本发明涉及一种冲击传递特性的测定方法、装置及系统，属于机械工程领域。
背景技术：
钻进装置广泛应用于石油和地质勘探、建筑和矿山采煤等行业，钻具遇到坚硬的岩石层时，钻进系统会启用冲击电机，通过在钻杆的顶端施加冲击力，并以应力波的形式传递到钻头，提高钻具钻进破岩的效率。
钻杆与钻头连成一体，统称为钻具。考虑钻头与钻杆的连接处以及钻头与岩石接触处会出现冲击力的反作用力，同时钻杆与钻孔外壁的摩擦以及钻杆形变(如：弯曲等)，均会影响冲击应力波的传递，冲击应力波的传递直接关系到钻进的效果，为了解冲击时应力波在钻具中的传递情况，有必要对钻具进行冲击传递特性的测试，为钻取采样系统中钻具材质的选取和钻杆以及钻头结构的设计和优化提供参考。
目前，通常通过在钻具的不同轴向位置贴应变片，通过应力传感器测试应变片的形变，从而得到钻具相应位置处的应变，根据钻具相应位置处的应变获得该处的应力大小，从而判断该处的冲击强度。
现有技术中，由于测得的冲击应力由入射应力波与反射波的叠加形成，导致测量数据偏大、无法准确计算冲击的传递效率。
技术实现要素：
本发明技术要解决的问题是：克服现有技术的不足，提供了一种冲击传递特性的测定方法、装置及系统，通过从绘制的应变随时间变化的曲线中提取入射应力波，并根据入射应力波确定冲击能量，避免了由于入射应力波与反射波叠加导致的测量数据偏大的问题，可以准确计算冲击的传递效率。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种冲击传递特性测定方法，包括：
实时获取杆件轴向不同位置处的应力信息，所述应力信息包括采样时间点及对应的应变值；
根据获取的应力信息，绘制应变随时间变化的曲线；
根据绘制的曲线，提取入射应力波；
根据提取的入射应力波确定冲击能量，以所述冲击能量衡量杆件冲击传递特性。
在一可选实施例中，所述根据绘制的曲线，提取入射应力波，包括：
确定所述绘制的曲线的波形起始时间点，并以确定的波形起始时间点作为入射应力波的起始时间点；
将与所述波形起始时间点间隔预设个数个采样点的时间点作为所述入射应力波的终止时间点；
根据所述入射应力波的起始时间点和入射应力波的终止时间点，提取入射应力波。
在一可选实施例中，所述确定所述绘制的曲线的波形起始时间点，包括：
将所述曲线上应变值与εmax/10最接近的点作为波形起始时间点，其中，εmax为所述曲线的峰值点。
在一可选实施例中，所述预设个数为9-12个。
在一可选实施例中，所述根据提取的入射应力波确定冲击能量，包括：
根据下式确定冲击能量ex：
其中，a为杆件横截面面积，c为应力波波速，e为钻杆弹性模量，x为沿杆件轴向的坐标，以杆件上端面为x＝0，τ为所述入射应力波的起始时间点和入射应力波的终止时间点之间的时长，δt为相邻两个采样点之间的时间间隔，ε为应变值，σ为杆件密度。
在一可选实施例中，所述根据提取的入射应力波确定冲击能量，以所述冲击能量衡量冲击传递特性，包括：
将所述杆件轴向最上端与最下端位置处的冲击能量的比值作为冲击传递效率，以所述冲击传递效率衡量冲击传递特性。
一种冲击传递特性测定装置，包括：
获取模块，用于实时获取杆件轴向不同位置处的应力信息，所述应力信息包括采样时间点及对应的应变值；
曲线绘制模块，用于根据获取的应力信息，绘制应变随时间变化的曲线；
提取模块，用于根据绘制的曲线，提取入射应力波；
确定模块，用于根据提取的入射应力波确定冲击能量，以所述冲击能量衡量冲击传递特性。
在一可选实施例中，所述提取模块用于：确定所述绘制的曲线的波形起始时间点，并以确定的波形起始时间点作为入射应力波的起始时间点；
将与所述波形起始时间点间隔预设个数个采样点的时间点作为所述入射应力波的终止时间点；
根据所述入射应力波的起始时间点和入射应力波的终止时间点，提取入射应力波。
在一可选实施例中，所述确定模块，用于：
根据下式确定冲击能量ex：
其中，a为杆件横截面面积，c为应力波波速，e为钻杆弹性模量，x为沿杆件轴向的坐标，以杆件上端面为x＝0，τ为所述入射应力波的起始时间点和入射应力波的终止时间点之间的时长，δt为相邻两个采样点之间的时间间隔，ε为应变值，σ为杆件密度。
在一可选实施例中，将所述杆件轴向最上端与最下端位置处的冲击能量的比值作为冲击传递效率，以所述冲击传递效率衡量冲击传递特性。
一种冲击传递特性测定系统，包括动态应变仪传感系统和冲击传递特性测定装置，所述冲击传递特性测定装置包括获取模块、曲线绘制模块、提取模块及确定模块，所述获取模块用于实时获取杆件轴向不同位置处的应力信息，所述应力信息包括采样时间点及对应的应变值，所述曲线绘制模块用于根据获取的应力信息，绘制应变随时间变化的曲线，所述提取模块用于根据绘制的曲线，提取入射应力波，所述确定模块，用于根据提取的入射应力波确定冲击能量，以所述冲击能量衡量冲击传递特性；所述动态应变仪传感系统包括数据采集器和多个应变传感器，所述多个应变传感器用于实时测量杆件轴向不同位置处的应变值，所述数据采集器将测量的所述应变值发送给所述获取模块。
本发明与现有技术相比有益效果为：
本发明实施例提供的冲击传递特性测定方法，通过从绘制的应变随时间变化的曲线中提取入射应力波，并根据入射应力波确定冲击能量，避免了由于入射应力波与反射波叠加导致的测量数据偏大的问题，可以准确计算冲击的传递效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种冲击传递特性测定方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种冲击传递特性测定系统结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种钻具与应力传感器装配示意图；
图4为本发明实施例提供的冲击传递特性测定方法原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参见图1，本发明实施例提供了一种冲击传递特性测定方法，包括：
步骤101：实时获取杆件轴向不同位置处的应力信息，所述应力信息包括采样时间点及对应的应变值；
具体地，本发明实施例所述的杆件可以为圆柱钻杆、圆管钻杆、螺纹柱状钻杆、螺纹管状钻杆等杆状钻具，也可以为其他受冲击力的杆状器件，本发明不做限定；所述应力信息可以通过应变传感器测定；
步骤102：根据获取的应力信息，绘制应变随时间变化的曲线；
步骤103：根据绘制的曲线，提取入射应力波；
步骤104：根据提取的入射应力波确定冲击能量，以所述冲击能量衡量杆件冲击传递特性。
本发明实施例提供的冲击传递特性测定方法，通过从绘制的应变随时间变化的曲线中提取入射应力波，并根据入射应力波确定冲击能量，避免了由于入射应力波与反射波叠加导致的测量数据偏大的问题，可以准确计算冲击的传递效率。
参见图4，在一可选实施例中，所述根据绘制的曲线，提取入射应力波，包括：
确定所述绘制的曲线的波形起始时间点，并以确定的波形起始时间点作为入射应力波的起始时间点；
将与所述波形起始时间点间隔预设个数个采样点的时间点作为所述入射应力波的终止时间点；
根据所述入射应力波的起始时间点和入射应力波的终止时间点，提取入射应力波。
该方法能够量化提取入射应力波，实现将杆件冲击瞬态能量中的入射波与反射波进行分离。
在一可选实施例中，所述确定所述绘制的曲线的波形起始时间点，包括：
将所述曲线上应变值与εmax/10最接近的点对应的时间点作为波形起始时间点，其中，εmax为所述曲线的峰值点，该方法能够合理确定单周期波形的起点。
在一可选实施例中，所述预设个数为9-12个，以较为准确地确定入射应力波所对应的作用时长。
在一可选实施例中，所述根据提取的入射应力波确定冲击能量，包括：
根据下式确定冲击能量ex：
其中，a为杆件横截面面积，c为应力波波速，e为钻杆弹性模量，x为沿杆件轴向的坐标，以杆件上端面为x＝0，τ为所述入射应力波的起始时间点和入射应力波的终止时间点之间的时长，δt为相邻两个采样点之间的时间间隔，ε为应变值，σ为杆件密度。
在一可选实施例中，所述根据提取的入射应力波确定冲击能量，以所述冲击能量衡量冲击传递特性，包括：
将所述杆件轴向最上端与最下端位置处的冲击能量的比值作为冲击传递效率，以所述冲击传递效率衡量冲击传递特性。
本发明还提供了一种冲击传递特性测定装置，包括：
获取模块，用于实时获取杆件轴向不同位置处的应力信息，所述应力信息包括采样时间点及对应的应变值；
曲线绘制模块，用于根据获取的应力信息，绘制应变随时间变化的曲线；
提取模块，用于根据绘制的曲线，提取入射应力波；
确定模块，用于根据提取的入射应力波确定冲击能量，以所述冲击能量衡量冲击传递特性。
在一可选实施例中，所述提取模块用于：确定所述绘制的曲线的波形起始时间点，并以确定的波形起始时间点作为入射应力波的起始时间点；
将与所述波形起始时间点间隔预设个数个采样点的时间点作为所述入射应力波的终止时间点；
根据所述入射应力波的起始时间点和入射应力波的终止时间点，提取入射应力波。其中，所述预设个数优选9-12个。
在一可选实施例中，所述确定模块，用于：
根据下式确定冲击能量ex：
其中，a为杆件横截面面积，c为应力波波速，e为钻杆弹性模量，x为沿杆件轴向的坐标，以杆件上端面为x＝0，τ为所述入射应力波的起始时间点和入射应力波的终止时间点之间的时长，δt为相邻两个采样点之间的时间间隔，ε为应变值，σ为杆件密度。
在一可选实施例中，将所述杆件轴向最上端与最下端位置处的冲击能量的比值作为冲击传递效率，以所述冲击传递效率衡量冲击传递特性。
本发明提供的装置实施例与方法实施例一一对应，具有方法实施例所具有的有益效果，具体描述参见方法实施例，在此不再赘述。
参见图2，本发明实施例还提供了一种冲击传递特性测定系统，包括动态应变仪传感系统和冲击传递特性测定装置，所述冲击传递特性测定装置包括获取模块、曲线绘制模块、提取模块及确定模块，所述获取模块用于实时获取杆件轴向不同位置处的应力信息，所述应力信息包括采样时间点及对应的应变值，所述曲线绘制模块用于根据获取的应力信息，绘制应变随时间变化的曲线，所述提取模块用于根据绘制的曲线，提取入射应力波，所述确定模块，用于根据提取的入射应力波确定冲击能量，以所述冲击能量衡量冲击传递特性；所述动态应变仪传感系统包括数据采集器和多个应变传感器，应变传感器的具体数量可以根据杆件轴向上待测位置的数量确定，一个待测位置对应一个应变传感器，所述多个应变传感器用于实时测量杆件轴向不同位置处的应变值，所述数据采集器将测量的所述应变值发送给所述获取模块，所述数据采集器优选高速数据采集器。
本实施例所用冲击传递特性测定装置由装置实施例提供，具体描述参见装置实施例，在此不再赘述。
具体地，应变传感器粘贴于杆件预设位置上，每一应变传感器配有一温度补偿片(简称“补偿片”)，偿片粘贴在与杆件同材质的金属块上，应变传感器与补偿片以“半桥”的方式通过桥盒连接到动态应变仪传感系统的数据采集器上，数据采集器将信号传送给冲击传递特性测定装置。
在一可选实施例中，杆件为钻具，如图2所示，多个应变传感器分别标记为应变传感器1、应变传感器2……直至应变传感器x，x为＞2的正整数，多个应变传感器与钻具轴向上的不同位置一一对应，分别粘贴在其对应的位置上，其中各位置分别标记为a、b……及x位置，分别使用应变传感器1、应变传感器2、…、应变传感器x对应测量a、b、…、x点处的轴向应变值，并分别记为εa、εb、…、εx，采用多通道同步采样方式，系统采样频率设置为1mhz。电机冲击钻具时，冲击能量以应力脉冲的形式由钻机4端向钻杆5、钻头6界面传递，其过程用一维波动方程描述，通过计算可获得各测点入射应力波能量；
参见图4，绘制各测点应变随时间变化曲线，曲线上各点坐标标记为(t1，ε1)、(t2，ε2)……(ti，εi)……(tn，εn)，将曲线脉冲峰值点的坐标记为(tmax,εmax)；
计算各测点的εmax/10，找出曲线上与εmax/10最相近的应变值，将该应变值对应的点记作(ts，εs)(εs≦εmax)，以点(ts，εs)为入射应力波的起始点，ts为入射应力波的起始时间点，与ts间隔10个采样点的时间点为(ts+δτ)，将该时间点作为入射应力波的终止时间点。
钻杆5上任一点x在dt时间内的位能与动能分别为：
a为钻杆横截面面积，c为应力波波速，e为钻杆弹性模量，
已知钻杆中入射应力波脉冲持续时间为τ，则冲击电机输入到钻杆初始能量可表示为：
ex可用于表征冲击电机的冲击能。
钻杆上任一点x的应力σ满足胡克定律σ＝eε，则有
δt为采样时间间隔。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。所述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的人员可以对所述的具体实施例做不同的修改或补充或采用类似的方式代替，但不偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。