一种煤矿用钻杆动态综合性能试验装置的制作方法

本发明属于煤矿钻探用钻杆综合性能试验领域，涉及一种煤矿用钻杆动态综合性能试验装置。

背景技术：

随着煤矿瓦斯抽采钻孔、地质超前探测钻孔、水灾害治理与探放水钻孔施工深度逐渐提高，控制与操作方式向着自动化与无人化发展，对钻杆的质量与综合性能提出了更高的要求。因此需要在复杂的受力条件、运动条件下试验检验钻杆的疲劳寿命、综合载荷下钻杆的稳定性、钻杆多种受力与运动条件下的强度，以检验钻杆能否满足煤矿井下深钻孔的工艺需求，同时为钻孔工艺的设计提供理论依据。

目前针对煤矿用钻具的试验方法多借用管状材料抗扭强度的试验装置与检验方法，没有专门用于煤矿用钻具综合性能检验的试验装置与方法，现有油气井领域对所使用钻具的试验检测方式为单一载荷的加载和静态载荷加载，无法模拟钻杆的真实工况，不能对试验钻杆进行疲劳寿命、动态响应、密封性、振动、综合受力的强度等综合性能进行试验。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种煤矿用钻杆动态综合性能试验装置，以实现模拟钻杆的综合受力状态。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种煤矿用钻杆动态综合性能试验装置，包括：扭矩加载系统：对试验钻杆施加可控扭矩，包括加载马达、加载连接装置、自动变速器、加载减速装置和扭矩加载装置，加载马达通过传动轴与自动变速器连接，且安装于加载连接装置上，自动变速器通过扭矩传递装置与加载减速装置连接，加载减速装置通过扭矩传递装置与扭矩加载装置连接，扭矩加载装置与试验钻杆连接；负载系统：对试验钻杆施加稳态、动态变载扭矩，包括扭矩负载装置、转矩转速检测装置、负载减速装置和负载装置，负载装置通过传动轴与负载减速装置连接，负载减速装置通过扭矩传递装置与转矩转速检测装置连接，转矩转速检测装置通过扭矩传递装置与扭矩负载装置连接，扭矩负载装置与试验钻杆连接；轴向力加载系统：对试验钻杆加载可控轴向载荷；径向约束系统：用于模拟加载施工中钻杆受到的径向位移约束与径向力加载；水路加载系统：对试验钻杆加载一定压力的高压或超高压水压。

可选地，所述自动变速器可以根据转速的大小和扭矩的大小自动换挡，所述加载马达能够实现控制输出转矩与转速，所述自动变速器与加载马达匹配控制实现转速和转矩的可控输出，并根据所试验工况加载不同的驱动扭矩与转速，根据实验需求实现可控加载。

可选地，所述负载装置根据钻孔内切削反扭矩、旋转与滑动瞬态摩阻、钻孔对钻杆径向约束产生的周期性、瞬间冲击载荷，模拟输出稳态扭矩、动态变载扭矩、冲击扭矩、周期性冲击扭矩；转矩转速检测装置对传输的转矩、转速进行检测，对扭矩加载系统、负载系统进行反馈控制。

可选地，所述负载装置包括负载基座、拉力伺服油缸、拉杆、滑轨、冲击载荷制动器、传动轴和电涡流制动器；所述拉力伺服油缸与负载基座连接，拉力伺服油缸通过销轴与拉杆连接，拉杆通过销轴与冲击载荷制动器连接，冲击载荷制动器通过滑槽结构与滑轨配合，实现由拉力伺服油缸带动冲击载荷制动器动作，抱紧传动轴产生制动冲击负载；电涡流制动器连接于负载基座，并与传动轴相连，产生可控稳态扭矩负载。

可选地，所述径向约束系统约束试验钻杆的弯曲半波、公转半径和径向位移，以模拟加载施工中钻杆受到的半波约束、公转约束和径向位移约束。

可选地，所述径向约束系统包括3个以上的径向约束装置，径向约束装置对试验钻杆的约束距离等于试验钻杆与实验参数匹配产生的半波长，或等于试验钻孔对钻杆约束的长度。

可选地，所述径向约束装置包括径向约束基座、滑动轴、位置传感器、钻杆约束基座、滑套、滑套轴向限位、推力套、传力轴、轴承、径向限位环和伺服油缸；所述滑动轴与径向约束基座连接，所述滑套与滑动轴、钻杆约束基座配合，形成滑动结构与润滑密封腔体；所述传力轴与轴承配合，安装在钻杆约束基座上，径向限位环安装于传力轴腔体内，并由推力套两端固定；所述径向限位环与传力轴可以在试验钻杆摩擦力作用下沿轴承轴线旋转；所述径向限位环内壁与试验钻杆接触侧有一定弧度，弧度大小根据试验钻杆的弯曲约束条件设置，且内壁直径大小为所模拟钻孔的直径；所述径向约束装置，按照钻孔直径与钻杆直径的组合，配置不同直径的径向限位环，通过径向约束装置对试验钻杆的径向位移、径向载荷形成约束，模拟加载施工中钻杆受到的径向位移约束、半波约束和公转约束；由位置传感器检测径向限位环所处位置，反馈控制伺服油缸加载的径向位移。

可选地，所述扭矩加载装置和所述扭矩负载装置均包括承力基座，承力基座上转动连接有主轴，主轴通过夹持装置与试验钻杆连接，扭矩负载装置的主轴还连接有推力测量装置以形成轴向力的反馈控制。

可选地，所述扭矩加载装置和所述扭矩负载装置还包括用于支撑主轴的推力轴承、用于安装推力轴承的轴承推力座、与承力基座连接的端盖、与主轴连接的旋转配油组件、与旋转配油组件配合的供油装置，供油装置位于承力基座上。

可选地，所述轴向力加载系统与扭矩加载系统连接，由大推进力双油缸装置和承力滑轨输出可控推进力，根据推进切削阻力、滑动摩阻、钻孔约束瞬态冲击与周期性变载，模拟输出稳态或动态推进力，通过推力测量装置检测输出推力，反馈控制推进力的加载。

本发明的有益效果在于：

1.本发明可以同时对试验钻杆加载复合、可控的负载，包括加载扭矩、推进力、钻孔对钻杆的径向位移约束与动态径向力、孔底钻杆切削岩石动态反扭矩、动力水压载荷，可根据钻杆在钻孔内的受力与约束状态，模拟各种载荷加载与运动工况。

2.本发明对试验钻杆模拟加载的扭矩负载、推进力、径向约束、动力水压等都可以模拟加载工况中的稳态、动态、冲击载荷，能够对钻杆加载可控的动态载荷，对研究钻杆在特定工况和受力条件下综合性能提供一种试验装置。

3.本发明能够准确模拟试验钻杆施工工况，对试验钻杆的强度、疲劳寿命、动态响应、密封性、振动等综合性能进行试验，为试验钻杆性能试验与钻探工艺设计提供一种可靠的试验装置。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明试验装置的结构示意图一；

图2为本发明试验装置的结构示意图二；

图3为扭矩加载装置的结构示意图；

图4为径向约束装置的结构示意图一；

图5为径向约束装置的结构示意图二；

图6为扭矩负载装置的结构示意图；

图7为负载装置的结构示意图一；

图8为负载装置的结构示意图二；

图9为滑轨的结构示意图一；

图10为滑轨的结构示意图二；

图11为冲击载荷制动器的结构示意图一；

图12为冲击载荷制动器的结构示意图二。

附图标记：加载马达1、加载连接装置2、自动变速器3、加载减速装置4、加压水路5、加载水泵6、轴向力加载系统7、扭矩加载装置8、径向约束装置9、扭矩负载装置10、转矩转速检测装置11、负载减速装置12、负载装置13、复合承载平台14、试验钻杆15、水路负载系统16、第一夹持装置8-1、第一承力基座8-2、第一供油装置8-3、第一旋转配油组件8-4、第一轴承推力座8-5、第一端盖8-6、第一主轴8-7、第一推力轴承8-8、径向约束基座9-1、滑动轴9-2、位置传感器9-3、钻杆约束基座9-4、滑套9-5、油封圈9-6、第三端盖9-7、推力套9-8、传力轴9-9、第三推力轴承9-10、径向限位环9-11、伺服油缸9-12、第二夹持装置10-1、第二承力基座10-2、第二供油装置10-3、第二旋转配油组件10-4、第二轴承推力座10-5、推力测量装置10-6，第二主轴10-7、第二端盖10-8、第二推力轴承10-9、负载基座13-1、拉力伺服油缸13-2、拉杆13-3、滑轨13-4、冲击载荷制动器13-5、传动轴13-6、电涡流制动器13-7。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。

请参阅图1～图12，一种煤矿用钻杆动态综合性能试验装置，包括复合承载平台14和设置在其上的加载马达1、加载连接装置2、自动变速器3、加载减速装置4、加压水路5、加载水泵6、轴向力加载系统7、扭矩加载装置8、径向约束装置9、扭矩负载装置10、转矩转速检测装置11、负载减速装置12、负载装置13和水路负载系统16。

由加载马达1、加载连接装置2、自动变速器3、加载减速装置4、扭矩加载装置8组成扭矩加载系统，对试验钻杆15施加可控扭矩；由扭矩负载装置10、转矩转速检测装置11、负载减速装置12、负载装置13组成负载系统，对试验钻杆15施加稳态、动态变载扭矩；由轴向力加载系统7对试验钻杆15加载可控轴向载荷；由3个以上的径向约束装置9组成径向约束系统，模拟加载施工中钻杆受到的径向位移约束与径向力加载；由加压水路5、加载水泵6和水路负载系统16组成水路加载系统，能够对试验钻杆15加载一定压力的高压或超高压水压。

扭矩加载系统，由加载马达1通过传动轴13-6与自动变速器3连接，且安装于加载连接装置2上，自动变速器3通过扭矩传递装置与加载减速装置4连接，加载减速装置4通过扭矩传递装置与扭矩加载装置8连接；加载连接装置2可为联轴器。

扭矩加载装置8包括第一承力基座8-2、第一主轴8-7、用于支撑第一主轴8-7的第一推力轴承8-8、用于安装第一推力轴承8-8的第一轴承推力座8-5、与第一承力基座8-2连接用于压紧第一推力轴承8-8的第一端盖8-6、与主轴连接的第一旋转配油组件8-4、与第一旋转配油组件8-4配合的第一供油装置8-3，第一供油装置8-3位于第一承力基座8-2上，主轴通过第一夹持装置8-1与试验钻杆15连接。加载扭矩依次按照连接顺序传递，自动变速器3可以根据转速的大小和扭矩的大小自动换挡，加载马达1能够实现控制输出转矩与转速，自动变速器3与加载马达1匹配控制实现转速和转矩的可控输出。

负载系统，由负载装置13通过传动轴13-6与负载减速装置12连接，负载减速装置12通过扭矩传递装置与转矩转速检测装置11连接，转矩转速检测装置11通过扭矩传递装置与扭矩负载装置10连接，由第二夹持装置10-1夹持试验钻杆15进行加载，负载装置13能够产生可控动态扭矩负载，由负载减速装置12传递至扭矩负载装置10，对试验钻杆15施加负载；电涡流制动器13-7与冲击载荷制动器13-5产生负载施加于试验钻杆15上，模拟输出稳态扭矩、动态变载扭矩、冲击扭矩、周期性冲击扭矩；转矩转速检测装置11对传输的转矩、转速进行检测，对扭矩加载系统、负载系统进行反馈控制。

扭矩负载装置10由第二夹持装置10-1与第二主轴10-7连接，第二推力轴承10-9、推力测量装置10-6、第二承推力座10-5与第二主轴10-7配合顺次连接，第二端盖10-8连接于第一承力基座8-2上以压紧推力测量装置10-6，第二旋转配油组件10-4连接于第二主轴10-7上，第二供油装置10-3连接于第二承力基座10-2上并与第二旋转配油组件10-4配合；通过推力测量装置10-6检测推进力，形成轴向力的反馈控制。

负载装置13，由负载基座13-1、拉力伺服油缸13-2，拉杆13-3，滑轨13-4，冲击载荷制动器13-5，传动轴13-6，电涡流制动器13-7组成；拉力伺服油缸13-2与负载基座13-1连接，拉力伺服油缸13-2通过销轴与拉杆13-3连接，拉杆13-3通过销轴与冲击载荷制动器13-5连接，冲击载荷制动器13-5通过滑槽结构与滑轨13-4配合，实现由拉力伺服油缸13-2带动冲击载荷制动器13-5动作，抱紧传动轴13-6产生制动冲击负载；电涡流制动器13-7连接于负载基座13-1，并与传动轴13-6相连，产生可控稳态扭矩负载。

径向约束系统由三个以上径向约束装置9组成，约束试验钻杆15的弯曲半波、公转半径、径向位移进行试验；径向约束装置9由径向约束基座9-1、滑动轴9-2、位置传感器9-3、钻杆约束基座9-4、滑套9-5、油封圈9-6、第三端盖9-7、推力套9-8、传力轴9-9、第三推力轴承9-10、径向限位环9-11、伺服油缸9-12组成；滑动轴9-2与径向约束基座9-1连接，滑套9-5、油封圈9-6、第三端盖9-7顺次连接，与滑动轴9-2、钻杆约束基座9-4配合，形成滑动结构与润滑密封腔体；传力轴9-9与第三推力轴承9-10配合，安装在钻杆约束基座9-4上，径向限位环9-11安装于传力轴9-9腔体内，并由推力套9-8两端固定；径向限位环9-11内壁与试验钻杆15接触侧有一定弧度，弧度大小根据所试验钻杆15的弯曲约束条件设置；径向约束装置9，按照钻孔直径与钻杆直径的组合，配置不同直径的径向限位环9-11，通过径向约束装置9对试验钻杆15的径向位移、径向载荷形成约束，模拟加载施工中钻杆受到的径向位移约束、半波约束和公转约束；由位置传感器9-3检测径向限位环9-11所处位置，反馈控制伺服油缸9-12加载的径向位移。

轴向力加载系统7与扭矩加载系统连接，由大推进力双油缸装置和承力滑轨输出可控推进力，根据推进切削阻力、滑动摩阻、钻孔约束瞬态冲击与周期性变载，模拟输出稳态或动态推进力，通过推力测量装置检测输出推力，反馈控制推进力的加载。

本实验装置的具体操作步骤如下：

1)根据试验钻杆15的参数、钻孔直径参数，安装布置三个或以上径向约束装置9，对试验钻杆15的约束距离等于试验钻杆15与实验参数匹配产生的半波长，或所试验钻孔对钻杆约束的长度，对试验钻杆15加载径向约束并通过位置传感器9-3反馈控制所加载的径向约束位移。

2)将试验钻杆15安装在扭矩加载装置8和扭矩负载装置10上，并分别由第一夹持装置8-1、第二夹持装置10-1夹紧固定，且试验钻杆15穿过径向约束装置9的径向限位环9-11，使试验钻杆15的轴线与径向限位环9-11的轴线同轴，将加压水路5和水路负载系统16分别安装在试验钻杆15的两侧，形成内部动力水加压回路。

3)通过加载马达1加载驱动力，并控制转速的加载，依次通过加载连接装置2、自动变速器3、加载减速装置4、扭矩加载装置8，将扭矩力与转速传输试验钻杆15。

4)由负载装置13产生稳态反扭矩、交变反扭矩载荷或瞬态冲击载荷，经过负载减速装置12、转矩转速检测装置11、扭矩负载装置10传递至试验钻杆15。

5)通过加载水泵6加载试验所需的水压，通过加压水路5传递至试验钻杆15，由水路负载系统16调节其流量和水压的冲击。

6)通过步骤1)、2)、3)、4)、5)对试验钻杆15的约束与负载进行加载，既可以单独逐项对试验钻杆15进行加载试验，也可以同时对试验钻杆15施加以上负载，以模拟钻杆在多载荷与约束组合条件下的载荷，形成对钻杆加载扭矩、推进力、钻孔对钻杆的径向位移约束与动态径向力、孔底钻杆切削岩石动态反扭矩、动力水压载荷的能力，实现多载荷与约束组合的可控、动态加载，模拟钻杆在钻进施工载荷、交变负载、钻杆涡动、钻柱振动与共振、以及公转、自转离心力等工况条件下的综合性能。

本发明能够模拟钻杆多种工况的约束与受力，对钻杆加载可控的复合载荷，包括扭矩、推进力、钻孔对钻杆的径向位移约束与动态径向力、孔底钻杆切削岩石动态反扭矩、动力水压载荷，检验钻杆在稳态与动态载荷下的综合性能，以及钻杆在涡动、振动、公转、自转、离心力等工况条件下的综合性能。

本发明能够根据煤矿用钻杆的受力与约束工况，通过试验装置模拟加载钻杆稳态、动态载荷并模拟钻杆各种工况的运动，克服了现有钻杆试验装置只能加载单一载荷或静载荷、无法模拟钻杆的综合受力模型与动态载荷模型的缺陷；通过对试验钻杆15加载可控的复合载荷与约束，检验钻杆的疲劳寿命、综合载荷下钻杆的稳定性、综合载荷下钻杆的密封性、钻杆多种受力与运动条件下的强度等综合性能。

本发明适用于对煤矿用钻杆的疲劳寿命、综合载荷下钻杆的稳定性、综合载荷下钻杆的密封性、钻杆多种受力与运动条件下的强度等综合性能试验。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。