12V。
[0016]本發(fā)明的有益效果是，由于采用上述技術(shù)方案，一方面，可以模擬沖擊、旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆進(jìn)過程，可以測(cè)試鉆進(jìn)工作參數(shù)、鉆頭-巖石摩擦特性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆進(jìn)材料動(dòng)力學(xué)特性的同步測(cè)試，實(shí)時(shí)反饋鉆進(jìn)工作參數(shù)與巖石力學(xué)特性等之間的關(guān)系，可根據(jù)所鉆地層材料特性，為鉆具選擇及合理鉆進(jìn)工作參數(shù)的確定提供依據(jù)。另一方面，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)與沖擊荷載有效結(jié)合，在旋轉(zhuǎn)-沖擊耦合荷載下測(cè)試材料的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、入/反射應(yīng)力波峰值、應(yīng)變能等動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)特征參數(shù)，測(cè)試材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征與撞擊桿沖擊能的關(guān)系。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)構(gòu)造圖。
[0018]圖2是圖1壓力傳感器的連接圖。
[0019]圖3是圖1測(cè)速傳感器的布置圖。
[0020]圖4是圖1旋轉(zhuǎn)傳感器的布置圖。
[0021]圖5是圖1載樣倉的布置圖。
[0022]圖6是圖1加壓機(jī)構(gòu)安裝圖。
[0023]圖7是圖1測(cè)試系統(tǒng)布置圖。
[0024]圖中所示，12DC.12伏直流電源，DIB.數(shù)據(jù)集成箱，1.輸入，0.輸出，1.壓縮空氣源，
2.調(diào)壓器，3.脈沖發(fā)射器，4.紅外光源，5.轉(zhuǎn)換閥，6.動(dòng)量限波器，7.導(dǎo)軌，8.拉壓應(yīng)變傳感器，9.振動(dòng)電阻應(yīng)變傳感器，10.接口，11.剪切應(yīng)變傳感器，12.實(shí)驗(yàn)桿，13.探針，14.載樣倉，15.轉(zhuǎn)速調(diào)速器，16.馬達(dá)，17.轉(zhuǎn)速傳感器，18.調(diào)壓器，19.壓力傳感器，20.紅外光測(cè)速傳感器接收器，21.壓力傳感器，22.接口，23.轉(zhuǎn)換盒，24.數(shù)字式動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，25.數(shù)據(jù)集成箱，26.計(jì)算機(jī)，27.壓力閥，28.壓力表，29.連接頭，30.信號(hào)線纜，31.激光束，32.整形器，33.紅外輸出信號(hào)線纜，34.鉆頭，35.轉(zhuǎn)速傳感器輸出線纜，36.載樣套倉，37.試樣，38.滑塊，39.活塞，40.活塞桿。
[0025]本系統(tǒng)安裝在實(shí)驗(yàn)室水平剛性試驗(yàn)平臺(tái)上，用于模擬沖擊、旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆進(jìn)系統(tǒng)及其參數(shù)測(cè)試和材料在此類荷載下動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性測(cè)試。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0027]在圖1的實(shí)施例中，系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成:(i)鉆進(jìn)模擬與測(cè)試系統(tǒng)；(ii)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及(iii)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。鉆進(jìn)模擬與測(cè)試系統(tǒng)包括脈沖發(fā)生器、加壓機(jī)構(gòu)、脈沖整形器、轉(zhuǎn)換閥、動(dòng)量陷波器、實(shí)驗(yàn)桿、試樣與載樣倉及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。脈沖發(fā)生器由壓力發(fā)生器、調(diào)壓器、觸發(fā)開關(guān)及脈沖發(fā)射管組成。壓力發(fā)生器為產(chǎn)生壓縮空氣的壓力源，由220V交變電驅(qū)動(dòng)。脈沖發(fā)射管內(nèi)安裝有撞擊桿，其與實(shí)驗(yàn)桿、整形器、轉(zhuǎn)換閥及動(dòng)量轉(zhuǎn)換器共同構(gòu)成撞擊桿系統(tǒng)，脈沖發(fā)生器觸發(fā)脈沖發(fā)射管中的撞擊桿，撞擊實(shí)驗(yàn)桿完成脈沖輸入。載樣倉中載有材料試樣，由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)作;旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由電動(dòng)馬達(dá)、調(diào)速器與輸出軸構(gòu)成，輸出軸與載樣倉固聯(lián)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、速度傳感器、應(yīng)變傳感器、轉(zhuǎn)換盒、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀及數(shù)據(jù)集成箱組成，將感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換或放大，傳輸?shù)礁鱾€(gè)終端并儲(chǔ)存;數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和示波器等各種終端組成，通過專用軟件或常用辦公軟件如EXCEL等進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、顯示、儲(chǔ)存和打印。
[0028]在圖1的實(shí)施例中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安裝在實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)上，將鉆進(jìn)模擬與測(cè)試系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)化、集成和傳輸。
[0029]在圖1的實(shí)施例中，布置兩個(gè)壓力傳感器，其一用來測(cè)量壓力源經(jīng)調(diào)壓器輸出的壓氣壓力，它是脈沖發(fā)生器的發(fā)射壓力；其二用來測(cè)量經(jīng)調(diào)壓器調(diào)節(jié)后輸送給加壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)水平活塞的壓力即施加在實(shí)驗(yàn)桿上的軸向壓力，該壓力保證鉆頭與試樣端面接觸并模擬鉆進(jìn)中的合理軸向壓力。合理軸壓力是保證鉆具穩(wěn)定、高效鉆進(jìn)的最優(yōu)壓力。
[0030]應(yīng)變傳感器用于測(cè)量輸入桿中的入射應(yīng)力波和反射應(yīng)力波。本發(fā)明根據(jù)測(cè)量目的采用拉/壓應(yīng)變或剪切應(yīng)變測(cè)量。拉壓應(yīng)變測(cè)定采用全橋方式接入，共兩對(duì)應(yīng)變片，其中兩個(gè)為感應(yīng)片，另兩個(gè)為補(bǔ)償片，如Rl，R4采用高阻值(1000 Ω )應(yīng)變片，R2，R3采用精密標(biāo)準(zhǔn)1000 Ω電阻。剪切應(yīng)變測(cè)定亦采用全橋方式接入，四個(gè)應(yīng)變片均為感應(yīng)片。黏貼好的應(yīng)變片阻值變化應(yīng)小于0.5Ω，且應(yīng)變片與壓桿間的絕緣電阻應(yīng)大于100ΜΩ。應(yīng)變片的粘貼、引線聯(lián)接及應(yīng)變測(cè)試按常規(guī)方法操作。拉壓應(yīng)變傳感器用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)桿的壓縮/拉伸應(yīng)變，測(cè)量材料的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度以及實(shí)驗(yàn)桿受沖擊時(shí)的軸向振動(dòng);剪切應(yīng)變用以測(cè)量旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切應(yīng)變，測(cè)量實(shí)驗(yàn)桿產(chǎn)生的扭矩。
[0031]對(duì)于軟土、沙土、碎石等散軟體及塑料等低阻抗材料，應(yīng)變率很低，脈沖荷載產(chǎn)生的沖擊作用很小，這時(shí)的沖擊脈沖信號(hào)弱。在圖1的實(shí)施例中，對(duì)于較低的信號(hào)采用黏彈性桿及/或石英壓電傳感器進(jìn)行補(bǔ)償。
[0032]振動(dòng)傳感器用來監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)過程中鉆機(jī)的軸向和橫向振動(dòng)。本發(fā)明中采用拉壓電阻應(yīng)變傳感器測(cè)量軸向振動(dòng)。
[0033]測(cè)速傳感器用以測(cè)量撞擊桿沖擊實(shí)驗(yàn)桿的撞擊速度。
[0034]轉(zhuǎn)速傳感器用以測(cè)量載樣倉或轉(zhuǎn)速調(diào)速器輸出軸的旋轉(zhuǎn)速度。
[0035]應(yīng)變傳感器與壓力傳感器、振動(dòng)傳感器通過線纜、接口與轉(zhuǎn)換盒聯(lián)接，并輸入到數(shù)字動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，并接入數(shù)據(jù)集成箱;測(cè)速傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器經(jīng)線纜接入數(shù)據(jù)集成箱。數(shù)據(jù)集成后，由集成箱輸送到計(jì)算機(jī)或示波器等數(shù)據(jù)分析終端。
[0036]數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由上述各類傳感器、轉(zhuǎn)換盒、數(shù)字式動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)集成箱組成。其中，轉(zhuǎn)換盒包括放大器和轉(zhuǎn)換器:(I)放大器，它屬于典型的惠斯通電橋(WheatstoneBridge)前置放大器，用以將應(yīng)變信號(hào)放大。(2)轉(zhuǎn)換器，將壓力傳感器采集的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本發(fā)明采用日本CSW-5A型轉(zhuǎn)換器，它通過CR-655接口電纜與數(shù)字式應(yīng)變儀相連。數(shù)字動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，將CSW-5A轉(zhuǎn)換盒輸入的壓力模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)，本發(fā)明采用NicoletSigma 90(Digital Oscilloscope workstat1n)數(shù)字動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，通過RS-232C接口電纜將數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)集成箱DIB(Date Integrated Box)。數(shù)據(jù)集成箱將對(duì)旋轉(zhuǎn)與沖擊系統(tǒng)測(cè)試的輸入信息進(jìn)行集成，通過CR-553B接口電纜輸入到終端設(shè)備。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換盒由惠斯通電橋及放大器組成。
[0037]在圖2的實(shí)施例中，給出了壓力傳感器的安裝示意圖。
[0038]在圖2的實(shí)施例中，壓力傳感器21安裝在各壓力調(diào)節(jié)器管路中的適當(dāng)位置，一般處于輸入1-輸出O回路中壓力表28的前方，當(dāng)壓力流體輸入到發(fā)射器管路中，經(jīng)壓力閥27、壓力表28及傳感器21輸入到所在壓力管路，傳感器21通過聯(lián)接頭29與管路相連，當(dāng)壓力流體經(jīng)壓力傳感器21時(shí)，壓力作用于傳感器上的壓阻片，使其變形從而使電阻、電流或電壓等電信號(hào)發(fā)生改變。電信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)電纜30，通過接口傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本發(fā)明采用英國Gems2200/2600傳感器系列，各壓力傳感器的測(cè)量范圍為0.01-25.0MPa0
[0039]在圖3的實(shí)施例中，測(cè)速傳感器用來測(cè)量撞擊桿3的沖擊速率。本發(fā)明采用紅外測(cè)速傳感器進(jìn)行測(cè)速。紅外發(fā)射頭4發(fā)射的光線31經(jīng)過脈沖發(fā)射管的撞擊桿3和實(shí)驗(yàn)桿12之間的間隔，由紅外傳感器的接收器20接收，當(dāng)脈沖發(fā)生器觸發(fā)時(shí)，發(fā)射管中的撞擊桿3以一定速度沿發(fā)射管射出，切割線激光束31，接收器20產(chǎn)生光電脈沖，信號(hào)經(jīng)線纜33傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由采集系統(tǒng)再傳輸?shù)椒治鱿到y(tǒng)，根據(jù)紅外設(shè)定的寬度和脈沖時(shí)間計(jì)算彈頭切割速率。紅外測(cè)速傳感器水平安裝，光線與發(fā)射桿軸線垂直。紅外測(cè)速采用FF-316uH光纖傳感器，MTTU-6EIR-M485微秒計(jì)時(shí)器。
[0040]在圖3的實(shí)施例中，入射波整形器32、轉(zhuǎn)換閥5以及動(dòng)量限波器6用來獲得完整的加載波形和避免入射桿的二次加載。整形器選取塑性較好的力學(xué)性質(zhì)已知材料，用真空脂粘貼在輸入桿撞擊端的中心位置上，整形器32由一個(gè)或多個(gè)組合型整形器構(gòu)成，用以過濾加載波中由于直接碰撞引起的高頻分量，減小波的彌散效應(yīng)，并通過其塑性變形來有效地增加入射應(yīng)力脈沖的上升時(shí)間，保證試樣中變形均勻和應(yīng)力的平衡，獲得常應(yīng)變率加載。轉(zhuǎn)換閥5以及動(dòng)量限波器6用以實(shí)施單脈沖加載，避免撞擊桿沖擊過程中實(shí)驗(yàn)桿因撞擊端反射壓縮波對(duì)試樣產(chǎn)生的二次加載。在對(duì)低阻抗材料進(jìn)行測(cè)試時(shí)，采用整形器以保證測(cè)試的精度。整形器32、轉(zhuǎn)換閥5及動(dòng)量限波器6可根據(jù)測(cè)試要求選用。
[0041]在圖4的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)速傳感器17用來測(cè)量載樣倉14轉(zhuǎn)速。在本發(fā)明中采用德國PEPPERL+FUCHS電磁傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速，測(cè)量范圍為0-2500r/min。
[0042]轉(zhuǎn)速傳感器17安裝在與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)調(diào)速器15輸出軸聯(lián)接的載樣倉14上探針13對(duì)應(yīng)的位置上。當(dāng)探針13與載樣倉14 一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，探針13將在轉(zhuǎn)速傳感器17前端掃過(虛線園為探針13轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的軌跡)，即傳感器17位于探針13旋轉(zhuǎn)圓周線所包絡(luò)的平面中。此時(shí)轉(zhuǎn)速傳感器17發(fā)生電磁脈沖，并通過數(shù)據(jù)電纜35傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本發(fā)明中撞擊桿系由實(shí)驗(yàn)桿12及鉆頭34等組成。調(diào)速器15由馬達(dá)16驅(qū)動(dòng)，馬達(dá)16可由電、液壓或壓氣等驅(qū)動(dòng)，在本發(fā)明實(shí)施例中由380V交變電壓驅(qū)動(dòng)，載樣倉14與調(diào)速器15輸出軸聯(lián)接，載樣倉14與調(diào)速器15的輸出軸具有相同的轉(zhuǎn)速。因此，轉(zhuǎn)速傳感器17可以安裝在輸出軸適當(dāng)?shù)奈恢谩?br>[0043]在圖5的實(shí)施例中，載樣倉14為一定厚度的剛性柱形圓筒，其底座與調(diào)速器15輸出軸聯(lián)接，載樣倉14內(nèi)可根據(jù)試樣規(guī)格安裝載樣套倉36，載樣套倉36外柱體與載樣倉14內(nèi)柱體嚙合，套倉內(nèi)安裝試樣37，載樣套倉36與載樣倉14、試樣37直徑與套倉36內(nèi)徑之間的配合誤差以及同軸度應(yīng)滿足有關(guān)材料測(cè)試的要求。根據(jù)測(cè)試要求，可具有不同的套倉內(nèi)徑和試樣尺寸。載樣倉10的軸向長度大于試樣套倉30和試樣31長度，超出的長度應(yīng)滿足試樣沖擊碎裂時(shí)飛濺的安全防護(hù)要求。
[0044]在圖6的實(shí)施例中，導(dǎo)軌7與動(dòng)量限波器6通過滑塊38固聯(lián)，活塞39水平安裝在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的剛性支架上，活塞桿40與導(dǎo)軌7及實(shí)驗(yàn)桿12的軸線平行，活塞桿40—端與滑塊38聯(lián)接。當(dāng)需要實(shí)驗(yàn)桿12向試樣施加壓力時(shí)，活塞桿40在調(diào)壓器18的壓力作用下伸出，通過滑塊推動(dòng)動(dòng)量限波器6水平向前運(yùn)動(dòng)，將活塞桿40的壓力通過實(shí)驗(yàn)桿12、鉆頭34，并傳遞給試樣37，實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣37的軸向施壓。
[0045]在圖7的實(shí)施例中，給出了本發(fā)明的布置形式。
[0046]壓力源I為空壓機(jī)，一般布置在離測(cè)試場(chǎng)所較遠(yuǎn)的隔聲空間，通過壓力管網(wǎng)將壓氣引入室內(nèi)，并與調(diào)壓器2聯(lián)通，壓氣壓力由壓力傳感器21進(jìn)行測(cè)量，并通過調(diào)壓器2的標(biāo)準(zhǔn)壓力表進(jìn)行標(biāo)定。壓力傳感器21通過接口 22與轉(zhuǎn)換器23相聯(lián)，并接入應(yīng)變儀24。脈沖發(fā)生器3、轉(zhuǎn)換閥5、動(dòng)量限波器6、實(shí)驗(yàn)桿12及載樣倉14、調(diào)速器15位于同一水平軸線上。紅外測(cè)速傳感器(4、20)安裝在發(fā)生器(撞擊桿)3和轉(zhuǎn)換閥5之間，并由紅外接收器20的輸出端與數(shù)據(jù)集成箱25聯(lián)通。實(shí)驗(yàn)桿12加壓裝置的壓力由調(diào)壓器18、壓力傳感器19經(jīng)接口 22與轉(zhuǎn)換盒23相聯(lián)，并經(jīng)應(yīng)變儀24與數(shù)據(jù)集成箱聯(lián)通。在實(shí)驗(yàn)桿中布置拉壓應(yīng)變傳感器8、應(yīng)變振動(dòng)傳感器9及剪切應(yīng)變傳感器11，拉壓應(yīng)變8、振動(dòng)應(yīng)變9及剪切應(yīng)變10可同時(shí)布置和測(cè)量。拉壓應(yīng)變8、振動(dòng)應(yīng)變9及剪切應(yīng)變10通過接口 10與轉(zhuǎn)換器23相聯(lián)，并接入應(yīng)變儀24。轉(zhuǎn)速傳感器17、測(cè)速傳感器20直接與數(shù)據(jù)集成箱25聯(lián)通。上述壓力、沖擊速度、轉(zhuǎn)速及應(yīng)變傳感器所采集的信號(hào)在數(shù)據(jù)集成箱25集成后輸出給數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)26。
[0047]本發(fā)明的基本原理是:采用撞擊桿系、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、傳感器技術(shù)和數(shù)字集成技術(shù)，建立一種鉆進(jìn)過程模擬及其材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)，通過撞擊桿系和加壓、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)模擬沖擊鉆進(jìn)、旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)或旋轉(zhuǎn)-撞擊鉆進(jìn)過程，采用壓力傳感器測(cè)量脈沖發(fā)生系統(tǒng)的壓力和實(shí)驗(yàn)桿加壓機(jī)構(gòu)的軸壓，采用紅外測(cè)速傳感器測(cè)量撞擊桿的撞擊速度，采用轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量鉆頭或試樣的轉(zhuǎn)速，采用應(yīng)變電阻傳感器分別測(cè)量實(shí)驗(yàn)桿撞擊和旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的拉壓應(yīng)變、剪切應(yīng)變以及振動(dòng)。運(yùn)用彈性波理論、能量原理等分析計(jì)算沖擊荷載、扭矩、沖擊能與材料破壞特性之間的關(guān)系，同時(shí)分析計(jì)算鉆頭-孔底巖石間的摩擦特性。此外，運(yùn)用上述技術(shù)建立的系統(tǒng)，還可以對(duì)材料在有壓接觸、無壓非接觸、無壓接觸及旋轉(zhuǎn)-沖擊荷載下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行測(cè)試。在撞擊桿撞擊實(shí)驗(yàn)桿后，使實(shí)驗(yàn)桿產(chǎn)生一定的速度和位移，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)桿中產(chǎn)生入射應(yīng)力波，當(dāng)應(yīng)力波達(dá)到實(shí)驗(yàn)桿端面后，撞擊由旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的試樣，并在撞擊端面發(fā)生反射應(yīng)力波。采用應(yīng)變傳感器技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)桿進(jìn)行拉/壓及剪切應(yīng)變測(cè)試，通過彈性桿應(yīng)力波有關(guān)理論計(jì)算分析應(yīng)變能、扭矩及被測(cè)材料的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度等參數(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鉆孔動(dòng)力學(xué)模擬測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括沖擊、旋轉(zhuǎn)以及旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆進(jìn)模擬與材料測(cè)試系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)； 所述鉆進(jìn)模擬與測(cè)試系統(tǒng)，由測(cè)試平臺(tái)、加壓機(jī)構(gòu)、脈沖發(fā)生器、整形單元、撞擊桿系、載樣倉及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)是一水平剛性支架，直接固定安裝在水平地面上。加壓機(jī)構(gòu)、脈沖發(fā)生器、動(dòng)量陷波器及鉆桿(實(shí)驗(yàn)桿，含整形器)通過支架固定安裝在系統(tǒng)平臺(tái)上。加壓機(jī)構(gòu)由滑塊、水平導(dǎo)軌和加壓推進(jìn)油缸組成，水平固定安裝在支架上，活塞桿輸出端滑塊固聯(lián)，在水平活塞作用下對(duì)實(shí)驗(yàn)桿施加水平軸向壓力，并沿導(dǎo)軌產(chǎn)生水平軸向位移。脈沖發(fā)生器由壓力源、調(diào)壓器、脈沖發(fā)射開關(guān)組成。整形單元由脈沖整形器、轉(zhuǎn)換閥及動(dòng)量陷波器組成。撞擊桿系由撞擊桿、實(shí)驗(yàn)桿及鉆頭組成。壓力源為壓縮空氣，由空氣壓縮機(jī)生成;載樣倉用以承載試樣，根據(jù)試樣形狀與規(guī)格，倉腔可設(shè)計(jì)為圓柱形、棱柱形等不同形狀和尺寸。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)電機(jī)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器及輸出軸組成，輸出軸與載樣倉固聯(lián)。 所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由壓力傳感器、測(cè)速傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、應(yīng)變傳感器(含振動(dòng)傳感器)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換盒、數(shù)字式動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)集成箱構(gòu)成，將接收到的所述感測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和數(shù)字集成。 所述數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，將所述轉(zhuǎn)換和數(shù)字集成的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)接口及電纜傳輸?shù)剿鰯?shù)據(jù)分析系統(tǒng)如計(jì)算機(jī)、示波器等進(jìn)行分析、輸出和存儲(chǔ)，并對(duì)鉆進(jìn)過程參數(shù)與材料的結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析、評(píng)判、存儲(chǔ)和輸出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆進(jìn)模擬與材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)，其特征是:實(shí)施沖擊、旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)-沖擊鉆進(jìn)過程模擬，并實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過程中沖擊速率、轉(zhuǎn)速、壓力、扭矩、振動(dòng)、摩擦等參數(shù)的測(cè)量。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆進(jìn)模擬與材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)，其特征是:對(duì)材料進(jìn)行有壓接觸、無壓接觸、無壓非接觸下的旋轉(zhuǎn)-沖擊響應(yīng)特性測(cè)試，但不限于旋轉(zhuǎn)-沖擊。根據(jù)測(cè)試材料特性變形測(cè)量可采用應(yīng)變傳感器及石英晶體壓電傳感器，測(cè)速傳感器可采用激光測(cè)速傳感器。
【文檔編號(hào)】G01M99/00GK105973551SQ201510118790
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2015年3月13日
【發(fā)明人】譚乃根
【申請(qǐng)人】譚乃根