CN103822840A - 一种往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置，主要由控制及操作部分、支撑部分、提供动力部分和润滑介质及储存部分四部分组成，提供动力部分由伺服电机、同步带轮、滚珠丝杠、丝杠螺母、直线导轨和横梁组成；润滑介质及储存部分由润滑介质桶、泵筒和泵筒座组成；控制及操作部分由控制柜、计算机、测量控制卡、加热棒、温度传感器、液位液温计组成；润滑介质及储存部分设有四组；本发明能够为圆柱型样件摩擦磨损问题提供一种可行的试验方法；是以接近实际的柱塞和泵筒作为样件来试验的装置；能够同时进行四组试验并测量相应的四组试验数据；能够实现柱塞在泵筒内以不同的速度运动；能够对润滑介质加热和控温，并能够观察到液位的高度。

Description

一种往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置

技术领域

本发明属于机械工程领域，涉及一种抽油泵及类似管式泵柱塞与泵筒间摩擦磨损试验装置，具体涉及一种往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置。

背景技术

柱塞和泵筒是油田抽油井有杆抽油泵中最重要的运动摩擦副，其工作条件恶劣，需在高温、高压、高砂、含蜡等恶劣复杂的条件下长时间、不间断的往复运动。因此，如何在保证抽油泵的井液提升效率前提下，减少柱塞和泵筒间磨损失效一直是抽油泵研究的热点。然而柱塞和泵筒运动情况的复杂性和其测量的局限性给研究者带来了极大挑战，凸显了抽油泵柱塞和泵筒摩擦磨损研究的必要性。

在研究抽油泵柱塞和泵筒间的摩擦磨损时，试验装置起着至关重要的作用，目前，国内外研究物体间的摩擦磨损试验时都是采用试验装置来模拟检测的，而且都是采用标准的样件，来模拟点、线、面及复合形式的摩擦，以及在润滑条件下的摩擦对比。近年来，授权摩擦磨损试验装置的专利大多都是应用于试件的试验。现今还没有发现用于抽油泵的柱塞和泵筒在高温、高压、高砂、含蜡等复杂环境下的摩擦磨损试验的装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的问题，提供了一种往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置。

本发明能够为圆柱型样件摩擦磨损问题提供一种可行的试验方法；本发明是以接近实际的柱塞和泵筒作为样件来试验的装置；本装置能够同时进行四组试验并测量相应的四组试验数据；发明能够实现柱塞在泵筒内以不同的速度运动；本发明能够对润滑介质加热和控温，并能够观察到液位的高度。

本发明是采用如下技术方案实现的，结合附图说明如下：

一种往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置，主要由控制及操作部分、支撑部分、提供动力部分和润滑介质及储存部分四部分组成，所述提供动力部分由伺服电机1、同步带轮Ⅰ2、同步带轮Ⅱ4、滚珠丝杠6、与滚珠丝杠6形成螺纹副的丝杠螺母8、直线导轨15和横梁9组成；

所述伺服电机1、滚珠丝杠6、直线导轨15分别固定在支撑部分中的背板7的上端、中间位置、左右两侧；

所述同步带轮Ⅰ2固定在伺服电机1转轴上，同步带轮Ⅱ4固定在滚珠丝杠6的上端顶部，左右二端的直线导轨15分别设有滑块a10、滑块b37；

所述横梁9左右二端分别与滑块a10、滑块b37固定连接，横梁9中部与丝杠螺母8固定连接，横梁9沿着直线导轨15往复上下直线运动；

横梁9下端依次连接负荷传感器16、球形杆端关节轴承17、连接轴18、柱塞杆30、柱塞32；

所述润滑介质及储存部分由润滑介质桶19、泵筒31和泵筒座34组成；

润滑介质桶19固定在支撑部分中的底座14上，泵筒31是上下中通的，位于泵筒座34内并固定在泵筒座34底端，泵筒座34位于润滑介质桶19内并固定在底座14上，柱塞32位于泵筒31内。

技术方案中所述控制及操作部分由控制柜21、计算机20、测量控制卡25、加热棒36、温度传感器33和液位液温计11组成；

计算机20和测量控制卡25安装在控制柜21内，加热棒36和温度传感器33皆安装在润滑介质桶19内壁和泵筒座34外壁之间；液位液温计11安装在润滑介质桶19外壁上。

技术方案中所述支撑部分还包括立柱12和背板支架27；底座14通过地脚螺栓固定在地面上，立柱12固定在底座14上，背板7固定在立柱12的顶端，背板支架27固定在背板7的背部，用于支撑背板7。

技术方案中的泵筒座34下端设有通孔，用于润滑介质35通过通孔进入泵筒31内，泵筒座34上端设有泵筒座盖29。

技术方案中的润滑介质桶19内装有润滑介质35，泵筒31内充满润滑介质35，润滑介质桶19上端设有润滑介质桶盖28。

技术方案中所述横梁9下端依次连接四组负荷传感器16、球形杆端关节轴承17、连接轴18、柱塞杆30、柱塞32；

所述润滑介质及储存部分设有四组；

四组柱塞32位于四组润滑介质及储存部分中的泵筒31内；

所述控制及操作部分中加热棒36、温度传感器33、液位液温计11设有四组，四组加热棒36和温度传感器33对应安装在四组润滑介质及储存部分中的润滑介质桶19内壁和泵筒座34外壁之间；四组液位液温计11对应安装在四组润滑介质及储存部分中的润滑介质桶19外壁上。

试验装置主要技术指标：

1)柱塞往复运动频率：1～30次/分

2)柱塞往复运动行程：10～800mm

3)柱塞质量：1～25kg

4)柱塞长度：20～300mm

5)泵筒长度：100～600mm

6)泵筒外径：40～70mm

7)柱塞外径：30～60mm

8)试验装置组数：1～4组

往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置的工作原理：计算机20控制伺服电机1转动，固定在电机转轴上的同步带轮Ⅰ2随之转动，通过同步带3带动同步带轮Ⅱ4转动，同步带轮Ⅱ4固定在滚珠丝杠6的顶端，滚珠丝杠6通过上下两个滚珠丝杠固定座5将滚珠丝杠6固定在背板7的中间位置上，背板7的左右两侧有直线导轨15。丝杠螺母8嵌在横梁9的中间位置，横梁9的两端有滑块a10和滑块b37沿直线导轨15滑动。这样，丝杠螺母8和滚珠丝杠6形成了螺纹副，滚珠丝杠6转动时带动横梁9，沿着直线导轨15上下往复移动。横梁9的下端均匀连接四组负荷传感器16，每组负荷传感器16的下端依次连接着球形杆端关节轴承17、连接轴18、柱塞杆30。柱塞32固定在柱塞杆30上，在下端的泵筒31内上下往复移动。往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置系统开始运行时，负荷传感器16将柱塞与泵筒之间相互摩擦的微弱信号传递到测量控制卡25内，测量控制卡25将负荷传感器16的微弱信号进行放大，之后进行AD转换，即转化为数字信号，传入计算机内，在计算机的控制软件内界面显示出柱塞和泵筒之间的摩擦力变化，温度传感器33将润滑介质内的温度传递到温度显示表24内，以数字显示、温度显示表24可以设定润滑介质的温度，当温度低于设定值时，加热棒36将自动对润滑介质加热、液位液温计11可以显示出润滑介质的液面高度和以水银柱的方式显示出润滑介质的温度。

柱塞摩擦磨损试验装置主要操作步骤：

1)通过温度显示表对润滑介质温度进行设定；

2)测量柱塞质量后将柱塞装夹在柱塞杆上，计算柱塞在泵筒内运动行程；

3)在计算机控制软件设置柱塞行程、运动速度，开启伺服电机，带动柱塞在泵筒内往复运动；

4)在计算机试验装置控制软件内观察柱塞和泵筒之间摩擦力的数值变化，柱塞相对泵筒运动的位移,观察温度显示表显示的润滑介质温度变化等，并且注意是否异常，并随之调整；

5)试验装置工作指定时间，关闭伺服电机，存储试验数据；

6)将柱塞取下，用天平测量其质量，分析表面形貌并做好记录；

7)重复步骤1）——步骤6），进行下一轮试验。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.提供了一种往复式摩擦磨损试验装置，特别是为柱塞泵筒摩擦磨损试验提供一种测量装置。

2.能够同时进行四组平行试验并测量相应的四组试验数据，节省了试验的时间，而且可以根据试验的需要设定试验的速度。

3.可以实现对润滑介质的加热和控温，润滑介质桶外壁的液位液温计能够明显的到观察润滑介质的高度和温度。

4.本发明结构简单，操作方便，可以测试不同直径的圆柱型样件内外表面摩擦磨损，为圆柱型样件的摩擦磨损提供了一种可行的试验方法。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置的主视图；

图2是往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置中支撑部分、提供动力部分和润滑介质及储存部分的侧视图；

图3是往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置中磨损部件柱塞和泵筒的安装位置及连接关系剖视图；

图4是往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置中背板的主视图；

图5是往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置中背板的侧剖视图；

图6是伺服电机的电机支架主剖视图；

图7是伺服电机的电机支架俯视图；

图8是滚珠丝杠固定座主视图；

图9是滚珠丝杠固定座俯剖视图；

图10是泵筒座剖视图；

图11是泵筒剖视图；

图中：

1、伺服电机；2、同步带轮Ⅰ；3、同步带；4、同步带轮Ⅱ；5、滚珠丝杠固定座；6、滚珠丝杠；7、背板；8、丝杠螺母；9、横梁；10、滑块a；11、液位液温计；12、立柱；13、排液孔；14、底座；15、直线导轨；16、负荷传感器；17、球形杆端关节轴承；18、连接轴；19、润滑介质桶；20、计算机；21、控制柜；22、系统关闭开关；23、系统启动开关；24、温度显示表；25、测量控制卡；26、电机支架；27、背板支架；28、润滑介质桶盖；29、泵筒座盖；30、柱塞杆；31、泵筒；32、柱塞；33、温度传感器；34、泵筒座；35、润滑介质；36、加热棒；37、滑块b。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

本发明主要是由控制及操作部分、支撑部分、提供动力部分和润滑介质及储存部分四部分组成的。

所述控制及操作部分由控制柜21、计算机20、测量控制卡25、加热棒36、温度传感器33、液位液温计11组成；

计算机20和测量控制卡25安装在控制柜21内，加热棒36和温度传感器33都放在润滑介质桶19内壁和泵筒座34外壁之间；液位液温计11放在润滑介质桶19外壁上；

加热棒36用于对润滑介质35加热；温度传感器33用于测控润滑介质35的温度；液位液温计11用于显示润滑介质35液位的高度和温度，可以直观观测；

所述支撑部分由往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置底端的底座14及其上端的立柱12、背板7和背板支架27组成。

底座14通过地脚螺栓固定在地面上，立柱12固定在底座14上，背板7固定在立柱12的顶端，背板支架27放在背板7的背部，用于支撑背板7。

所述提供动力部分由伺服电机1、同步带轮Ⅰ2、同步带轮Ⅱ4、滚珠丝杠6、丝杠螺母8、横梁9、直线导轨15、滑块10、负荷传感器16、连接轴18、球形杆端关节轴承17、柱塞杆30和柱塞32组成；

伺服电机1通过电机支架26固定在背板7上端，同步带轮Ⅰ2固定在伺服电机1转轴上，同步带轮Ⅱ4固定在滚珠丝杠6的上端顶部，滚珠丝杠6通过滚珠丝杠固定座5固定在背板7中间位置，直线导轨15固定在背板7的左右边缘，直线导轨15上设有沿直线导轨滑动的滑块10，滑块10设为二个，横梁9左右二端分别与二个滑块10固定连接，横梁9中部与丝杠螺母8固定连接，横梁9沿着直线导轨15往复上下直线运动；横梁9下端依次连接负荷传感器16、球形杆端关节轴承17、连接轴18、柱塞杆30；负荷传感器16用于测量负载力的大小。

伺服电机1通过同步带轮带动滚珠丝杠6转动，滚珠丝杠6与丝杠螺母8形成螺纹副，从而带动横梁9沿着直线导轨15往复直线运动，柱塞32固定在柱塞杆30下端，柱塞32位于泵筒31内，柱塞32在泵筒31内随横梁9往复移动。

所述润滑介质及储存部分由润滑介质桶19和泵筒31组成；

润滑介质桶19固定在底座14上，泵筒31是上下中通的，位于泵筒座34内并固定在泵筒座34底端，泵筒座34位于润滑介质桶19内并固定在底座上，泵筒座34下端设有通孔，用于润滑介质35通过通孔进入泵筒31内，泵筒座34上端设有泵筒座盖29，用于固定泵筒，防止泵筒31随着柱塞32上下移动；

润滑介质桶19内装有润滑介质35，泵筒31内充满润滑介质35，润滑介质桶19上端设有润滑介质桶盖28，用于防止润滑介质35溅出和杂物污染。

伺服电机1通过电机支架26固定在背板7的顶端，电机旋转带动固定在其转动轴上的同步带轮Ⅰ2转动，通过同步带3带动同步带轮Ⅱ4转动。同步带轮Ⅱ4固定在滚珠丝杠6的顶端，滚珠丝杠6通过上下两端的滚珠丝杠固定座5将其固定在背板7上，背板7的两端安装有直线导轨15，直线导轨15上的滑块a10和滑块b37固定在横梁9的两端，丝杠螺母8固定在横梁9内部的中间位置，这样滚珠丝杠6和丝杠螺母8形成了螺纹副，从而可以带动着横梁9沿着两端的直线导轨15上下往复直线运动。横梁9的下端均匀连接四组负荷传感器16，每组负荷传感器16的下端依次连接着球形杆端关节轴承17、连接轴18、柱塞杆30。柱塞32固定在柱塞杆30上，随着横梁9往复直线运动。试验装置下端的底座14通过地脚螺栓固定在地面上，四组润滑介质桶19和泵筒座34固定在底座14上，泵筒座34在润滑介质桶19的内部中心位置，泵筒座34用于固定泵筒31，泵筒31垂直放置，保证了柱塞32在泵筒31内的往复直线运动。通过负荷传感器16、温度传感器33、加热棒36、液位液温计11、测量控制卡25等将采集的数据和控制试验条件。当柱塞32在泵筒31内的上下往复运动，可以实时显示柱塞32和泵筒31之间摩擦力的变化和润滑介质的温度以及记录柱塞32在泵筒31内相对于泵筒31运动的位移，且可以控制柱塞32运动的位移和运动的速度，还可以控制润滑介质35的温度。试验装置会自动记录和存储相应数据，便于分析。因此，摩擦磨损试验装置可满足测量柱塞32与泵筒31之间磨损量的需求。

往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置安装位置组成是计算机20放在控制柜21上端，测量控制卡25连接到计算机上，控制柜21中间位置有显示润滑介质桶19内温度的温度显示表24。往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置的上端是伺服电机1固定在背板7上，同步带轮Ⅰ2固定在伺服电机1的转轴上，同步带轮Ⅱ4固定在滚珠丝杠6上，通过同步带3连接，丝杠螺母8固定在横梁9中间的内部，横梁9两端固定滑块10，滑块10沿着固定在背板7上的直线导轨15上的滑道可以往复移动，横梁9下端依次连接着负荷传感器16、球形杆端关节轴承17、连接轴18和柱塞杆30，柱塞杆30用于固定柱塞32。往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置的下端，通过地脚螺栓，把往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置的底座14固定在地面上，底座14上面固定着四组润滑介质桶19，用于储存润滑介质35，润滑介质桶19上面有润滑介质桶盖28，防止润滑介质35溅出和杂物污染。润滑介质桶19内部有泵筒座34，泵筒座34也固定在底座14上，泵筒座34用于固定泵筒31，泵筒座34上配有泵筒座盖29，防止泵筒31随着柱塞32移动。润滑介质桶19内有加热棒36、温度传感器33，加热棒36、温度传感器33位于润滑介质桶19内壁与泵筒座34之间，可以对润滑介质35进行加热和控温。润滑介质桶19外部有液位液温计11，可以时时的观测液位的高度和润滑介质35的温度。

主要技术指标：柱塞往复运动频率：10次/min，柱塞往复运动行程：200mm，柱塞质量：0.8kg，柱塞长度：100mm，泵筒长度：300mm，泵筒外径：57mm，柱塞外径：44mm，试验装置组数：4组。

金属柱塞与泵筒的配合间隙分五种配合间隙范围分别为0.025～0.088mm，0.050～0.113mm，0.075～0.138mm，0.100～0.163mm，0.125～0.188mm。

本试验设定的柱塞和泵筒之间的间隙分别设定为0.08mm、0.1mm、0.12mm和0.14mm。

参阅图10，泵筒座是由三段铸铁分别加工后焊接成的整体，上端用于固定泵筒的左右方向；中间起到支撑上端作用和连接下端的作用；下端用于支撑泵筒底端，避免下落，下端还加工了通孔，用于导入外界的润滑介质。

设计采用长春市新联机电设备有限公司生产的型号为STC1100的测量控制卡，台达的ECMA-C31315QS的伺服电机，智敏电器生产的型号为ZLMB-0.2T负荷传感器。

往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置中设置有四组负荷传感器、球形杆端关节轴承、连接轴、柱塞杆、柱塞、润滑介质桶19、泵筒31、泵筒座34、温度传感器33、液位液温计11、加热棒36。

计算机20控制伺服电机1转动，固定在电机转轴上的同步带轮Ⅰ2随之转动，通过同步带3带动同步带轮Ⅱ4转动，同步带轮Ⅱ4固定在滚珠丝杠6的顶端，滚珠丝杠6通过上下两个滚珠丝杠固定座5将滚珠丝杠6固定在背板7的中间位置上，背板7的左右两侧有直线导轨15。丝杠螺母8嵌在横梁9的中间位置，横梁9的两端有滑块a10和滑块b37，滑块a10和滑块b37沿直线导轨15滑动。这样，丝杠螺母8和滚珠丝杠6形成了螺纹副，滚珠丝杠6转动时带动横梁9，沿着直线导轨15上下往复移动。横梁9的下端均匀连接四组负荷传感器16，每组负荷传感器16的下端依次连接着球形杆端关节轴承17、连接轴18、柱塞杆30。柱塞32固定在柱塞杆30上，在下端的泵筒31内上下往复移动。往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置系统开始运行时，通过负荷传感器16、温度传感器33、液位液温计11、加热棒36、测量控制卡25等，显示试验控制记录四组相应数据。每组数据都是通过各自的负荷传感器传输到测量控制卡内，在控制卡将各自的信号转化为数字信号，在计算机内控制软件界面显示。

加热棒36用于对润滑介质35加热；温度传感器33用于测控润滑介质35的温度；液位液温计11用于显示润滑介质35液位的高度和温度，可以直观观测；控制柜21中间位置有显示润滑介质桶19内温度的温度显示表24。

温度传感器主要测量和控制润滑介质温度，四个温度传感器分别连接各自在控制柜内的温度显示表，温度显示表结构是上部数字显示润滑介质温度，下部用于设定润滑介质温度。与加热棒相互连接，当润滑介质的温度低于设定温度时，加热棒对润滑介质自动加热。

负荷传感器16用于测量柱塞和泵筒之间的摩擦力的值，负荷传感器将柱塞和泵筒之间摩擦力的微弱变化传递到测量控制卡上，测量控制卡将负荷传感器的微弱信号进行放大，之后进行AD转换，即转化为数字信号，传入计算机内，在计算机的控制软件内界面显示，

测量控制卡25主要功能是连接负荷传感器，将负荷传感器的微弱信号进行放大，之后进行AD转换，即转化为数字信号，传入计算机内，在计算机的控制软件内界面显示，还有就是控制伺服电机按指定命令的转动和测量伺服电机编码器信号，从而监测柱塞上下运动的位移，在计算机的控制软件内界面显示。

Claims (6)

1.一种往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置，主要由控制及操作部分、支撑部分、提供动力部分和润滑介质及储存部分四部分组成，其特征在于：

所述提供动力部分由伺服电机（1）、同步带轮Ⅰ（2）、同步带轮Ⅱ（4）、滚珠丝杠（6）、与滚珠丝杠（6）形成螺纹副的丝杠螺母（8）、直线导轨（15）和横梁（9）组成；

所述伺服电机（1）、滚珠丝杠（6）、直线导轨（15）分别固定在支撑部分中的背板（7）的上端、中间位置、左右两侧；

所述同步带轮Ⅰ（2）固定在伺服电机（1）转轴上，同步带轮Ⅱ（4）固定在滚珠丝杠（6）的上端顶部，左右二端的直线导轨（15）分别设有滑块a（10）、滑块b（37）；

所述横梁（9）左右二端分别与滑块a（10）、滑块b（37）固定连接，横梁（9）中部与丝杠螺母（8）固定连接，横梁（9）沿着直线导轨（15）往复上下直线运动；

横梁（9）下端依次连接负荷传感器（16）、球形杆端关节轴承（17）、连接轴（18）、柱塞杆（30）、柱塞（32）；

所述润滑介质及储存部分由润滑介质桶（19）、泵筒（31）和泵筒座（34）组成；

润滑介质桶（19）固定在支撑部分中的底座（14）上，泵筒（31）是上下中通的，位于泵筒座（34）内并固定在泵筒座（34）底端，泵筒座（34）位于润滑介质桶（19）内并固定在底座（14）上，柱塞（32）位于泵筒（31）内。

2.根据权利要求1所述的一种往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置，其特征在于：

所述控制及操作部分由控制柜（21）、计算机（20）、测量控制卡（25）、加热棒（36）、温度传感器（33）和液位液温计（11）组成；

计算机（20）和测量控制卡（25）安装在控制柜（21）内，加热棒（36）和温度传感器（33）皆安装在润滑介质桶（19）内壁和泵筒座（34）外壁之间；液位液温计（11）安装在润滑介质桶（19）外壁上。

3.根据权利要求1所述的一种往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置，其特征在于：

所述支撑部分还包括立柱（12）和背板支架（27）；

底座（14）通过地脚螺栓固定在地面上，立柱（12）固定在底座（14）上，背板（7）固定在立柱（12）的顶端，背板支架（27）固定在背板（7）的背部，用于支撑背板（7）。

4.根据权利要求1所述的一种往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置，其特征在于：

泵筒座（34）下端设有通孔，用于润滑介质（35）通过通孔进入泵筒（31）内，泵筒座（34）上端设有泵筒座盖（29）。

5.根据权利要求1所述的一种往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置，其特征在于：

润滑介质桶（19）内装有润滑介质（35），泵筒（31）内充满润滑介质（35），润滑介质桶（19）上端设有润滑介质桶盖（28）。

6.根据权利要求1所述的一种往复式柱塞泵筒摩擦磨损试验装置，其特征在于：

所述横梁（9）下端依次连接四组负荷传感器（16）、球形杆端关节轴承（17）、连接轴（18）、柱塞杆（30）、柱塞（32）；

所述润滑介质及储存部分设有四组；

四组柱塞（32）位于四组润滑介质及储存部分中的泵筒（31）内；

所述控制及操作部分中加热棒（36）、温度传感器（33）、液位液温计（11）设有四组，四组加热棒（36）和温度传感器（33）对应安装在四组润滑介质及储存部分中的润滑介质桶（19）内壁和泵筒座（34）外壁之间；四组液位液温计（11）对应安装在四组润滑介质及储存部分中的润滑介质桶（19）外壁上。

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