【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种近钻头工程参数测量装置及测量方法，属于斜井钻机钻进。
技术介绍
1、斜井钻机作为一种典型的非开挖装备，在隧道工程中具有广泛的应用前景，斜井钻机施工以斜孔钻进为主，作业过程中在动力头处，对钻杆施加推拉力及扭矩，使其不断的向前钻进。钻进过程中，钻头后端连接有螺杆马达，驱动钻头转动。由于地质环境复杂，钻进过程中不同地质环境对钻头有不同程度的影响，同时钻头处施加不同转速、扭矩及推进力时，钻进效率也会不同，在实际工程中需要对钻头处工程参数进行测量，用以实时反应钻进情况，监测近钻头处地层地质信息。但是，在钻进过程中，钻进深度较大，钻孔地质条件复杂，这对钻头处钻进参数测量提出了极大的挑战，急需一种钻头及近钻头处工程参数测量方案，用以更加精准，高效地获取近钻头处工程参数，从而指导实际施工作业。
2、斜井钻机钻进施工时，钻进距离远，地层复杂，且由于钻杆柔性变形等原因使得在整机处获得的推进力、扭矩等钻进参数传递到钻头处时会存在较大的衰减，并不能真实反应近钻头处钻具的力学特征及岩石的力学特征，只能对地质特征进行粗略的评估。
3、在专利“一种近钻头扭矩和进给力的测定装置(cn 108120533 b)”中，对近钻头处扭矩及进给力进行测量，并未测量钻头上的实际扭矩及进给力，且并未测量钻头实际转速，无法实时监测到钻进过程中钻头转速与扭矩的耦合关系，无法及时监测到钻头是否发生卡钻现象，数据采集不足。
4、在专利“一种近钻头工程参数实时随钻测量装置(cn 113931615 a)”中对近钻头处的多种力学参数
5、在专利“确定钻头扭矩的方法及确定钻头工作效率的方法(cn 110763383a)”中可以获取钻头扭矩及工作效率，获取的参数较少，并且通过理论计算的方式获取钻头扭矩，没有对扭矩等参数进行实际测量，其数据可靠性存在一定的欠缺。
6、以上技术均未实现对于钻头处力学参数持续的测量，在工程应用时存在一定的局限性。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种近钻头工程参数测量装置及测量方法，用以解决斜井钻机钻进过程中钻头处钻进参数测量困难的问题。
2、为达到上述目的，本专利技术是采用下述技术方案实现的：
3、第一方面，本专利技术提供了一种近钻头工程参数测量装置，包括：相互连接的新型钻头和工程参数测量机构，其中：
4、所述工程参数测量机构包括外筒、内筒、三轴加速度传感器、信号处理模块、地面信号接收装置及电池模块，其中：
5、所述内筒设置于外筒之内并与外筒同轴放置，所述外筒与螺杆马达定子连接，所述内筒一端与螺杆马达转子连接，另一端与新型钻头连接，所述内筒中部设置导电线圈，所述外筒设置为磁性结构，所述内筒跟随螺杆马达转子转动时，在导电线圈中产生电流，储存至电池模块中；
6、所述电池模块、信号处理模块以及三轴加速度传感器均设置于外筒的内壁上，所述电池模块中设置有电流计，所述信号处理模块分别与电流计、三轴加速度传感器以及设置于地面上的地面信号接收装置通信连接，其中，所述信号处理模块用于接收电流计及三轴加速度传感器传来的信号，进行逻辑计算得出钻进参数信息并传递信息至地面信号接收装置中。
7、进一步的，所述新型钻头包括钻头本体、钻压应变片、扭矩应变片以及数据发射系统，所述钻头本体与内筒连接，所述钻头本体尾部端面上设置有环形凹槽，在环形凹槽中，沿着轴向从下至上依次布置钻压应变片、扭矩应变片、数据发射系统，且所述钻压应变片及扭矩应变片与数据发射系统连接，所述数据发射系统与信号处理模块通信连接。
8、进一步的，所述钻压应变片与扭矩应变片将应变信号转化成电流信号传递至数据发射系统中，所述数据发射系统再将电流信号发射至信号处理模块中进行数据转化，获取钻头上扭矩及推进力信息，并传递信息至地面信号接收装置中。
9、进一步的，所述三轴加速度传感器用于测量外筒的角加速度信息，并将测得的信号传递至信号处理模块中，在信号处理模块中将角加速度信息进行逻辑计算获取外筒的转速信息，并传递信息至地面信号接收装置中。
10、进一步的，所述电流计用于将测得的内筒相对外筒转动产生的电流值信息传递至信号处理模块中，在信号处理模块中将电流值信息转化成转速信息，获取内筒及新型钻头相对于外筒的相对转速，再将外筒的转速与新型钻头相对于外筒的相对转速进行叠加，获取新型钻头的转速信息，而后将转速信息传递至地面信号接收装置中。
11、进一步的，所述钻压应变片安装在在环形凹槽的最底端，用于测量钻头压应变信息，获取钻头推进力，扭矩应变片安装在钻压应变片之上，用于测量钻头扭矩应变信息，获取钻头扭矩，钻压应变片与扭矩应变片测量电路均为全桥连接方式，分别沿着环形凹槽一周等距布置四个应变片，且所述钻压应变片与扭矩应变片的各个应变片均设置有保护外壳。
12、进一步的，所述内筒轴向截面为工字型结构，中间细两端粗。
13、进一步的，所述外筒与内筒之间连接方式为限制轴向线位移，允许绕轴相对转动。
14、第二方面，本专利技术提供一种根据前述任一项所述的近钻头工程参数测量装置的测量方法，包括：
15、在施工作业时，通过三轴加速度传感器测量外筒的角加速度信息，并将测得的信号传递至信号处理模块中，在信号处理模块中将角加速度信息进行逻辑计算获取外筒的转速信息；
16、通过电池模块中电流计测得内筒相对外筒转动产生的电流值信息，将电流值信息传递至信号处理模块中，在信号处理模块中将电流值信息转化成转速信息，获取内筒及新型钻头相对于外筒的相对转速；
17、将外筒的转速与新型钻头相对于外筒的相对转速进行叠加，获取新型钻头的转速信息，而后将转速信息传递至地面信号接收装置中。
18、进一步的，所述测量方法还包括：通过钻压应变片与扭矩应变片将应变信号转化成电流信号传递至数据发射系统中；数据发射系统再将电流信号发射至信号处理模块中进行数据转化，获取钻头上扭矩及推进力信息，并传递信息至地面信号接收装置中。
19、与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果：
20、(1)对已有钻头进行技术改造，可以实现钻头处的扭矩及推进力的测量和实时传输。
21、(2)可以实现钻头及钻杆转速的实时测量，及时发现钻头处的卡钻现象。
22、(3)利用螺杆马达带动测量装置内筒转动产生电流，为整个测量系统供电，实现长时间测量。
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1.一种近钻头工程参数测量装置，其特征在于，包括：相互连接的新型钻头(1)和工程参数测量机构(2)，其中：
2.根据权利要求1所述的近钻头工程参数测量装置，其特征在于，所述新型钻头(1)包括钻头本体(12)、钻压应变片(3)、扭矩应变片(4)以及数据发射系统(5)，所述钻头本体(12)与内筒(11)连接，所述钻头本体(12)尾部端面上设置有环形凹槽，在环形凹槽中，沿着轴向从下至上依次布置钻压应变片(3)、扭矩应变片(4)、数据发射系统(5)，且所述钻压应变片(3)及扭矩应变片(4)与数据发射系统(5)连接，所述数据发射系统(5)与信号处理模块(9)通信连接。
3.根据权利要求2所述的近钻头工程参数测量装置，其特征在于，所述钻压应变片(3)与扭矩应变片(4)将应变信号转化成电流信号传递至数据发射系统(5)中，所述数据发射系统(5)再将电流信号发射至信号处理模块(9)中进行数据转化，获取钻头上扭矩及推进力信息，并传递信息至地面信号接收装置中。
4.根据权利要求1所述的近钻头工程参数测量装置，其特征在于，所述三轴加速度传感器(10)用于测量外筒(7)
5.根据权利要求1所述的近钻头工程参数测量装置，其特征在于，所述电流计用于将输入电流值的信息传递至信号处理模块(9)中，在信号处理模块(9)中将电流值信息转化成转速信息，获取内筒(11)及新型钻头(1)相对于外筒(7)的相对转速，再将外筒(7)的转速与该相对转速进行叠加，获取新型钻头(1)的转速信息，而后将转速信息传递至地面信号接收装置(13)中。
6.根据权利要求2所述的近钻头工程参数测量装置，其特征在于，所述钻压应变片(3)安装在在环形凹槽的最底端，用于测量钻头压应变信息，获取钻头推进力，扭矩应变片(4)安装在钻压应变片(3)之上，用于测量钻头扭矩应变信息，获取钻头扭矩，钻压应变片(3)与扭矩应变片(4)测量电路均为全桥连接方式，分别沿着环形凹槽一周等距布置四个应变片，且所述钻压应变片(3)与扭矩应变片(4)的各个应变片均设置有保护外壳。
7.根据权利要求1所述的近钻头工程参数测量装置，其特征在于，所述内筒(11)轴向截面为工字型结构，中间细两端粗。
8.根据权利要求1所述的近钻头工程参数测量装置，其特征在于，所述外筒(7)与内筒(11)之间连接方式为限制轴向线位移，允许绕轴相对转动。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的近钻头工程参数测量装置的测量方法，其特征在于，包括：
10.根据权利要求9所述的近钻头工程参数测量装置的测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括：通过钻压应变片(3)与扭矩应变片(4)将应变信号转化成电流信号传递至数据发射系统(5)中；数据发射系统(5)再将电流信号发射至信号处理模块(9)中进行数据转化，获取钻头上扭矩及推进力信息，并传递信息至地面信号接收装置(13)中。
...【技术特征摘要】
1.一种近钻头工程参数测量装置，其特征在于，包括：相互连接的新型钻头(1)和工程参数测量机构(2)，其中：
2.根据权利要求1所述的近钻头工程参数测量装置，其特征在于，所述新型钻头(1)包括钻头本体(12)、钻压应变片(3)、扭矩应变片(4)以及数据发射系统(5)，所述钻头本体(12)与内筒(11)连接，所述钻头本体(12)尾部端面上设置有环形凹槽，在环形凹槽中，沿着轴向从下至上依次布置钻压应变片(3)、扭矩应变片(4)、数据发射系统(5)，且所述钻压应变片(3)及扭矩应变片(4)与数据发射系统(5)连接，所述数据发射系统(5)与信号处理模块(9)通信连接。
3.根据权利要求2所述的近钻头工程参数测量装置，其特征在于，所述钻压应变片(3)与扭矩应变片(4)将应变信号转化成电流信号传递至数据发射系统(5)中，所述数据发射系统(5)再将电流信号发射至信号处理模块(9)中进行数据转化，获取钻头上扭矩及推进力信息，并传递信息至地面信号接收装置中。
4.根据权利要求1所述的近钻头工程参数测量装置，其特征在于，所述三轴加速度传感器(10)用于测量外筒(7)的角加速度信息，并将测得的信号传递至信号处理模块(9)中，在信号处理模块(9)中将角加速度信息进行逻辑计算获取外筒(7)的转速信息，并传递信息至地面信号接收装置(13)中。
5.根据权利要求1所述的近钻头工程参数测量装置，其特征在于，所述电流计用于将输入电流值的信息传递至信号处理模块(9)中，在信号处理模块(9)中将电流值...
【专利技术属性】
技术研发人员：毕培琛，刘浩，侯志强，李明，
申请(专利权)人：江苏徐工国重实验室科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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