一种气体钻井冲击动力工具的测试台架的制作方法

1.本发明涉及钻井装备技术领域，尤其涉及一种气体钻井冲击动力工具的测试台架。


背景技术：

2.目前国内油气井钻井提速要求越来越高，在气体钻井过程中，气体重量对井筒的作用可以忽略不计，受上覆岩层作用的影响，井底岩层所受的应力状态由压应力变为拉应力，因此气体钻井相较于常规泥浆钻井提速效果显著。此外，气体钻井在防漏、保护储层方面也具有较大的优势。以空气锤为代表的气体钻井冲击动力工具基本原理是通过改变高压气体在工具内的流道，带动活塞进行上下往复运动以一定频率冲击钎头，形成对井底岩层的冲击破碎，由于是在气体循环介质下进行，因此兼具气体钻井和冲击钻井的优势。
3.空气锤钻井是一种利用高压气体介质转换能量，实现对岩石高频率(800～1900次/min)冲击破岩的钻井技术，兼具气体钻井和冲击钻井的优势。当使用空气锤钻井时，在空气锤活塞高频冲击动载的作用下，位于钻头底部的复合球齿可使齿尖下面的岩石瞬间达到屈服极限，同时钻头低速回转。通过不断改变球齿与岩石的接触位置，使得在接触点下面经济周围进一步形成了相连的破碎区。加之气体钻井在井底形成的“负压”，将井底岩石的压应力改变为拉应力，有利于岩石中裂纹的产生的扩展，大幅度减弱了井底岩屑的压持效应，从而使得井底岩石的“崩离”破碎充分发挥。因此与常规旋转钻井方式相比，空气锤钻井是一种以冲击、回转、动载联合破岩的高效气体钻井方式，使得火成岩等硬脆性岩石快速钻进成为现实。另外，由于空气锤钻进时所需的钻压较低(一般在10～40kn)，并且空气锤活塞直接冲击纤头进行破岩，底部钻具不承受较大的轴向力，底部钻具产生的弯曲变形较小，因此在硬地层中使用空气锤钻井，在提高机械钻速的同时，也能起到良好的防斜纠斜效果。
4.冲击力、冲击功和冲击频率是评价气体钻井冲击动力工具工作状态的的关键性能参数。空气锤钻进井深最深4304.18m，单只进尺最高1945.90m，最低不足5m，个体差异明显。目前，空气锤入井前通常在钻台面注气测试，仅凭振感、声音判断工作状态是否正常，属于经验评价，存在众多的不确定性。因此，亟需一套气体钻井冲击动力工具性能参数测试台架，定量评价冲击动力工具性能，形成施工入井标准。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有技术所存在的不足，提供一种气体钻井冲击动力工具的测试台架，可以检测气体钻井冲击动力工具在运作时的冲击力、冲击功和冲击频率等主要参数进行实时采集并直观显示。同时掌握不同型号的气体钻井冲击动力工具实际性能参数，定量评价冲击动力工具性能，同时能优化气体钻井冲击动力工具的结构和使用方案。
6.具体通过以下技术方案实现：
7.一种气体钻井冲击动力工具的测试台架，包括数据处理系统和台架装置，台架装
置包括支撑底座、进气总成、尾座总成和安装旋转机构；所述数据处理系统包括布设于台架装置上的信号采集单元以及依次电性连接的信号传输单元、数据整合单元和数据处理单元，信号采集单元电性接入信号传输单元；所述支撑底座包括定位安装架以及分别固定于定位安装架顶部的第一支撑架和第二支撑架；所述进气总成包括进气座、轴承件和进气管；进气座的内部贯穿设置有进气通道，轴承件嵌入设置于进气座内部，并与进气通道同轴设置；进气管包括受气部和受力部，受气部处于进气通道内部，并通过轴承件与进气座转动连接，且受气部的外壁与轴承件的内圈以及进气通道的内壁紧密贴合；受力部设置有与被测试工具丝扣扣型相符的螺纹扣；所述尾座总成包括安装座、冲击块、丝杆和传感器垫块；安装座的内部贯穿设置有安装通道，且安装通道包括光滑冲击部和螺纹定位部；冲击块包括承力部和传力柱，传力柱的一端处于光滑冲击部的内部，并与传感器垫块固定连接，且传力柱的外壁与光滑冲击部的内壁紧密贴合；传力柱的另一端处于安装通道的外部，并与承力部固定连接；丝杆通过螺纹定位部与安装座螺旋连接，并包含有面朝安装通道外部的调节端和面朝传感器垫块的测力端，信号采集单元设置于丝杆的测力端；所述安装旋转机构包括动力电机、传动组件和安装架体；安装架体呈顶部敞口设置的空心长方体结构，安装架体的一端可拆卸的设置于第一支架的顶部，并与第一支架可拆卸连接，安装架体的另一端与第二支架旋转连接；进气总成安装于安装架体内部靠近第一支架的一端；尾座总成的安装座处于安装架体内部靠近第二支架的一端，且尾座总成通过销轴与安装机体固定连接；动力电机处于于安装架体的底部，并与安装架体固定连接；安装架体的底部设置有用于供传动组件穿过的避让孔ⅰ，动力电机的转轴通过传动组件与进气管的受力部传动连接。
8.优选的，所述传动组件为齿轮组件，包括中间齿轮以及分别与中间齿轮啮合的主动齿轮和从动齿轮，中间齿轮与安装架体转动连接，主动齿轮与动力电机的转轴同轴固定连接，从动齿轮与进气管的受力部同轴固定连接。
9.优选的，所述传动组件为链轮组件，包括主动链轮、从动链轮和传动链条，主动链轮与电机的转轴通轴固定连接，从动链轮与进气管的受力部同轴固定连接，主动链轮与从动链轮通过传动链条传动连接。
10.优选的，所述进气座的顶部和安装座的顶部分别设置有吊环，且吊环包括连接螺柱和与连接螺柱的顶部固定连接的环体，进气座和安装座上分别设置有用于与连接螺柱配合的螺纹槽。
11.优选的，所述定位安装架上还设置有用于支撑安装旋转机构的侧靠支撑臂。
12.优选的，所述进气座的进气通道内部嵌入设置有密封圈，密封圈与进气通道同轴设置，进气管受气部的外壁通过密封圈与进气通道的内壁弹性密封。
13.优选的，所述丝杆的调节端设置有用于配合扳手的扳手槽，所述安装架体上与扳手槽同轴设置有供扳手穿过的避让孔ⅱ。
14.优选的，所述进气总成还包括用于防止轴承件轴向移动的环形轴承压板和用于固定环形轴承压板的压紧螺栓；环形轴承压板与轴承同轴设置，若干个压紧螺栓沿环形轴承压板的环向等距间隔设置。
15.优选的，所述安装架体的底部设置有连接板，所述第二支撑包括连接轴和两个相互对称并与定位安装架固定连接的耳板，连接板处于两个耳板之间，连接轴贯穿连接板，连接板通过连接轴与两个耳板转动连接。
16.优选的，所述进气总成的进气座通过螺栓和销轴与安装架体旋转连接，安装架体的顶部和底部分别设置有限位横梁，限位横梁面向安装架体内侧的面设置有两个相互对称的限位滚轮组件，限位滚轮组件包括滚轮体、滚轮轴和设置于滚轮轴两端的滚轮座，滚轮座与限位横梁固定连接，滚轮轴贯穿于滚轮体的轴心处，滚轮体通过滚轮轴与滚轮座转动连接。
17.本技术方案带来的有益效果：
18.1)本技术方案针对现有技术中无法对气体钻井冲击动力工具的冲击力、冲击功和冲击频率进行定量测试的问题，采用布设有信号采集单元的台架装置，对气体钻井冲击动力工具的冲击力、冲击功和冲击频率进行定量测试，通过对测量的参数进行采集分析，方便了测试后期对气体钻井冲击动力工具评价、分析和改进。
19.2)本技术方案针对气体钻井冲击动力工具进入工作状态后，由于冲击力较大，对测试系统和传感器的冲击震动较大的问题，通过硬连接使各部件形成一个整体，为气体钻井冲击动力工具提供稳定的工作环境，具体的，进气总成直接连接至气体钻井冲击动力工具自带的丝扣，尾座总成与气体钻井冲击动力工具之间通过可调节位置的丝杆形成预紧力，从而将气体钻井冲击动力工具固定在安装架体内；测试期间，安装架体与支撑底座相对固定，支撑底座与水泥墩相对固定，如此一来，将气体钻井冲击动力工具锤固定在安装架体架，便可减少台架振荡对试验过程的影响，即确保了气体钻井冲击动力工具工作环境的始终稳定，进一步保证测量数据的准确性。
20.3)本技术方案采用安装的电机驱动被测试工具，实现模拟不同转速下被测试工具关键工作参数，测量不同工况下气体钻井冲击动力工具运作时的冲击力、冲击功和冲击频率等主要性能进行实时测量，还可通过数据处理单元直观显示。
21.4)本技术方案适用性好，具体为可通过调节丝杆使安装架体内部空间适应安装不同长度的气体钻井冲击动力工具，可通过改变进气管上的螺纹扣扣型适配多种气体钻井冲击动力工具。
22.5)本技术方案采用了齿轮组件活动链轮组件，两种结构都较为简单，易于实现，且能确保动力的稳定传输。
23.6)吊环的设置方便了测试台架的移动和运输。
24.7)侧靠支撑臂的设置，避免了操作打滑造成安装架体连同气体钻井冲击动力工具一起过渡旋转，确保了测试操作的安全性。
25.8)本技术方案设置了弹性密封结构，防止进气总成漏气影响为气体钻井冲击动力工具供气的可靠性，进一步确保了测试结果的准确性。
26.9)本技术方案设置了扳手配合结构，当需要调节丝杆时，可借助扳手穿过避让孔ⅱ与扳手槽配合，使调节丝杆的操作更加轻松方便，并可确保尾座总成与气体钻井冲击动力工具之间具有足够的预紧力。
27.10)环形轴承压板与压紧螺栓配合，确保了轴承件在进气座内部的稳定性，降低了轴承件与进气座之间相对固定的强度要求，方便了轴承的拆卸与安装，即，使进气总成的装配更加简单。
28.11)限位横梁用于防止气体钻井冲击动力工具在被测试期间以外脱离安装架体，同时为提供了安装限位滚轮组件的空间条件，四个限位滚轮组件互相配合，可有效防止气
体钻井冲击动力工具在被测期间产生径向位移，确保了本技术方案的使用安全性，进气总成可旋转设置，可增加安装架体内的安装空间，便于气体钻井冲击动力工具放入或取出安装架体。
附图说明
29.本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，其中：
30.图1为使用状态下的台架装置结构示意图；
31.图2为使用状态下的台架装置局部放大透视结构示意图；
32.图3为被测试工具活塞复位操作时的台架装置状态结构示意图；
33.图4为台架装置正面结构示意图；
34.图5为安装架体的正面结构示意图；
35.图6为限位滚轮组件与限位横梁的连接结构示意图；
36.图7为进气总成的正面剖视结构示意图；
37.图8为尾座总成的正面剖视结构示意图；
38.图9为冲锤冲击传感器数学模型；
39.图10为一条冲击力与时间关系曲线；
40.图11为传感器标定冲击力测试数据表；
41.图12为传感器标定冲击功计算数据表；
42.图13为冲击力与冲击功拟合曲线图；
43.图14为数据处理系统的结构框图；
44.图中：
45.1、支撑底座；1.1、定位安装架；1.2、第一支撑架；1.3、第二支撑架；1.3.1、耳板；1.3.2、连接轴；2、进气总成；2.1、进气座；2.2、轴承件；2.3、进气管；2.3.1、受气部；2.3.2、受力部；2.3.3、螺纹扣；2.4、气通道；2.5、环形轴承压板；2.6、压紧螺栓；2.7、密封圈；3、尾座总成；3.1、安装座；3.2、冲击块；3.2.1、承力部；3.2.2、传力柱；3.3、丝杆；3.4、传感器垫块；3.5、安装通道；4、安装旋转机构；4.1、动力电机；4.2、传动组件；4.2.1、主动齿轮；4.2.2、中间齿轮；4.2.3、从动齿轮；4.3、安装架体；4.3.1、避让孔ⅰ；4.3.2、避让孔ⅱ；4.4、连接板；5、吊环；5.1、连接螺柱；5.2、环体；6、侧靠支撑臂；7、扳手槽；8、限位横梁；9、限位滚轮组件；9.1、滚轮体；9.2、滚轮轴；9.3、滚轮座；10、水泥墩；11、被测试工具；12、信号采集单元。
具体实施方式
46.下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。
47.实施例1
48.本实施例公开了一种气体钻井冲击动力工具的测试台架，作为本发明一种基本的实施方案包括数据处理系统和台架装置，台架装置包括支撑底座1、进气总成2、尾座总成3和安装旋转机构4。数据处理系统包括布设于台架装置上的信号采集单元12以及依次电性连接的信号传输单元、数据整合单元和数据处理单元，信号采集单元12电性接入信号传输
单元。支撑底座1包括定位安装架1.1以及分别固定于定位安装架1.1顶部的第一支撑架1.2和第二支撑架1.3；进气总成2包括进气座2.1、轴承件2.2和进气管2.3；进气座2.1的内部贯穿设置有进气通道2.4，轴承件2.2嵌入设置于进气座2.1内部，并与进气通道2.4同轴设置；进气管2.3包括受气部2.3.1和受力部2.3.2，受气部2.3.1处于进气通道2.4内部，并通过轴承件2.2与进气座2.1转动连接，且受气部2.3.1的外壁与轴承件2.2的内圈以及进气通道2.4的内壁紧密贴合；受力部2.3.2设置有与被测试工具11丝扣扣型相符的螺纹扣2.3.3；尾座总成3包括安装座3.1、冲击块3.2、丝杆3.3和传感器垫块3.4；安装座3.1的内部贯穿设置有安装通道3.5，且安装通道3.5包括光滑冲击部和螺纹定位部；冲击块3.2包括承力部3.2.1和传力柱3.2.2，传力柱3.2.2的一端处于光滑冲击部的内部，并与传感器垫块3.4固定连接，且传力柱3.2.2的外壁与光滑冲击部的内壁紧密贴合；传力柱3.2.2的另一端处于安装通道3.5的外部，并与承力部3.2.1固定连接；丝杆3.3通过螺纹定位部与安装座3.1螺旋连接，并包含有面朝安装通道3.5外部的调节端和面朝传感器垫块3.4的测力端，信号采集单元12设置于丝杆3.3的测力端；安装旋转机构4包括动力电机4.1、传动组件4.2和安装架体4.3；安装架体4.3呈顶部敞口设置的空心长方体结构，安装架体4.3的一端可拆卸的设置于第一支架的顶部，并与第一支架可拆卸连接，安装架体4.3的另一端与第二支架旋转连接；进气总成2安装于安装架体4.3内部靠近第一支架的一端；尾座总成3的安装座3.1处于安装架体4.3内部靠近第二支架的一端，且尾座总成3通过销轴与安装机体固定连接；动力电机4.1处于于安装架体4.3的底部，并与安装架体4.3固定连接；安装架体4.3的底部设置有用于供传动组件4.2穿过的避让孔ⅰ4.3.1，动力电机4.1的转轴通过传动组件4.2与进气管2.3的受力部2.3.2传动连接。
49.其中，数据处理系统是指基于计算机，通过测量软、硬件产品来实现用户自定义功能的测量系统。信号采集单元12通常为各种传感器，用于采集所需测量的信号；数据传输单元指用于对信号进行转换、放大、过滤和调整等初步处理的线路；数据整合单元即为数据采集卡；数据处理单元即对各种数据进行处理所使用的软件。本次数据采集需要整合信号采集单元12上传的信号，实现气体钻井冲击动力工具(液动冲击器)的八种性能的测量，综合分析实用性以及经济性等因素，本技术方案选用由北京双诺测控技术有限公司所生产的型号为mp4221的数据采集卡，其主要特性如下：usb2.0总线ad采集模块；8路单端输入，采样通道可以进行自动扫描；12位2mhzad，采用软件自动校正技术，并且ad输入有0～5v、0～10v和
±
5v三种，可以通过软件程序设置不同的增益值进行控制，所有通道的输入范围相同；采集模式包含连续采集和存储定长采集两种，mp4221启动既可以选择软件触发也可以选择外部硬件触发方式；2路24位计数器，采用减法计数的模式计数，既可以测量信号的频率也可对n个脉冲上升边沿间的间隔时间进行测量；2路20位脉冲输出，时钟频率为10mhz。可以产生pwm方波、单次正脉冲输出、可编程脉冲个数输出；ad输入通道通过自动扫描的方式一次进行转换，用户可以任意设置转换的起始和结束通道；两路独立12位da，输出5v/
±
5v，其输出只能用作电压输出的控制，不能当做信号发生器。
50.在需要对气体钻井冲击动力工具进行参数测试时，可将台架装置固定于水泥墩10上，具体是采用螺栓将支撑底座1固定于水泥墩10上；然后将被测试工具11装入安装架体4.3中，通过被测试工具11丝扣与进气管2.3受力部2.3.2的螺纹扣2.3.3配合，使被测式工具的一端与进气总成2可拆卸连接；通过调节丝杆3.3，使尾座总成3的冲击块3.2贴紧被测
试工具11，将安装架体4.3沿第二支架旋转至垂直于定位安装架1.1的状态，使被测试工具11内的活塞复位，随后下放安装架体4.3到第一支架上，使安装架体4.3与定位安装架1.1相互平行，并采用销轴和螺栓使安装架体4.3与第一支架可拆卸连接；在进气总成2的进气座2.1上连接供气设备，供气设备制备的压缩空气通过进气管2.3进入被测试工具11，此后被测试工具11进入工作状态，并对冲击块3.2进行冲击，冲击块3.2通过传感器垫将冲击力传递给信号采集单元12，实现对冲击力的实时测量，此时，可启动电机，使电机驱动大齿轮进而带动被测试工具11，测量不同工具转速下的冲击力。测量得到冲击力后，可通过数据处理系统间接计算出冲击功和冲击频率。
51.冲击力测试方法：
52.通过信号采集单元12测力，基于测力需求，数据采集单元包含了压力传感器，根据各类压力传感器的工作原理，冲击力可以通过压力传感器直接测量而来。根据所测量液动冲击器的特性以及冲击力的大致范围，选用成都科大胜英科技有限公司的压电石英力传感器，其型号为511f05，其工作原理为压电效应，它可以测量的压缩力的最大值约5t，主要性能参数：量程(压)50kn、灵敏度0.1mv/n、测量范围50kn pk、共振频率50khz、下线频率1hz、输出方式m5、重量30g。
53.冲击力测试获取原理：
54.建立如图9所示的冲锤冲击传感器数学模型，设定冲锤下落接触到传感器时的速度为v，压电石英力传感器是因为受到压力继而产生电荷，再通过电荷放大器对其进行一定的处理，输出电压信号。冲锤冲击传感器后会产生一定的反弹，因此冲击过程不是完全非弹性碰撞。假定传感器分为三层，传感器上层和下层设定为一个刚度很大的弹簧，中层假定为一个不变形的刚体。传感器受到冲击后传感器上层和下层都会受压，在冲击过程中，上层弹簧的形变为x1，下弹簧的形变为x2。在该数学模型中，冲锤的下落过程中，把接触时刻的动能转换为两个刚度很大的弹簧的弹性势能，达到最大形变时(xmax)，传感器所受的力达到最大(fmax)。随后弹簧恢复形变，将冲锤反弹，但在弹簧恢复弹性变形的的过程中，因为传感器和支撑底座1有限位，阻滞很大，所以弹簧只把部分弹性势能转换为冲锤的反弹动能。
55.由动能定理可得接触时刻的动能m为冲锤质量；v为冲锤与传感器刚接触时冲锤的速度，也是冲锤的最大速度。冲锤不断下落，直至传感器的弹性形变达到最大值，此时弹簧所存储的总弹性势能p为：
[0056][0057]
式(3-1)中k1与k2为两段弹簧的弹性系数，x
1max
与x
2max
为两段弹簧的最大变形量。
[0058]
设定冲锤速度到达最大时冲锤的的动能为冲击功w，则冲击功w与弹簧总弹性势能p相等，可得：
[0059][0060]
据胡克定理可得：
[0061]f1max
＝k1x
1max
ꢀꢀ
(3-3)
[0062]f2max
＝k2x
2max
ꢀꢀ
(3-4)
[0063]
由式(3-2)、式(3-3)和式(3-4)可得：
[0064][0065]
当弹簧达到最大形变时，传感器近似看作受力平衡，则
[0066]fmax
＝f
1max
＝f
2max
ꢀꢀ
(3-6)
[0067]
由式(3-5)和式(3-6)得
[0068][0069]
令k为上下两个弹簧的串联后的弹性系数，那么：
[0070][0071]
由于k与传感器构件自身特性相关的系数，为固定系数，所以可以得出冲击功(w)与最大冲击力的平方(f
2 max)成正比。
[0072]
冲锤通过冲击砧子完成冲击能量的传递，假定砧子为完全刚形体，冲锤为非完全刚性体，但是弹性刚度很大，且冲击过程中其变形为弹性变形。设定冲锤从开始冲击砧子至其形变至最大位置这一段时间作为研究对象，则根据冲量定理可得：
[0073]
∫fdt＝mv
ꢀꢀ
(3-10)
[0074]
f为冲击过程中任意一时刻冲锤的冲击力；m为冲锤质量；v为冲击接触时刻冲锤的速度；t为冲击过程中的任意一时刻。
[0075][0076]
为冲击过程的平均冲击力；
[0077]
由式(3-10)和式(3-11)可得：
[0078][0079]
根据动能定理，冲锤速度达到最大时冲锤的动能为冲击功，则：
[0080][0081]
任意画出一条冲击力与冲击时间的关系曲线，如图10所示，设：
[0082]
f(t)＝f
max
f(t)
ꢀꢀ
(3-14)
[0083][0084]
f(t)为任意时刻的冲击力；f
max
为冲锤的最大冲击力；f(t)为最大冲击力为单位1n
时，冲锤在冲击过程中任意一时刻的冲击力。
[0085]
由式(3-14)和(3-15)可得：
[0086][0087][0088]
由于f(t)为最大冲击力为单位1n时，冲锤在冲击过程中任意一时刻产生的冲击力，要产生最大冲击力为1n的冲击力，在不计下落能量损耗的情况下，则必定对应着某一确定的高度h。因下落的高度h确定，则冲锤下落接触砧子的瞬间速度唯一确定(由动量定理可得)。在最大冲击力为单位1n时，冲击过程用冲量定理可得：
[0089]
∫f(t)dt＝mv'
ꢀꢀ
(3-18)
[0090]v′
为最大冲击力为1n时冲锤的对应的速度，由式(3-17)和公式(3-18)可得：
[0091][0092]
最大冲击力为1n时冲锤的对应的速度v
′
，冲锤的质量m和冲击时间t均为定值，令：
[0093][0094]
式中k同样为定值，则可得：
[0095][0096]
由式(3-13)和式(3-21)中，可得：
[0097][0098]
因为k、t、m均为常数，所以可以得出冲击功w与最大冲击力成正比关系。
[0099]
综合以上两种论证结论，可得冲击功与最大冲击力之间的呈二次曲线关系，考虑到实际情况并非理想状态，设定二者之间的的关系为：
[0100][0101]
式中，a、b、c均为常数。
[0102]
对压电石英力传感器进行标定，传感器标定的目的是找出冲击力和冲击功之间的比例系数，即由上文得到的常数a、b、c。压电石英力传感器标定方式为：采用专门的标定装置，首先将压电石英力传感器固定，将冲锤的一端与标定装置的钢丝绳相连，钢丝绳通过滑轮装置实现冲锤在不同高度的调节，冲击时直接松开钢丝绳即可；其次通过数据采集卡对传感器上传的信号进行采集；最后通过大量实验数据拟合出冲击力与冲击功之间的关系图形，并得出相应的系数来完成传感器的标定。选用最小二乘法对两组数据进行曲线拟合，利用最小二乘法曲线拟合时，以所采集到的离散数据作为标准数据，同时刻拟合曲线上的数
据作为待测数据。计算标准数据与待测数据间的误差平方和，误差平方和越小，曲线拟合效果越好。拟合的曲线后可以预测其他未测量点的数据。通过matlab软件对质量为10.5kg的冲锤从不同高度自由落体所得到的数据进行曲线拟合来得到冲击力与冲击功关系曲线，实验数据如图11和图12所示，所得到的拟合图形见图13，结合拟合曲线结果即可获得式2-23中a、b、c的值来完成传感器的标定。通过对数据进行多项式拟合得出a取值为0.00005，b取值为-0.098，c取值为5.0421。
[0103]
冲击频率测量方式：
[0104]
冲击频率通常不直接侧量，而是通过间接测量的方式获得。常见的有声波法和触点法。本文选用间接测量的方式，即在测量冲击力的过程中，根据最大冲击力在单位时间内出现的次数，计算得出液动冲击器的冲击频率。
[0105]
本技术方案针对现有技术中无法对气体钻井冲击动力工具的冲击力、冲击功和冲击频率进行定量测试的问题，采用布设有信号采集单元12的台架装置，对气体钻井冲击动力工具的冲击力、冲击功和冲击频率进行定量测试，通过对测量的参数进行采集分析，方便了测试后期对气体钻井冲击动力工具评价、分析和改进。本技术方案针对气体钻井冲击动力工具进入工作状态后，由于冲击力较大，对测试系统和传感器的冲击震动较大的问题，通过硬连接使各部件形成一个整体，为气体钻井冲击动力工具提供稳定的工作环境，具体的，进气总成2直接连接至气体钻井冲击动力工具自带的丝扣，尾座总成3与气体钻井冲击动力工具之间通过可调节位置的丝杆3.3形成预紧力，从而将气体钻井冲击动力工具固定在安装架体4.3内；测试期间，安装架体4.3与支撑底座1相对固定，支撑底座1与水泥墩10相对固定，如此一来，将气体钻井冲击动力工具锤固定在安装架体4.3架，便可减少台架振荡对试验过程的影响，即确保了气体钻井冲击动力工具工作环境的始终稳定，进一步保证测量数据的准确性。本技术方案采用安装的电机驱动被测试工具11，实现模拟不同转速下被测试工具11关键工作参数，测量不同工况下气体钻井冲击动力工具运作时的冲击力、冲击功和冲击频率等主要性能进行实时测量，还可通过数据处理单元直观显示。本技术方案适用性好，具体为可通过调节丝杆3.3使安装架体4.3内部空间适应安装不同长度的气体钻井冲击动力工具，可通过改变进气管2.3上的螺纹扣2.3.3扣型(具体为更换带有不同螺纹扣2.3.3扣型的进气管2.3)适配多种气体钻井冲击动力工具，具体为，本技术方案可测试直径为180～275mm的空气锤以及直径为172～245mm的空气螺杆。
[0106]
实施例2
[0107]
本实施例公开了一种气体钻井冲击动力工具的测试台架，作为本发明一种优选的实施方案，即实施例1中，信号采集单元可包括四个压力变送器、一个流量传感器和一个压电石英力传感器，流量传感器用于测量供气设备的输出气量，压力变送器配合压电石英力传感器采集冲击力信号。由于压电石英力传感器和压力变送器所输出信号都是4～20ma的电流信号，而本系统选用的数据采集卡的输入信须为电压信号，所以各传感器所采集的信号在进入数据采集卡前均须转换为电压信号。根据各传感器的特点，压力变送器的信号转换器选用型号为soc-av-1-1的信号转换器，而压电石英力传感器则选用型号为lc0201的信号调理器，以上两种信号转换(调理)器都可以将电流信号转换为电压信号输出。据上文所述，本文中所选用的六个传感器中流量传感器激励电压为+24vdc，四个同规格的压力传感器所需激励电压为+12～+24vdc，其对应的信号转换器的激励电压+24vdc；压电石英力传感
器的激励电压为+18～+30vdc，其信号调理器的供电电压为+24vdc。由于实际供电电压为220v，所以本文中选用一个+24vdc的电源适配器为各传感器以及信号转换(调理)器提供激励电压。由于试验台工作环境可能较为恶劣，为了保护各零部件且方便管理，将信号信号调理器、数据采集卡以及电源适配器组合为一体的数据采集箱，数据处理系统的结构框图如图所示其结构见图14。
[0108]
实施例3
[0109]
本实施例公开了一种气体钻井冲击动力工具的测试台架，作为本发明一种优选的实施方案，即实施例1中，传动组件4.2为齿轮组件，包括中间齿轮4.2.2以及分别与中间齿轮4.2.2啮合的主动齿轮4.2.1和从动齿轮4.2.3，中间齿轮4.2.2与安装架体4.3转动连接，主动齿轮4.2.1与动力电机4.1的转轴同轴固定连接，从动齿轮4.2.3与进气管2.3的受力部2.3.2同轴固定连接。或者传动组件4.2为链轮组件，包括主动链轮、从动链轮和传动链条，主动链轮与电机的转轴通轴固定连接，从动链轮与进气管2.3的受力部2.3.2同轴固定连接，主动链轮与从动链轮通过传动链条传动连接。
[0110]
本技术方案采用了齿轮组件活动链轮组件，两种结构都较为简单，易于实现，且能确保动力的稳定传输。
[0111]
实施例4
[0112]
本实施例公开了一种气体钻井冲击动力工具的测试台架，作为本发明一种优选的实施方案，即实施例1中，进气座2.1的顶部和安装座3.1的顶部分别设置有吊环5，且吊环5包括连接螺柱5.1和与连接螺柱5.1的顶部固定连接的环体5.2，进气座2.1和安装座3.1上分别设置有用于与连接螺柱5.1配合的螺纹槽。吊环5的设置方便了测试台架的移动和运输。
[0113]
进一步的，所述定位安装架1.1上还设置有用于支撑安装旋转机构4的侧靠支撑臂6，在对气体钻井冲击动力工具进行活塞复位操作时，安装架体4.3可斜靠在侧靠支撑臂6上，避免了操作打滑造成安装架体4.3连同气体钻井冲击动力工具一起过渡旋转，确保了测试操作的安全性。
[0114]
进一步的，进气座2.1的进气通道2.4内部嵌入设置有密封圈2.7，密封圈2.7与进气通道2.4同轴设置，进气管2.3受气部2.3.1的外壁通过密封圈2.7与进气通道2.4的内壁弹性密封。防止进气总成2漏气影响为气体钻井冲击动力工具供气的可靠性，进一步确保了测试结果的准确性。
[0115]
实施例5
[0116]
本实施例公开了一种气体钻井冲击动力工具的测试台架，作为本发明一种优选的实施方案，即实施例1中，丝杆3.3的调节端设置有用于配合扳手的扳手槽7，所述安装架体4.3上与扳手槽7同轴设置有供扳手穿过的避让孔ⅱ4.3.2。当需要调节丝杆3.3时，可借助扳手穿过避让孔ⅱ4.3.2与扳手槽7配合，使调节丝杆3.3的操作更加轻松方便，并可确保尾座总成3与气体钻井冲击动力工具之间具有足够的预紧力。
[0117]
进一步的，进气总成2还包括用于防止轴承件2.2轴向移动的环形轴承压板2.5和用于固定环形轴承压板2.5的压紧螺栓2.6；环形轴承压板2.5与轴承同轴设置，若干个压紧螺栓2.6沿环形轴承压板2.5的环向等距间隔设置。此结构确保了轴承件2.2在进气座2.1内部的稳定性，降低了轴承件2.2与进气座2.1之间相对固定的强度要求，方便了轴承的拆卸
与安装，即，使进气总成2的装配更加简单。
[0118]
实施例6
[0119]
本实施例公开了一种气体钻井冲击动力工具的测试台架，作为本发明一种优选的实施方案，即实施例1中，安装架体4.3的底部设置有连接板4.4，所述第二支撑包括连接轴1.3.2和两个相互对称并与定位安装架1.1固定连接的耳板1.3.1，连接板4.4处于两个耳板1.3.1之间，连接轴1.3.2贯穿连接板4.4，连接板4.4通过连接轴1.3.2与两个耳板1.3.1转动连接。该结构既能承受气体钻井冲击动力工具的冲击力，又能满足安装架体4.3所需的旋转要求。
[0120]
进一步的，所述进气总成2的进气座2.1通过螺栓和销轴与安装架体4.3旋转连接，安装架体4.3的顶部和底部分别设置有限位横梁8，限位横梁8面向安装架体4.3内侧的面设置有两个相互对称的限位滚轮组件9，限位滚轮组件9包括滚轮体9.1、滚轮轴9.2和设置于滚轮轴9.2两端的滚轮座9.3，滚轮座9.3与限位横梁8固定连接，滚轮轴9.2贯穿于滚轮体9.1的轴心处，滚轮体9.1通过滚轮轴9.2与滚轮座9.3转动连接。限位横梁8用于防止气体钻井冲击动力工具在被测试期间以外脱离安装架体4.3，同时为提供了安装限位滚轮组件9的空间条件，四个限位滚轮组件9互相配合，可有效防止气体钻井冲击动力工具在被测期间产生径向位移，确保了本技术方案的使用安全性，进气总成2可旋转设置，可增加安装架体4.3内的安装空间，便于气体钻井冲击动力工具放入或取出安装架体4.3。