[发明专利]一种相对回转结构中的压扭分离力载测量方法

说明书

一种相对回转结构中的压扭分离力载测量方法，外管与钻头连接端截短后通过外螺纹与弹性元件的下端连接，弹性元件的上端通过插槽与外管过渡连接段的下端连接，外管过渡连接段的上端通过插孔与外管截短端连接，外管截短长度等于外管过渡段连接段与弹性元件连接后的长度，传感元件放在弹性元件上，从外管过渡段连接段下端到传感元件下端的外部，并设有保护套，保护套、外管过渡连接段、截短后的外管通过螺钉连接，弹性元件底部螺纹和外管过渡段连接段将钻头、传感器截断后的外管连接在一起，并将钻头所受的轴向力和扭矩直接传递给力传感器，力传感器包括弹性元件、两个传感元件。

技术领域

本发明涉及仪器测量领域，特别是一种相对回转结构中的压扭分离力载测量方法。

背景技术

地外天体采样任务中，螺旋钻具是执行星壤采集的最有效工具，特别是深层钻取采样探测。地外天体表面一般无水，星壤一般以不含水的堆积颗粒或者岩石状态存在。螺旋钻具执行任务时候，钻头与钻杆会分别承受力载。针对干颗粒群的钻取过程中，钻头和钻杆之间的力载分布会严重影响钻进取样效果，钻进过程实时测量钻头与钻杆之间的作用力有利于为钻具的研制和星壤工况的探测方法制定提供直接支撑。

执行钻取采样的螺旋钻具通常由三部分组成：钻头(中间进芯通道有孔)，钻杆(一般为薄壁螺旋结构)，取芯机构(一般放置在钻杆内孔中)。正常钻进过程中，钻杆与钻头连接，相对取芯机构旋转；回转钻进过程中部分星壤通过进芯通道进入取芯机构，部分月壤通过螺旋通道排至星壤表面。钻头与钻杆之间力载的测量环节必须达到如下目标：(1)不能干扰或者改变钻取效果，既不能改变钻具外侧面构型；(2)可供利用的空间只有2～3mm,且该空间存在回转相对运动；(3)钻进过程中钻杆会发生变形，需尽可能消除其对测量影响；(4)钻具外侧为模拟月壤，设计结构防止月壤对测量结果的干扰；(5)钻具钻进过程中同时承受压力和扭矩，需将力载分解并测量压力和扭矩；(6)钻进过程会有50℃温升，需消除温升对测量影响。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种相对回转结构中的压扭分离力载测量方法，解决了狭小空间和复杂作用环境下相对回转结构下压扭分离力载的测量。

本发明的技术解决方案是：一种相对回转结构中的压扭分离力载测量方法，包括如下步骤：

(1)截短外管与钻头连接端，使得钻头通过外螺纹与弹性元件的下端连接，弹性元件的上端通过插槽与外管过渡连接段的下端连接，外管过渡连接段的上端通过插孔与外管截短端连接，使得外管截短长度等于外管过渡段连接段与弹性元件连接后的长度，传感元件放在弹性元件上，从外管过渡段连接段下端到传感元件下端的外部，并设有保护套，通过螺钉将保护套、外管过渡连接段、截短后的外管连接在一起，其中，保护套实现钻进过程中原有的作用关系不改变，弹性元件底部螺纹和外管过渡段连接段将钻头、传感器截断后的外管连接在一起，并将钻头所受的轴向力和扭矩直接传递给力传感器；

(2)通过在弹性元件上粘贴的传感元件，两个传感元件连接成惠斯通电桥，传感元件中轴线方向电阻及与轴向方向垂直的电阻组成全桥，其中，中轴线方向电阻用于测量轴向压力，与轴向垂直方向电阻用于温度补偿，与传感元件中轴线方向成45°角的电阻组成半桥，实现温度自补偿，测量压力的全桥输出四根传输线，测量扭矩的半桥输出3根传输线；

(3)传输线采用透明胶条紧贴于外管内壁，将采集信号从回转结构中输出；

(4)在钻头末端施加标准的压力后测量电压U1，采用最小二乘法拟合电压与力的关系得到映射系数K1，在钻头末端施加扭矩，测量电压U2，采用最小二乘法拟合电压与力的关系得到映射系数K2，最终得到压力和扭矩公式，进而完成相对回转结构中的压扭分离力载测量。

所述的相对回转结构包括钻头、外管、内管，其中，钻头与外管相连，内管与钻头、外管相连后的形成组合体连接，并形成相对回转的结构。

所述的两个传感元件贴在弹性元件筒壁的对称位置且方向相对。