一种空间摆轴的径向交变载荷加载方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种交变载荷加载方法，特别是一种空间摆轴的径向交变载荷加载方 法。
【背景技术】
[0002] 随着社会、工业的发展，对油气资源的需求量呈现逐年上升的趋势，同时，陆地油 田相继进入开发后期，对油气能源行业供给形成巨大挑战，石油行业不得不加大石油开发 勘探力度。然而，油气资源的开发不得不由陆地向海洋、由浅海向深海转移，这将无形中加 大石油开发的难度。同时随着勘探、开发过程的不断深入，由于受到井场、平台条件的限制 和钻探目标复杂地质构造越来越复杂，为提高油气钻遇率，增加油气产量，大位移水平井、 三维多目标井、丛式井及高难度定向井等复杂工艺井相继出现，对钻井工具提出了更高的 要求。传统利用有线随钻测量仪器（WLMWD)和无线随钻测量仪器（MWD)的滑动钻井技术， 由于钻柱在钻井过程中不转动的特点，存在高摩阻、容易卡钻等问题，已经不能满足这些复 杂井的开发需求，已经严重制约油气井勘探开发进程。随着随钻录井（LWD)技术的出现，新 型旋转导向钻井技术的研宄越来越多地受到关注。
[0003] 旋转导向钻井技术不仅可以实现地面对井下旋转导向钻井工具的实时自动控制， 实现钻头的精确控制，同时，通过钻井过程中实施定向钻进功能，能够提高工作效率，因此， 旋转导向钻井技术使导向钻井技术彻底改变、是一次质的飞跃。与滑动导向钻井系统相比， 旋转导向钻井系统具有摩阻小、钻速高、井眼轨迹平滑、钻井周期短及良好的井眼清洗能 力，能够提高钻井的安全性及钻具的使用寿命，被认为是现代导向钻井技术的发展方向。
[0004] 专利文献CN102900364A在2013年1月30日公开了一种静态指向式旋转导向钻 井工具，专利文献CN103195405A在2013年7月10日公开了一种指向式旋转导向执行机构 心轴位移矢量控制系统及方法，提出了静态指向式旋转导向钻井工具的控制方法；专利文 献CN104265271A在2015年1月7日公开了一种空间摆轴偏心位移的测试方法，对实际芯 轴偏心位移的测量方法进行了研宄。在钻井过程中，受来自钻头-岩层交变载荷的作用，导 向偏置执行机构的性能将直接影响到旋转导向钻井工具的工作性能和使用寿命，而在实验 室条件下如何模拟导向偏置执行机构的交变载荷加载成为决定其实验可靠性的重要因素， 为此，需要开展芯轴摆动情况下径向交变载荷加载的研宄。
【发明内容】
[0005] 本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种原理简单且操作方便的空 间摆轴的径向交变载荷加载方法。
[0006] 本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种空间摆轴的 径向交变载荷加载方法，采用加载模型进行加载，所述加载模型包括调心关节轴承、空间摆 轴、增力环、激振装置、滑动座、转动座、连接板和柔性连接轴，所述空间摆轴通过所述调心 关节轴承周向转动且轴向固定地安装在所述转动座内；所述激振装置的输出端、所述柔性 连接轴、所述连接板和所述増力环依次同心固接，所述增力环周向转动且轴向移动地安装 在所述滑动座内；所述增力环的内部为锥形孔，所述增力环的锥形孔靠近所述激振装置的 一端为小径端，所述空间摆轴的一端延伸至所述增力环的锥形孔内，二者形成点接触；所述 空间摆轴的径向交变载荷为：
[0008] 式中：
[0009] f?一空间摆轴的径向交变载荷；
[0010] e -增力环的内部锥形孔锥角；
[0011] F-激振装置输出的水平方向激振载荷。
[0012] 本发明具有的优点和积极效果：1)通过改变激振装置输出的水平方向激振载荷 和增力环内部锥形孔的锥角即可调整空间摆轴径向交变载荷，加载力控制简单且可方便实 现不同的放大效果；2)通过改变激振装置类型即可获得不同的激振载荷类型，因而能够满 足不同激振载荷类型的加载需求。综上所述，本发明原理简单、操作方便，能够实现不同激 振载荷类型、不同大小激振载荷的加载。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明所采用的加载模型结构示意图；
[0014] 图2为本发明的空间摆轴和增力环接触点的受力分析示意图。
[0015] 图中：1、调心关节轴承；2、空间摆轴；3、增力环；4、激振装置；5、滑动座；6、转动 座；7、连接板；8、柔性连接轴。
【具体实施方式】
[0016] 为能进一步了解本发明的
【发明内容】
、特点及功效，兹例举以下实施方式，并配合附 图详细说明如下：
[0017] 请参阅图1，一种空间摆轴的径向交变载荷加载方法，通过一个加载模型来实现， 该加载模型主要包括：调心关节轴承1、空间摆轴2、增力环3、激振装置4、滑动座5、转动座 6、连接板7和柔性连接轴8。所述空间摆轴2通过所述调心关节轴承1周向转动且轴向固 定的安装在所述转动座6内，所述空间摆轴2可绕所述调心关节轴承1做空间摆动，摆动角 为[0,90。）。
[0018] 所述激振装置4的输出端、所述柔性连接轴8、所述连接板7和所述増力环3依次 同心固接，它们的中心线共线，所述增力环3周向转动且轴向移动地安装在所述滑动座5 内。所述增力环3的内部为锥形孔，所述增力环3的锥形孔靠近所述激振装置4的一端为 小径端，所述空间摆轴2的一端延伸至所述增力环3的锥形孔内，二者形成点接触。
[0019] 为计算由所述激振装置4输出的水平方向激振载荷与所述空间摆轴2径向交变载 荷的转换关系，本发明只考虑二者之间的正压力而忽略二者之间的摩擦力，基于斜面滑块 模型对所述空间摆轴2和所述增力环3进行受力分析如图2所示。
[0020] 根据图2所示的在所述空间摆轴2和所述增力环3的接触点M建立的受力分析示 意图，建立如下关系式：
[0022] 式中：
[0023] f一空间摆轴2的径向交变载荷；
[0024] F'一接触点M水平分力；
[0025] a-接触点M水平分力F'的作用力方向与正压力N的作用力方向夹角。
[0026] 同样，基于图2所示的受力分析示意图，可得到如下关系式：
[0028] F' = F (3)
[0029]式中：
[0030] 0 -增力环3内部锥形孔的锥角；
[0031] F-激振装置4输出的水平方向激振载荷。
[0032] 因此，将式⑵和式（3)代入式⑴可得到如下关系式：
[0034] 由式⑷可知，通过改变所述激振装置4输出的水平方向激振载荷和所述增力环 3内部锥形孔的锥角即可调整所述空间摆轴2的径向交变载荷。
[0035] 增力环通过内部的锥形孔实现将激振装置输出的水平方向激振载荷转换为空间 摆轴的径向交变载荷，同时通过增力环内部锥形孔的锥角大小改变激振载荷和径向交变载 荷的转换关系。
[0036] 上述加载模型已经应用在专利文献CN102900364A于2013年1月30日公开的静 态指向式旋转导向钻井工具中。
[0037] 尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上 述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通 技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可 以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种空间摆轴的径向交变载荷加载方法，其特征在于，采用加载模型进行加载，所 述加载模型包括调屯、关节轴承、空间摆轴、增力环、激振装置、滑动座、转动座、连接板和柔 性连接轴，所述空间摆轴通过所述调屯、关节轴承周向转动且轴向固定地安装在所述转动座 内； 所述激振装置的输出端、所述柔性连接轴、所述连接板和所述増力环依次同屯、固接，所 述增力环周向转动且轴向移动地安装在所述滑动座内；所述增力环的内部为锥形孔，所述 增力环的锥形孔靠近所述激振装置的一端为小径端，所述空间摆轴的一端延伸至所述增力 环的锥形孔内，二者形成点接触； 所述空间摆轴的径向交变载荷为：式中： f-空间摆轴的径向交变载荷； 0-增力环的内部锥形孔锥角； F-激振装置输出的水平方向激振载荷。
【专利摘要】本发明公开了一种空间摆轴的径向交变载荷加载方法，采用加载模型进行加载，所述加载模型包括：调心关节轴承、空间摆轴、增力环、激振装置、滑动座、转动座、连接板和柔性连接轴；空间摆轴通过调心关节轴承周向转动且轴向固定的安装在转动座内；激振装置的输出端、柔性连接轴、连接板和增力环依次同心固接，增力环周向转动轴向移动地安装在滑动座内；增力环内部为锥形孔且与空间摆轴成点接触。增力环通过内部的锥形孔实现将激振装置输出的水平方向激振载荷转换为空间摆轴的径向交变载荷，同时通过增力环内部锥形孔的锥角大小改变激振载荷和径向交变载荷的转换关系。本发明原理简单、操作方便，能够实现不同激振载荷类型、不同大小激振载荷的加载。
【IPC分类】G01M7/02
【公开号】CN104931216
【申请号】CN201510242470
【发明人】牛文铁, 李洪涛
【申请人】天津大学
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年5月13日