一种能实现非开挖定向钻进参数检测的试验台的制作方法

本发明涉及水下沉船模拟试验技术领域，具体而言，尤其涉及一种能实现非开挖定向钻进参数检测的试验台。

背景技术

现有国内外沉船打捞技术中，最常用的是水下攻打过底千斤洞技术。其整个过程是用攻泥器钻头借高压水冲力，在船底泥沙中冲出一个孔洞，在难船船底穿引过底小钢丝并逐级穿引过底大钢丝，实现沉船的快速打捞。

目前，基于陆地非开挖技术所设计的攻打千斤洞钻机设备日趋完善，尤其是水下导向钻机设备，即水下导向攻泥器的研制，相比于潜水员人工攻打，该设备降低了人工作业的劳动强度和危险系数，但钻机设备受制与技术瓶颈，在运行控制中也存在以下问题：

钻机攻进基本参数无法检测，出现过载工况而导致钻杆折断。水下非开挖导向钻机运行时，攻打过底千斤洞的钻压、转速和钻速等由施工人员操控，因缺乏运行过程的参数检测会出现卡死，钻杆折断等异常工况。“华勇6号”沉船打捞工程中，因ht-12c钻机受石块影响，而运行过程中单靠施工人员经验，过载参数无法检测，导致钻杆多次折断。

钻杆轨迹导向精度低。现有水下攻打千斤洞由潜水员人工确定导向轨迹，钻头的位置和位姿等参数由操作人员凭经验判断钻机设备入土位置和角度，且攻过一节钻杆都要探摸攻泥器方向是否准确，无法判断孔内工况，需要派潜水员下水观测是否对准过底千斤洞的攻打位置，若偏差较大则需重新布置，导向参数采用人工测得，准确性较差，数据不能及时处理，攻打过底千斤洞的效率低下。

技术实现要素：

根据上述提出钻机攻进基本参数无法检测、钻杆轨迹导向精度低的技术问题，而提供一种能实现非开挖定向钻进参数检测的试验台。本发明主要利用各传感器对模拟实验的数据检测，从而帮助沉船打捞施工人员获得钻机运行过程中的基本参数，根据钻压、钻速、转速等参数分析钻机系统的运行状况，以防过载、卡死等各类异常工况的出现，同时通过模拟海底地质，获得钻头在海底泥中位置和位姿，完成水下攻打千斤洞的准确钻进。

本发明采用的技术手段如下：

一种能实现非开挖定向钻进参数检测的试验台，包括钻进参数检测装置和样本土层调整装置，所述钻进参数检测装置包括回转系统中心齿轮、齿轮减速器、联轴器ⅰ、转速转矩传感器、联轴器ⅱ、压力传感器、抗震光电位移传感器、钻架、齿轮齿条、压电式振动传感器和位置传感器，所述样本土层调整装置包括样本土层容器和支撑架；

动力头回转液压系统的输出端与所述回转系统中心齿轮啮合，其分别通过所述齿轮减速器和所述联轴器ⅰ与所述转速转矩传感器的输入端相连，所述转速转矩传感器的输出端与所述压力传感器的输入端相连，所述压力传感器的输出端通过所述联轴器ⅱ与动力头连接，动力头推进液压系统的输出端通过齿轮齿条推动所述钻杆在样本土层中钻进，所述钻杆前端设有导向板，通过内置的所述位置传感器检测钻头的位置和位姿，

所述样本土层容器内部设有样本土层，外部布设用于检测振动参数的所述压电式振动传感器，所述样本土层容器通过所述支撑架固定于水平地面。

进一步地，所述钻架上设有所述抗震光电位移传感器和多个用于所述抗震光电位移传感器检测钻速的检测点。

进一步地，所述转速转矩传感器两端与滚动轴承配合，通过两个轴支撑座固定于所述钻架上。

进一步地，所述样本土层为模拟的近海水域海底沉积物，具体为：粉砂质黏土、砂质粉砂、黏土质粉砂、粉砂质砂。

进一步地，所述样本土层容器与所述支撑架之间通过电机驱动滚珠丝杠实现样本土层容器的平移调整。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、在钻机过程中，检测系统配置有精度高、性能稳定的传感器，实时连续测量多路工程参数，记录钻进参数，从而获得钻压、钻速、转速等基本参数，实时了解所钻进海底地质物理特性与钻机的工作状态，可避免受力过载、钻杆折断等异常工况的出现。

2、在动力头导向板内部安装位移传感器，可以对钻头位置和位姿进行检测，由设备操作员在集控室操作钻机，根据系统数据的实时反馈调整钻杆轨迹和钻头角度，提高钻进的准确性。

3、本试验台样本土层容器可以根据不同海底地质进行模拟，并且可以在容器中分层布置不同物理性质的泥土，实现地质改变的负载模拟。

本发明适合于钻进地质变化复杂，钻头所受负载力较大以及钻进导向轨迹准确性高的水下攻打过底千斤洞过程，为非开挖定向钻机水下试验开辟了途径。基于上述理由本发明可在水下沉船模拟试验技术领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体系统的原理图。

图中：1、回转系统中心齿轮；2、齿轮减速器；3-1、联轴器ⅰ；3-2、联轴器ⅱ；4-1，4-2、轴支撑座；5、转速转矩传感器；6、压力传感器；7、抗震光电位移传感器；8、钻架；9、齿轮齿条；10、压电式振动传感器；11、位置传感器；12、样本土层容器；13、支撑架。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

此外，需要说明的是，使用“ⅰ”、“ⅱ”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种能实现非开挖定向钻进参数检测的试验台，包括钻进参数检测装置和样本土层调整装置，所述钻进参数检测装置包括回转系统中心齿轮1、齿轮减速器2、联轴器ⅰ3-1、转速转矩传感器5、联轴器ⅱ3-2、压力传感器6、抗震光电位移传感器7、钻架8、齿轮齿条9、压电式振动传感器10和位置传感器11，所述样本土层调整装置包括样本土层容器12和支撑架13；

动力头回转液压系统的输出端与所述回转系统中心齿轮1啮合，其分别通过所述齿轮减速器2减速后，实现钻机的转矩输出，通过所述联轴器ⅰ3-1与所述转速转矩传感器5的输入端相连，获得转速和转矩的检测，所述转速转矩传感器5的输出端与所述压力传感器6的输入端相连，所述压力传感器的输出端通过所述联轴器ⅱ3-2与动力头连接，动力头推进液压系统的输出端通过齿轮齿条9的齿轮相啮合，齿轮固定而齿条发生平移运动，推动所述钻杆在样本土层12中钻进，所述钻杆前端设有导向板，通过内置的所述位置传感器11检测钻头的位置和位姿，

所述样本土层容器12内部设有样本土层12，外部布设用于检测振动参数的所述压电式振动传感器10，所述样本土层容器12通过所述支撑架13固定于水平地面。

所述钻架上设有所述抗震光电位移传感器7和多个用于所述抗震光电位移传感器7检测钻速的检测点。

所述转速转矩传感器5两端与滚动轴承配合，通过两个轴支撑座4-1,4-2固定于所述钻架8上。

所述样本土层为模拟的近海水域海底沉积物，具体为：粉砂质黏土、砂质粉砂、黏土质粉砂、粉砂质砂。

所述样本土层容器12与所述支撑架13之间通过电机驱动滚珠丝杠实现样本土层容器12的平移调整。

实施例1

当钻机动力头旋转推进时，从回转系统中心齿轮1输出的转矩经由齿轮减速器2、联轴器3-1由转速转矩传感器5测得，而且传感器测出的转速与二级减速的减速比相乘后，求得钻机该工况下的转速；钻头导向板所受的顶进阻力和钻杆的摩擦阻力之和为钻进过程中攻进海底泥的最小钻压，钻压大小经由联轴器3-2传递通过压力传感器6测得；钻机推进由液压马达驱动，与齿轮齿条9的齿轮相啮合，齿轮固定而齿条发生平移运动，在钻架8上贴多个金属测量点x1、x2、x3、x4……耐震光电位移传感器7测出动力头位移值，通过v＝(x1+x2+x3+……)/t求单位时间内动力头位置的变化即为钻速。

所述样本土层容器12内部模拟近海水域海底沉积物，可自下而上选择性布置粉砂质黏土、砂质粉砂、黏土质粉砂、粉砂质砂等。我国近海海域海底地质以黏土、砂土为主，粉砂质砂、砂质粉砂不易压缩，但由于较强的水动力条件，易冲刷粗化，而粉砂质黏土、黏土质粉砂力学强度低，极易压缩。在容器内布置同一海底地质，可检测不同转速、钻压下钻头的推进速度及整个系统参数的变化值；在容器内布置不同海底地质，可检测地质变化时钻机各参数的改变量，导向板前端内部安装一个位移传感器11，其无线发射单元传感器和无线发射单元通过锂电池供电，可实现钻头在海底泥中位置和位姿的检测。另外，考虑到钻进过程中钻头有横向、轴向和扭转振动，在整个样本土层容器12四周布置压电式振动传感器10，获得振动参数的检测。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。