CN103592109B - 一种液压动力钳疲劳试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液压动力钳疲劳试验系统，包括两个拉力传感器、油压传感器、换向阀、换向阀驱动单元、油泵以及计算机，所述液压动力钳包括钳体以及液压马达，所述两个拉力传感器分别连接机架以及钳体的两侧，所述油泵通过油路以及换向阀与液压马达连接，所述油压传感器设置在所述油路中，所述换向阀驱动单元与换向阀连接，所述拉力传感器和油压传感器与所述计算机连接。本发明通过换向阀驱动单元改变液压动力钳换向的方法，提高液压动力钳质检试验的可靠度。本发明使得液压动力钳的可靠性提高，为以后液压动力钳的改进提供参考。

Description

一种液压动力钳疲劳试验系统

技术领域

本发明涉及液压动力钳领域，具体为一种液压动力钳疲劳试验系统。

背景技术

石油的开采作业中的套管上、卸扣作业(即套管的接头拧紧、松开)关系到下套管的质量，并直接影响油、气井壁的固化质量。液压动力钳是目前广泛使用的上、卸扣的辅助工具，当前上、卸扣大多采用的是扭矩-圈数的方法，因此液压动力钳的输出扭矩关系到下套管质量，其输出扭矩对于产品质量尤为重要。

然而钻油井的过程中，液压动力钳的使用频率达到平均一口井需要约500次，若在上、卸扣的过程中液压动力钳损坏，输出扭矩达不到需要的扭矩，则可能会造成套管落井的事故，造成经济损失。为避免此类事故的发生，需要对液压动力钳的疲劳寿命有所掌握。因此在液压动力钳出厂前做疲劳寿命试验显得至关重要。

在上扣、卸扣作业中，液压动力钳的马达需要切换正、反转，且液压动力钳的输出扭矩是其重要的参数，直接关系到管柱的连接质量，经过检索现有关于动力钳扭矩的专利后发现，顾晓贤等人公开的专利申请号( 95220170.4) 通过使用压力传感器采集动力钳的扭矩信号，并通过存储器将扭矩记录保存，实现了动力钳上扣时的扭矩监测，装置具有精度高，稳定性好，携带方便、易于操作的优点。徐相军等人公开的专利公开号(CN102520657A )公开了一种本发明公开了一种动力钳扭矩监控系统，通过传感器，系统能够按照接头号实时采集、显示、记录动力钳上扣扭矩-时间曲线，并提供历史数据查询，发明结构合理，监控工作性能好，速度快。傅永森公开的专利公开号(CN2450373 )公开了一种经过改进后的扭矩调节阀，该阀由一种能自动补充油的动力钳扭矩传感器相匹配，将阀串接在动力钳手动换向阀与液压马达之间，构成只调控上扣扭矩的动力钳扭矩调控技术，显著改善动力钳调控系统的调控技术性能，延长使用寿命，是调控系统更适用，更可靠。孙文昌公开的专利公开号(CN1900571 )公开了一种动力钳上紧保护阀，包含进油口、单向阀、出油口，当油压达到设定值(该设定值小于松开时的压力值)时,部分液压油顶开单向阀经过阀腔和回油道流到出油口,从而起到溢流分压作用,有效保护管路的螺丝和螺母不受损坏。刘延增公开的专利公开号(CN2186293 )，公开了一种动力钳上扣扭矩控制器，包括放大器、扭矩选择和比较器、抗干扰电路、计算机、输出器和电源，带有单片机控制的自动控制系统。提高了上扣质量，提高工效，简化操作。 杨建等公开的专利公开号(CN102305038A)公开了一种油井套管钳扭矩监测自动控制系统，根据输入工作参数自动显示井型，提示套管下深位置；设计有手动、自动切换装置提高系统可靠性并适应工人操作习惯；现场数据实时采集和显示、数据处理、报表打印于一体、自动存储上扣参数；在同一坐标上同时显示扭力、圈数的时间变化曲线，使施工工况更加直观；使旋合扭矩值恰到好处。

现有关于液压动力钳的专利集中于动力钳的上扣扭矩的监控，对液压动力钳在实际使用过程中的扭矩监控固然很重要，但是监控并不能消除安全隐患，所以更重要的是对液压动力钳在出厂前确保其安全寿命。综合以上所有文献，未有针对液压动力钳疲劳寿命方面的相关专利。

发明内容

本发明目的在于提供一种液压动力钳疲劳试验系统，具体由以下技术方案实现。

一种液压动力钳疲劳试验系统，与液压动力钳连接，所述液压动力钳包括钳体以及液压马达，其特征在于包括两个拉力传感器、换向阀、换向阀驱动单元、油泵以及计算机，所述两个拉力传感器分别连接机架以及钳体的两侧，所述油泵通过油路以及换向阀与液压马达连接，所述换向阀驱动单元与换向阀连接，所述拉力传感器将试验过程中钳体产生的扭力传送到所述计算机。

所述的液压动力钳疲劳试系统进一步设计在于，所述换向阀包括阀体以及滑动设置在阀体的内的换向杆，所述换向阀驱动单元包括曲柄、连杆、摆杆、传动杆、撬杆以及拉杆，所述曲柄、摆杆的一端各自与机架铰接后另一端分别与连杆的两端铰接；所述撬杆中部与机架上一支承点铰接，其两端分别与传动杆和拉杆的端部铰接，所述传动杆另一端与位于连杆中部一驱动点铰接，所述拉杆的另一端与换向杆铰接；所述曲柄绕其与机架的铰接点连续转动时，连杆随之运动，从而传动杆在连杆的驱动下通过撬杆以及拉杆带动换向杆在阀体内运动，使得换向杆在阀体滑动至换向阀正向连通时保持一定时间的静止后，换向杆在阀体内滑动至换向阀反向连通时仍能保持一定时间的静止，然后，换向杆在拉杆的驱动下能继续在阀体内滑动至换向阀正向连通。

所述的液压动力钳疲劳试验系统进一步设计在于，撬杆为对称的V形杆，其中点与机架上的所述支承点铰接；所述各段杆件的长度比例为，曲柄：连杆：摆杆：传动杆：撬杆：拉杆=60:260:140:285:110:522；所述位于连杆中部的驱动点与曲柄、摆杆跟连杆的铰接点的距离之比为19:17；所述曲柄与机架的铰接点为第一铰接点，所述摆杆与机架的铰接点为第二铰接点，所述第一、第二铰接点之间的距离与曲柄长度的比例为382:60。

所述的液压动力钳疲劳试验系统进一步设计在于，所述油路上设置有油压传感器，所述油压传感器、拉力传感器通过NI数据采集卡与计算机连接。

所述的液压动力钳疲劳试验系统进一步设计在于，所述油泵与换向阀之间的油路上并联有一比例溢流阀，油泵的控制电路与一继电器连接，所述比例溢流阀和继电器与计算机连接。

本发明能在出厂前做动态疲劳试验，预先对液压动力钳的扭矩性能有所了解。通过换向阀驱动单元改变液压动力钳换向的方法，提高液压动力钳质检试验的可靠度。提供一套液压动力钳疲劳试验系统，使得液压动力钳的扭矩试验实现自动化上扣、卸扣操作，以及实时显示、记录液压动力钳的扭矩-时间曲线结果和液压压力-时间曲线，记录液压动力钳连续输出最大扭矩的次数(即液压动力钳的疲劳寿命)。使得液压动力钳的可靠性提高，为以后液压动力钳的改进提供参考。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为换向阀驱动单元正向驱动结构示意图。

图3为换向阀驱动单元反向驱动结构示意图。

图4为本发明作业流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图以及具体实施例对本发明进行进一步说明。

如图1所示，该液压动力钳疲劳试验系统与液压动力钳连接，包括两个拉力传感器1、油压传感器2、换向阀3、换向阀驱动单元4、油泵5以及计算机6，液压动力钳7包括钳体71、与钳体连接的后侧板72以及与钳体驱动连接的液压马达73，两个拉力传感器1分别通过尾绳11连接机架9以及后侧板72的两侧，即通过后侧板72与钳体71的两侧连接；钳体71在液压马达73驱动下作业时，对后侧板72产生两个方向反作用力，通过拉力传感器1的读数可以计算出液压动力钳7输出的作业扭矩；油泵5通过油路以及换向阀3与液压马达73连接，油压传感器2设置在油路中用以检测油压异常信号以便及时作出相应处理；换向阀驱动单元4与换向阀3连接，油压传感器2、拉力传感器1通过NI数据采集卡与计算机6连接。油泵5与换向阀3之间的油路上并联有一比例溢流阀51，油泵5的控制电路与一继电器52连接，比例溢流阀51和继电器52通过相应接口电路与计算机6连接。

对照图2、图3，换向阀3包括阀体（图中未画出）以及滑动设置在阀体内的换向杆31，换向阀驱动单元4包括曲柄41、连杆42、摆杆43、传动杆44、撬杆45以及拉杆46，曲柄41、摆杆43的一端各自与机架9铰接后另一端分别与连杆42的两端铰接；撬杆45为对称的V形杆，其中点与机架9上的支撑点铰接，其两端分别与传动杆44和拉杆46的端部铰接，传动杆44另一端与位于连杆42中部一驱动点A铰接，拉杆46的另一端与换向杆铰接；各段杆件的长度比例为，曲柄：连杆：摆杆：传动杆：撬杆：拉杆=60:260:140:285:110:522；位于连杆中部的驱动点E与曲柄、摆杆跟连杆的铰接点的距离之比为19:17；曲柄与机架的铰接点为第一铰接点B，摆杆与机架的铰接点为第二铰接点C，第一、第二铰接点之间的距离与曲柄长度的比例为382:60。

在上述长度比例下，曲柄在外部换向电机的驱动下绕第一铰接点转动时，连杆上的驱动点的运动轨迹pmnq如腰形，包括上沿pq、下沿mn以及连接上、下沿的两段端部曲线pm、nq；受上述长度比例限制，上、下沿近似为两段长度及位置不同而曲率相同的圆弧，驱动点沿上沿轨迹pm运动的时间段内，即传动杆44的上端沿上述上沿轨迹运动，同样，由于上述各杆件的长度比例设置，传动杆的长度与上述圆弧的半径相等，此时传动杆的下端位于对应圆弧的圆心位置F，并且传动杆的下端受撬杆45、拉杆46等后续部件限制使得传动杆在上述时间段内作以其下端为圆心的近似圆周运动，此过程中，传动杆44只会通过撬杆45带动换向杆31在阀体内作轻微震动，不会改变换向阀的供油方向；同理，当驱动点沿下沿mn轨迹运动时，传动杆44也不会改变换向阀的供油方向；虽然上、下沿轨迹的位置高度不同导致上、下沿轨迹的近似圆弧的圆心位置点有差异，但支承点H与两个圆心位置点的距离相同，从而同一撬杆在驱动点沿上、下沿轨迹运动的两个时间段内都不会受传动杆的驱动改变换向阀的供油方向；相应地，驱动点沿两段端部曲线轨迹运动时，传动杆通过撬杆以及拉杆驱动换向杆在阀体内大幅滑动实现换向供油功能。

综前段所述，曲柄绕其与机架的铰接点连续转动时，连杆随之运动，从而传动杆在连杆的驱动下通过撬杆以及拉杆带动换向杆在阀体内运动，使得换向杆在阀体滑动至换向阀正向连通时保持一定时间的静止后，换向杆在阀体内滑动至换向阀反向连通时仍能保持一定时间的静止，然后，换向杆在拉杆的驱动下能继续在阀体内滑动至换向阀正向连通。

本发明在工作时，作业人员先将待测动力钳的参数(包括设计扭矩、油压值和切向半径即L等)输入计算机的程序中，软件会自动根据输入的油压值，相应的调节比例溢流阀的输入电压，控制溢流阀的溢流压力。比例溢流阀的作用是实现自动控制油压值。

启动外部换向电机的电源，曲柄1连续旋转。E点自轨迹上的q点开始运动，根据前述原理，此时传动杆44下端位于F点做其上端沿qp段近似圆弧的运动轨迹作摆动，从而传动杆44下端位置保持于F点，此过程中，换向杆保持相对静止，使得油泵通过换向阀正向供油满足液压马达上扣作业驱动需要；当E点沿p点向m点运动时，传动杆44下端离开F位置，运动至G点位置，此过程中，撬杆45带动拉杆46将换向杆31下拉使得换向阀3开始反向供油；当E点沿mn段轨迹运动时，同样由于mn段近似为圆弧曲线，传动杆44下端位于对应的近似圆弧的圆心位置G点，从而传动杆44作以G点为圆心的近似圆弧摆动，从而传动杆G点下端位置保持相对静止，使得此过程中换向阀保持反向供油状态，使得液压动力钳完成卸扣作业；在E点沿nq段运动时，传动杆44的下端自G点运动至F点，此过程，传动杆通过撬杆以及拉杆将换向杆向上顶送至换向阀正向供油位置，回复本次作业流程的初始状态。

结合图4，在上述试验过程中，液压动力钳在上扣、卸扣作业过程中受到扣件的反作用力传递给拉力传感器1，拉力传感器1将所受的拉力转换为电压信号传输给NI采集卡，经过换算以后，控制系统实时显示并记录扭矩-时间曲线。多次循环试验作业后，直至拉力传感器测得的扭矩值低于设计扭矩，说明液压动力钳有了磨损疲劳。功率开关管控制继电器断开，试验停止。得到的循环次数就是动力钳连续工作的疲劳寿命。

当出现意外的情况，如油压传感器测得油压为零时，功率开关管控制继电器断开，并且蜂鸣器会报警，以保护试验系统。

Claims (4)

1.一种液压动力钳疲劳试验系统，与液压动力钳连接，所述液压动力钳包括钳体以及液压马达，其特征在于包括两个拉力传感器、换向阀、换向阀驱动单元、油泵以及计算机，所述两个拉力传感器分别连接机架以及钳体的两侧，所述油泵通过油路以及换向阀与液压马达连接，所述换向阀驱动单元与换向阀连接，所述拉力传感器将试验过程中钳体产生的扭力传送到所述计算机；所述换向阀包括阀体以及滑动设置在阀体的内的换向杆，所述换向阀驱动单元包括曲柄、连杆、摆杆、传动杆、撬杆以及拉杆，所述曲柄、摆杆的一端各自与机架铰接后另一端分别与连杆的两端铰接；所述撬杆中部与机架上一支承点铰接，其两端分别与传动杆和拉杆的端部铰接，所述传动杆另一端与位于连杆中部一驱动点铰接，所述拉杆的另一端与换向杆铰接；所述曲柄绕其与机架的铰接点连续转动时，连杆随之运动，从而传动杆在连杆的驱动下通过撬杆以及拉杆带动换向杆在阀体内运动，使得换向杆在阀体滑动至换向阀正向连通时保持一定时间的静止后，换向杆在阀体内滑动至换向阀反向连通时仍能保持一定时间的静止，然后，换向杆在拉杆的驱动下能继续在阀体内滑动至换向阀正向连通。

2.根据权利要求1所述的液压动力钳疲劳试验系统，其特征在于，撬杆为对称的V 形杆，其中点与机架上的所述支承点铰接；各段杆件的长度比例为，曲柄：连杆：摆杆：传动杆：撬杆：拉杆=60:260:140:285:110:522 ；所述位于连杆中部的驱动点与曲柄、摆杆跟连杆的铰接点的距离之比为19:17 ；所述曲柄与机架的铰接点为第一铰接点，所述摆杆与机架的铰接点为第二铰接点，所述第一、第二铰接点之间的距离与曲柄长度的比例为382:60。

3.根据权利要求1 所述的液压动力钳疲劳试验系统，其特征在于，所述油路上设置有油压传感器，所述油压传感器、拉力传感器通过NI 数据采集卡与计算机连接。

4. 根据权利要求1 所述的液压动力钳疲劳试验系统，其特征在于，所述油泵与换向阀之间的油路上并联有一比例溢流阀，油泵的控制电路与一继电器连接，所述比例溢流阀和继电器与计算机连接。