CN104748956A - 一种螺杆钻具马达性能的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种螺杆钻具马达性能的测试方法及装置，其中，该方法根据容积式水力机械的可逆性原理，测试螺杆钻具马达转子在外部动力驱动下的水力特性，从而可以更简单、全面、有效地测试和评估螺杆钻具马达的各项性能指标；该装置包括基座、设置在基座一侧的驱动单元、设置在基座另一侧且用于固定待测试的螺杆钻具马达的固定单元、设置在基座外侧的水箱、用于将螺杆钻具马达的出口和入口分别与水箱相连通的循环管道、设置在循环管道上且用于控制螺杆钻具马达流量的节流控制单元和用于测试螺杆钻具马达各项基础参数的检测单元；驱动单元的输出端与螺杆钻具马达的转子相连接，并驱动螺杆钻具马达的转子转动。

Description

一种螺杆钻具马达性能的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种螺杆钻具性能的测试装置及方法，尤其涉及一种螺杆钻具马达性能的测试装置及方法。

背景技术

目前，常用的螺杆钻具性能的测试方法有两种：

一种是螺杆钻具整机试验法：该方法通过在钻具入口施加不同排量的介质，并对钻具输出部分施加不同的反扭矩载荷，测试出钻具在不同模拟条件下的输出扭矩、输出转速、循环流量、入口和出口压力等钻具的性能参数。这种方法的优点是工作方式与实际工况相似，试验结果较接近螺杆钻具的实际性能；缺点是测试设备复杂、制造与运转费用高，测试操作的工作量大，若每套新螺杆钻具出厂时都做整机试验，将大幅提高产品成本。

另一种是螺杆钻具马达试验法：该方法通过施加外部动力驱动马达转子，使马达从入口吸入试验介质(例如清水)，然后逐渐关闭出口的节流阀直至完全关闭，测量马达此时在一定转速下入口与出口两端的压力差，从而判断马达的密封性能。例如申请号为：201120334569.3，发明名称为：“一种螺杆钻具马达测试台”的实用新型专利即属于这种方法，该方法虽然实现了马达的密封性能的检测，但缺点是测试的压力差单点数据不能全面地分析螺杆钻具动态性能。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种螺杆钻具马达性能的测试装置及方法，以全面、高效地评估螺杆钻具马达的各项性能指标。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种螺杆钻具马达性能的测试装置，其特征在于，包括基座、设置在所述基座一侧的驱动单元、设置在所述基座另一侧且用于固定待测试的螺杆钻具马达的固定单元、设置在所述基座外侧的水箱、用于将所述螺杆钻具马达的出口和入口分别与所述水箱相连通的循环管道、设置在所述循环管道上且用于控制所述螺杆钻具马达流量的节流控制单元和用于测试所述螺杆钻具马达各项基础参数的检测单元；其中，所述驱动单元的输出端与所述螺杆钻具马达的转子相连接，并驱动所述螺杆钻具马达的转子转动。

所述驱动单元包括电动机、减速器和轴承箱，所述电动机的输出轴通过所述减速器与所述轴承箱的输入端相连接，所述轴承箱的输出端与所述螺杆钻具马达的转子相连接。

所述节流控制单元包括顺序设置在所述螺杆钻具马达出口与所述水箱入口之间的循环管道上的电动闸阀、电动压力阀和手动阀，以及设置在所述水箱出口与所述螺杆钻具马达入口之间的循环管道上的喂水泵。

所述检测单元包括一扭矩转速传感器、一出口压力表、一流量计和一入口压力表；其中，所述扭矩转速传感器固定在所述基座上，一端与所述减速器的输出轴相连接，另一端与所述轴承箱相连接，用于测试所述螺杆钻具马达的输入转矩和输入转速；所述出口压力表设置于所述螺杆钻具马达的出口与所述电动闸阀之间的循环管道上，用于测试所述螺杆钻具马达的出口压力；所述流量计设置于所述手动阀与所述水箱之间的循环管道上，用于测试所述螺杆钻具马达的循环流量；所述入口压力表设置于所述螺杆钻具马达的入口与所述喂水泵之间的循环管道上，用于测试所述螺杆钻具马达的入口压力。

所述固定单元包括固定设置在所述基座上的一活动钳和若干固定钳。

一种螺杆钻具马达性能的测试方法，其包括以下步骤：

1)将待测试的螺杆钻具马达通过固定单元固定在基座上，所述螺杆钻具马达的转子与驱动单元的输出端相连接，所述螺杆钻具马达的出口和入口均通过循环管道与检测单元相连通；所述驱动单元驱动所述螺杆钻具马达的转子转动，使所述螺杆钻具马达从入口处吸液，从出口处排液；

2)完全开启与所述螺杆钻具马达的出口相连通的节流控制单元，调节所述驱动单元的输入，使所述螺杆钻具马达的转子以任一恒定转速空转且使所述螺杆钻具马达入口与出口两端压力值约相等，记录此时的马达流量Q_max和转子转速ω_max，然后推算出马达每转排量q；

3)逐渐关闭所述节流控制单元，使得所述螺杆钻具马达的出口压力缓慢升高、出口流量缓慢减小，直至出口流量为零，记录此时马达入口与出口两端的压力差Δp_max和输入扭矩值M_max；

4)逐渐调整所述节流控制单元，在出口流量减小的过程中使用所述检测单元分别实时采集所述螺杆钻具马达的基础参数，包括输入扭矩M、输入转速ω、出口压力p1、循环流量Q和入口压力p2；

5)将实时采集到的所述螺杆钻具马达的基础参数进行相应计算，得到所述螺杆钻具马达的功率、效率参数，综合可得所述螺杆钻具马达的总体性能参数，通过所述总体性能参数换算并绘制出所述螺杆钻具马达的特性曲线，包括：流量-压差曲线、扭矩-压差曲线、效率-压差曲线和功率-压差曲线；

6)根据所述螺杆钻具马达的总体性能参数和特性曲线，按螺杆钻具性能的评估方法准确评估螺杆钻具性能。

所述螺杆钻具性能的评估方法具体包括以下步骤：

①所述流量-压差曲线为抛物线曲线，随着所述螺杆钻具马达入口和出口之间的压差升高，所述螺杆钻具马达的泄漏流量增大，循环流量减小，直至压力增大至最大压差处，流量为零；同型号螺杆钻具在同转速条件下测试时，所述流量-压差曲线在相同压差处的斜率绝对值越小，则表明所述螺杆钻具马达的泄漏量越小；所述流量-压差曲线的最大压差值越大，则表明所述螺杆钻具马达定、转子的密封性越好；

②所述扭矩-压差曲线为线性曲线，随着所述螺杆钻具马达入口和出口之间的压差升高，所述螺杆钻具马达的输入扭矩线性增加；同型号螺杆钻具，所述扭矩-压差曲线的斜率越小，则表明所述螺杆钻具马达升高相同压差，所需的输入扭矩更小，所述螺杆钻具马达的效率更高；所述螺杆钻具马达入口和出口之间的压差为零时，对应的最小扭矩为所述螺杆钻具马达定、转子的摩擦扭矩，摩擦扭矩越小，则表明所述螺杆钻具马达所需的启动压差越小；

③所述效率-压差曲线为抛物线曲线，所述效率-压差曲线的最高点值越大、最高点对应的压差值越大、最大效率区域越宽，则所述螺杆钻具马达的性能越优；

④所述功率-压差曲线为抛物线曲线，所述功率-压差曲线的最高点值越大、最高点对应的压差值越大、最大效率区域越宽，则所述螺杆钻具马达的性能越优。

所述螺杆钻具马达的总体性能参数包括：螺杆钻具马达的输入功率W₁、输出功率W₂、流量Q、输入转矩M、效率η以及入口与出口两端的压力差Δp，其中：

Δp＝p1-p2，

W₁＝Mω，

W₂＝ΔpQ，

η＝ΔpQ/Mω。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明提出了一种螺杆钻具马达性能的测试方法，利用容积式水力机械的可逆性，测试螺杆钻具马达转子在外部动力驱动下的水力特性，从而可以更简单、全面、有效地测试和评估螺杆钻具马达的各项性能指标；2、本发明还提出了一套专用于螺杆钻具马达性能测试的试验装置，可以全面、准确地测试螺杆钻具马达的压力、流量、扭矩、转速、功率和效率等性能参数，使螺杆钻具马达的性能测试不再只局限于原有的马达最大压降测试，完善了螺杆钻具马达的测试设备，而且结构简单。

附图说明

图1是本发明测试装置的结构示意图；

图2是本发明的试验原理示意图；

图3是本发明的螺杆钻具马达特性曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明提供的螺杆钻具马达性能的测试装置，包括基座1，设置在基座1一侧的驱动单元2，设置在基座1另一侧且用于固定待测试的螺杆钻具马达8的固定单元3，设置在基座1外侧的水箱4，用于将螺杆钻具马达8的出口和入口分别与水箱4相连通的循环管道5，设置在循环管道5上且用于控制螺杆钻具马达8流量的节流控制单元6，以及用于测试螺杆钻具马达8各项基础参数的检测单元7。其中，驱动单元2的输出端与螺杆钻具马达8的转子82相连接，并驱动螺杆钻具马达8的转子82转动。

上述实施例中，如图1所示，节流控制单元6包括顺序设置在螺杆钻具马达8出口与水箱4入口之间的循环管道5上的电动闸阀61、电动压力阀62和手动阀63，以及设置在水箱4出口与螺杆钻具马达8入口之间的循环管道5上的喂水泵64。

上述实施例中，如图1、图2所示，驱动单元2包括电动机21、减速器22和轴承箱23，电动机21的输出轴通过减速器22与轴承箱23的输入端相连接，轴承箱23的输出端则与螺杆钻具马达8的转子82相连接。

上述实施例中，如图1所示，检测单元7包括一扭矩转速传感器71、一出口压力表72、一流量计73和一入口压力表74，其中，扭矩转速传感器71固定在基座1上，一端与减速器22的输出轴相连接，另一端与轴承箱23相连接，用于测试螺杆钻具马达8的输入转矩和输入转速。出口压力表72设置于螺杆钻具马达8的出口与电动闸阀61之间的循环管道5上，用于测试螺杆钻具马达8的出口压力。流量计73设置于手动阀63与水箱4之间的循环管道5上，用于测试螺杆钻具马达8的循环流量。入口压力表74设置于螺杆钻具马达8的入口与喂水泵64之间的循环管道5上，用于测试螺杆钻具马达8的入口压力。

上述实施例中，如图1所示，固定单元3包括固定设置在基座1上的一活动钳31和若干固定钳32。

基于上述实施例中提供的螺杆钻具马达性能的测试装置，本发明还提出了一种螺杆钻具马达性能的测试方法，下面首先对本发明方法的基本原理进行简单说明。

根据螺杆钻具工作时的能量守恒原理可知：

M’ω’＝Δp’Q’μ’

其中，M’为螺杆钻具的输出扭矩，单位为N·m；ω’为螺杆钻具的转子转速，单位为rad/s；Δp’为螺杆钻具入口与出口两端的压差，单位为Pa；Q’为通过螺杆钻具的流量，单位为m³/s；μ’为螺杆钻具的总效率；此时螺杆钻具的输入功率为Δp’Q’。

若将Mω作为螺杆钻具的功率输入端且其他条件不变，则有：

Mωμ＝ΔpQ

根据容积式机械的基本原理，能量从水压力势能转换为机械能和从机械能转换为水压力势能的效率应一致，即：

μ＝μ’

螺杆钻具整机试验设备的基本工作原理是在额定的流量Q’下调整螺杆钻具入口与出口两端的压力差Δp’，得到螺杆钻具的输出扭矩M’和转子转速ω’等数据，通过整理得到Δp’～M’，Δp’～ω’，Δp’～μ’的关系曲线。

而本发明的方案，如图2所示，是由驱动单元2在额定转子转速ω下带动螺杆钻具马达转子82转动，将试验介质从马达入口吸入、马达出口排出，通过调整节流控制单元6测得不同流量Q下的马达入口压力p1、马达出口压力p2和螺杆钻具马达的输入扭矩M数值，得到马达入口与出口两端的压力差Δp。则根据螺杆钻具基本原理和效率一致性原理，此时Δp～M，Δp～μ的关系与整机试验时Δp’～M’，Δp’～μ’的关系是一致的。

同时，根据容积式机械的转速关系，当流量Q’作为功率输入端时有：

${\mathrm{\ω}}^{,}=\frac{60Q^{,}}{q^{,}}{{\mathrm{\μ}}_v}^{,}$

其中，q’为螺杆钻具每转排量，单位为m³；μ_v’为螺杆钻具水力效率。

而当ω作为功率输入端时，等效到整机试验的流量Q应为ωq，且为额定值。同理，本发明方案中数据关系Δp～ω对应到整机试验的数据关系应为Δp’～ω’μ_v’。

本发明提供的螺杆钻具马达性能的测试方法，根据上述容积式水力机械的可逆性原理，将螺杆钻具马达8的转子82与驱动单元2连接，由驱动单元2驱动螺杆钻具马达8的转子82转动，把螺杆钻具马达8当做螺杆泵进行测试。利用上述原理，测试螺杆钻具马达8的转子82在驱动单元2驱动下的水力特性，可以准确判断螺杆钻具的性能指标，使螺杆钻具马达8的测试不再只局限于原有的马达最大压力差测试，而是可以更简单、全面、有效地测试和评估螺杆钻具马达8的各项性能指标。下面详细说明本发明提供的螺杆钻具马达性能的测试方法，包括以下步骤：

1)如图1所示，将螺杆钻具马达8通过活动钳31和固定钳32固定在基座1上，螺杆钻具马达8的转子82与轴承箱23的输出端相连接，将螺杆钻具马达8的出口通过循环管道5与出口压力表72相连通，螺杆钻具马达8的入口通过循环管道5与入口压力表74相连通；电动机21通过轴承箱23驱动螺杆钻具马达8的转子82转动，使螺杆钻具马达8从入口处吸液，从出口处排液。

2)完全开启与螺杆钻具马达8的出口相连通的电动闸阀61和电动压力阀62，调节电动机21的输入，使螺杆钻具马达8的转子82以任一恒定转速空转且使螺杆钻具马达8入口与出口两端压力值约相等，记录此时的螺杆钻具马达的流量Q_max和螺杆钻具马达的转子转速ω_max，然后推算出螺杆钻具马达的每转排量q。

3)逐渐关闭电动压力阀62，使得螺杆钻具马达8的出口压力缓慢升高、出口流量缓慢减小，直至出口流量为零，记录此时螺杆钻具马达入口与出口两端的压力差Δp_max和螺杆钻具马达的输入扭矩值M_max(此扭矩值为该马达在此压力差下的制动扭矩)。

4)逐渐调整节流控制单元6，在出口流量减小的过程中使用扭矩转速传感器71、出口压力表72、流量计73和入口压力表74分别实时采集螺杆钻具马达8的输入扭矩M、转子转速ω、出口压力p1、流量Q和入口压力p2等螺杆钻具马达8的基础参数。

5)将实时采集到的螺杆钻具马达8的基础参数进行相应计算，得到螺杆钻具马达8的功率、效率参数，综合可得螺杆钻具马达8的总体性能参数，包括：螺杆钻具马达8的输入功率W₁、输出功率W₂、流量Q、输入转矩M、效率η以及入口与出口两端的压力差Δp，其中：

Δp＝p1-p2

W₁＝Mω

W₂＝ΔpQ

η＝ΔpQ/Mω

通过这些性能参数可以换算并绘制出螺杆钻具马达8的特性曲线，包括：流量-压差曲线、扭矩-压差曲线、效率-压差曲线和功率-压差曲线(如图3所示)。

6)根据螺杆钻具马达8的总体性能参数和特性曲线，按螺杆钻具性能的评估方法准确评估螺杆钻具性能，具体包括以下步骤：

①如图3所示，流量-压差曲线为抛物线曲线，随着螺杆钻具马达8入口和出口之间的压差升高，螺杆钻具马达8的泄漏流量增大，循环流量减小，直至压力增大至最大压差处，流量为零。同型号螺杆钻具在同转速条件下测试时，流量-压差曲线在相同压差处的斜率绝对值越小，则表明螺杆钻具马达8的泄漏量越小；流量-压差曲线的最大压差值越大，则表明螺杆钻具马达定子81、转子82的密封性越好。

②扭矩-压差曲线为线性曲线，随着螺杆钻具马达8入口和出口之间的压差升高，螺杆钻具马达8的输入扭矩线性增加。同型号螺杆钻具，扭矩-压差曲线的斜率越小，则表明螺杆钻具马达8升高相同压差，所需的输入扭矩更小，螺杆钻具马达8的效率更高；螺杆钻具马达8入口和出口之间的压差为零时，对应的最小扭矩为螺杆钻具马达定子81、转子82的摩擦扭矩，摩擦扭矩越小，则表明螺杆钻具马达8所需的启动压差越小。

③效率-压差曲线为抛物线曲线，效率-压差曲线的最高点值越大、最高点对应的压差值越大、最大效率区域越宽，则螺杆钻具马达8的性能越优。

④功率-压差曲线为抛物线曲线，功率-压差曲线的最高点值越大、最高点对应的压差值越大、最大效率区域越宽，则螺杆钻具马达8的性能越优。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种螺杆钻具马达性能的测试装置，其特征在于，包括基座、设置在所述基座一侧的驱动单元、设置在所述基座另一侧且用于固定待测试的螺杆钻具马达的固定单元、设置在所述基座外侧的水箱、用于将所述螺杆钻具马达的出口和入口分别与所述水箱相连通的循环管道、设置在所述循环管道上且用于控制所述螺杆钻具马达流量的节流控制单元和用于测试所述螺杆钻具马达各项基础参数的检测单元；其中，所述驱动单元的输出端与所述螺杆钻具马达的转子相连接，并驱动所述螺杆钻具马达的转子转动。

2.如权利要求1所述的一种螺杆钻具马达性能的测试装置，其特征在于，所述驱动单元包括电动机、减速器和轴承箱，所述电动机的输出轴通过所述减速器与所述轴承箱的输入端相连接，所述轴承箱的输出端与所述螺杆钻具马达的转子相连接。

3.如权利要求1所述的一种螺杆钻具马达性能的测试装置，其特征在于，所述节流控制单元包括顺序设置在所述螺杆钻具马达出口与所述水箱入口之间的循环管道上的电动闸阀、电动压力阀和手动阀，以及设置在所述水箱出口与所述螺杆钻具马达入口之间的循环管道上的喂水泵。

4.如权利要求2所述的一种螺杆钻具马达性能的测试装置，其特征在于，所述节流控制单元包括顺序设置在所述螺杆钻具马达出口与所述水箱入口之间的循环管道上的电动闸阀、电动压力阀和手动阀，以及设置在所述水箱出口与所述螺杆钻具马达入口之间的循环管道上的喂水泵。

5.如权利要求4所述的一种螺杆钻具马达性能的测试装置，其特征在于，所述检测单元包括一扭矩转速传感器、一出口压力表、一流量计和一入口压力表；其中，

所述扭矩转速传感器固定在所述基座上，一端与所述减速器的输出轴相连接，另一端与所述轴承箱相连接，用于测试所述螺杆钻具马达的输入转矩和输入转速；

所述出口压力表设置于所述螺杆钻具马达的出口与所述电动闸阀之间的循环管道上，用于测试所述螺杆钻具马达的出口压力；

所述流量计设置于所述手动阀与所述水箱之间的循环管道上，用于测试所述螺杆钻具马达的循环流量；

所述入口压力表设置于所述螺杆钻具马达的入口与所述喂水泵之间的循环管道上，用于测试所述螺杆钻具马达的入口压力。

6.如权利要求1或2或3或4或5所述的一种螺杆钻具马达性能的测试装置，其特征在于，所述固定单元包括固定设置在所述基座上的一活动钳和若干固定钳。

7.一种采用如权利要求1至6中任一项所述测试装置来实现的螺杆钻具马达性能的测试方法，其特征在于，其包括以下步骤：

1)将待测试的螺杆钻具马达通过固定单元固定在基座上，所述螺杆钻具马达的转子与驱动单元的输出端相连接，所述螺杆钻具马达的出口和入口均通过循环管道与检测单元相连通；所述驱动单元驱动所述螺杆钻具马达的转子转动，使所述螺杆钻具马达从入口处吸液，从出口处排液；

2)完全开启与所述螺杆钻具马达的出口相连通的节流控制单元，调节所述驱动单元的输入，使所述螺杆钻具马达的转子以任一恒定转速空转且使所述螺杆钻具马达入口与出口两端压力值约相等，记录此时的马达流量Q_max和转子转速ω_max，然后推算出马达每转排量q；

3)逐渐关闭所述节流控制单元，使得所述螺杆钻具马达的出口压力缓慢升高、出口流量缓慢减小，直至出口流量为零，记录此时马达入口与出口两端的压力差Δp_max和输入扭矩值M_max；

4)逐渐调整所述节流控制单元，在出口流量减小的过程中使用所述检测单元分别实时采集所述螺杆钻具马达的基础参数，包括输入扭矩M、输入转速ω、出口压力p1、循环流量Q和入口压力p2；

5)将实时采集到的所述螺杆钻具马达的基础参数进行相应计算，得到所述螺杆钻具马达的功率、效率参数，综合可得所述螺杆钻具马达的总体性能参数，通过所述总体性能参数换算并绘制出所述螺杆钻具马达的特性曲线，包括：流量-压差曲线、扭矩-压差曲线、效率-压差曲线和功率-压差曲线；

6)根据所述螺杆钻具马达的总体性能参数和特性曲线，按螺杆钻具性能的评估方法准确评估螺杆钻具性能。

8.如权利要求7所述的一种螺杆钻具马达性能的测试方法，其特征在于，所述螺杆钻具性能的评估方法具体包括以下步骤：

①所述流量-压差曲线为抛物线曲线，随着所述螺杆钻具马达入口和出口之间的压差升高，所述螺杆钻具马达的泄漏流量增大，循环流量减小，直至压力增大至最大压差处，流量为零；同型号螺杆钻具在同转速条件下测试时，所述流量-压差曲线在相同压差处的斜率绝对值越小，则表明所述螺杆钻具马达的泄漏量越小；所述流量-压差曲线的最大压差值越大，则表明所述螺杆钻具马达定、转子的密封性越好；

②所述扭矩-压差曲线为线性曲线，随着所述螺杆钻具马达入口和出口之间的压差升高，所述螺杆钻具马达的输入扭矩线性增加；同型号螺杆钻具，所述扭矩-压差曲线的斜率越小，则表明所述螺杆钻具马达升高相同压差，所需的输入扭矩更小，所述螺杆钻具马达的效率更高；所述螺杆钻具马达入口和出口之间的压差为零时，对应的最小扭矩为所述螺杆钻具马达定、转子的摩擦扭矩，摩擦扭矩越小，则表明所述螺杆钻具马达所需的启动压差越小；

③所述效率-压差曲线为抛物线曲线，所述效率-压差曲线的最高点值越大、最高点对应的压差值越大、最大效率区域越宽，则所述螺杆钻具马达的性能越优；

④所述功率-压差曲线为抛物线曲线，所述功率-压差曲线的最高点值越大、最高点对应的压差值越大、最大效率区域越宽，则所述螺杆钻具马达的性能越优。

9.如权利要求7或8所述的一种螺杆钻具马达性能的测试方法，其特征在于，所述螺杆钻具马达的总体性能参数包括：螺杆钻具马达的输入功率W₁、输出功率W₂、流量Q、输入转矩M、效率η以及入口与出口两端的压力差Δp，其中：

Δp＝p1-p2，

W₁＝Mω，

W₂＝ΔpQ，

η＝ΔpQ/Mω。