CN105954133B - 一种旋转控制头胶芯磨损的实验设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于旋转控制头胶芯磨损的实验设备，属于磨损实验测量设备技术领域。本发明的旋转控制头胶芯磨损实验设备，包括立式万能摩擦磨损试验机、试件胶芯夹具、导管及步进可调泥浆泵。本发明中的主轴与夹具中由壳体总成及固定装置所固定的试件胶芯构成旋转副并发生相对转动，温度控制装置及步进可调泥浆泵为其提供不同实验条件，有效模拟旋转控制头在欠平衡钻井过程中胶芯的磨粒磨损情况。本发明解决目前该领域实验设备不具备系统化标准化的问题，促进对其磨损机理及损伤演变规律的研究。可为旋转控制头胶芯等相关零部件的设计、制造与维护提供准确、可靠的试验依据。

Description

一种旋转控制头胶芯磨损的实验设备

技术领域

本发明涉及磨损实验测量设备技术领域，具体是一种旋转控制头胶芯磨损的实验设备，尤其是一种模拟欠平衡钻井技术中旋转控制头胶芯磨损的实验设备。

背景技术

旋转控制头是欠平衡钻井技术的关键设备，它主要依靠胶芯与钻杆之间的过盈配合，利用胶芯变形密封钻井液压力，所以胶芯的性能在一定程度上决定了欠平衡钻井的施工能力。但一方面国产旋转控制头胶芯的研制投入不够，导致胶芯的设计、生产缺乏相关标准规范的引导，检验、运输及贮存准则也不完善；另一方面，对于胶芯的磨损实验缺少系统化、标准化的实验装置及设备，使得该领域的技术实验得不到与实际生产中相似的磨痕表面形貌及表面成分，无法促进对其磨损机理及损伤演变规律的研究。

对磨粒磨损进行试验与分析，并总结出其磨损机理及与相关工况的关系，可为旋转控制头胶芯等相关零部件的设计、制造与维护提供准确、可靠的试验依据，对提高零部件的疲劳寿命具有重要的意义。

物体表面与硬质颗粒或硬质凸出物(包括硬金属)相互摩擦引起表面材料损失的现象称为磨粒磨损。而磨料磨损机理是属于磨料的机械作用，这种机械作用在很大程度上与磨料的性质、形状及尺寸大小，固定的程度以及载荷作用下磨料与被磨材料表面的机械性能有关。其中磨料的硬度、大小及形状，磨粒的韧性、压碎强度以及外界载荷大小、滑动距离及滑动速度都会对磨粒磨损产生影响。现有的磨损试验方法可分为两类：

①实物磨损试验：即以实物零件在机器实际工作条件下进行试验，或者用实物零件在模拟机械使用条件的试验台上进行试验。

②试样磨损试验：即将欲试材料制成规定试样，在规定的试验条件下在专门设计的试验机上进行试验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种旋转控制头胶芯磨损的实验设备，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种旋转控制头胶芯磨损的实验设备，包括试件胶芯夹具、立式万能摩擦磨损试验机、导管及步进可调泥浆泵，所述的立式万能摩擦磨损试验机顶部有由液压活塞驱动的主轴，其下方旋转试验台通过螺纹及定位销连接固定试件胶芯夹具，通过主轴旋转模拟旋转控制头钻井过程中的相对转动。旋转试验台右方有对步进可调泥浆泵起支持作用的平台。

进一步地，所述试件胶芯夹具由壳体总成、旋转总成、固定装置及传感装置组成。

进一步地，所述壳体总成由夹具盖及夹具筒组成，夹具盖中心留有贯穿主轴的较大通孔，周围等距离等角度分布六个较小通孔，用于严密配合试件胶芯上端面加工的螺柱固定试件胶芯。

进一步地，所述夹具筒中间放置试件胶芯，两者围成的空间部分成为介质腔。夹具筒二分之一高度的外围圆周开有三个均布孔口，用以放置夹持圈的支持杆。夹具筒底部外壁对称开一组孔口，分别为外接步进可调泥浆泵出口的进介质口和外接步进可调泥浆泵进口的出介质口。夹具筒上下端分别通过螺纹连接与夹具盖、旋转试验台连接固定，在所述的夹具筒外壁进介质口和出介质口设有中心开孔的防尘橡胶皮，所述防尘橡胶皮的边部固定于夹具筒外壁面。

进一步地，所述旋转总成由主轴、试件胶芯、轴承及密封圈组成，所述主轴与试件胶芯之间为过盈配合装配，工作时主轴相对于试件胶芯旋转。

进一步地，所述轴承安放于夹具筒内部的沉头孔上，轴承和密封圈位于主轴的末端相邻两个台阶上。

进一步地，所述固定装置由螺栓和夹持圈组成。试件胶芯上端面经硫化处理，其均布的六组加工螺柱贯穿夹具盖的通孔通过螺栓连接，从而保证试件胶芯自身轴向、径向固定。在试件胶芯的外围有夹持圈用于加强径向固定。

进一步地，所述传感装置由温度控制装置、扭矩测量装置和流压测量装置组成。主轴底部向上三分之一处中空处理，放置温度控制装置，导线通过轴心向下由主轴底端导出，接往摩擦磨损试验机温度控制系统。主轴底部留有细长台阶，末端传递扭矩并通过与其接触的摩擦磨损试验机扭矩传感测量装置向系统导入实时扭矩数据。夹持圈作中空处理，贴近外壁面处安装流压测量装置，其导线通过支持杆引出并接到采集系统。

进一步地，所述步进可调泥浆泵为配备流量压力调节装置的微型泥浆泵，工作时驱动液体介质循环流动与胶芯试件摩擦表面接触，防止夹具筒中的试验泥浆介质沉淀。步进可调泥浆泵通过导管与夹具进介质口相通。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明的实验设备，结构简单，操作简便，维修方便，适合推广应用；

2)本发明的实验设备，能在可控高温、液压流速、颗粒介质的不同变量条件下进行磨粒磨损试验；

3)本发明的实验设备，能有效模拟旋转控制头在欠平衡钻井过程中胶芯的磨粒磨损情况，得到与实际生产中相似的磨痕表面形貌及表面成分，促进对其磨损机理及损伤演变规律的研究；

4)本发明的实验设备，利用其得出的准确实验数据，可总结出旋转控制头胶芯磨损机理及与相关工况的关系，可为旋转控制头胶芯等相关零部件的设计、制造与维护提供准确、可靠的试验依据。

附图说明

图1是本发明的结构位置示意图；

图2是本发明中夹具组成示意图；

图3是本发明中夹具结构示意图；

图4是本发明中夹具俯视图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种旋转控制头胶芯磨损的实验设备，包括试件胶芯夹具1、立式万能摩擦磨损试验机2、导管3及步进可调泥浆泵4，所述的立式万能摩擦磨损试验机2顶部有由液压活塞驱动的主轴，其下方旋转试验台通过螺纹及定位销连接固定试件胶芯夹具1，通过主轴旋转模拟旋转控制头钻井过程中的相对转动。旋转试验台右方有对步进可调泥浆泵4起支持作用的平台。由于采用了上述结构，旋转试验台通过螺纹及定位销连接固定试件胶芯夹具，能够有效保证试件胶芯夹具的稳定性。由液压活塞驱动主轴的旋转运动，使得其频率和扭矩控制精确，试验精度高。

进一步地，所述试件胶芯夹具1由壳体总成5、旋转总成6、固定装置7及传感装置8组成。

进一步地，所述壳体总成5由夹具盖11及夹具筒12组成。

进一步地，夹具盖11中心留有贯穿主轴的较大通孔，周围等距离等角度分布六个较小通孔，用于严密配合试件胶芯上端面加工的螺柱固定试件胶芯。(由于采用了上述结构，通过夹具盖与筒壁的螺纹连接能有效保证试件胶芯受到持续稳定的挤压作用，从而在铅直方向实现了试件胶芯的固定。)

进一步地，所述夹具筒12中间放置试件胶芯，两者围成的空间部分成为介质腔。夹具筒12二分之一高度的外围圆周开有三个均布孔口，用以放置夹持圈13的支持杆20。夹具筒底部外壁对称开一组孔口，分别为外接步进可调泥浆泵4出口的进介质口19和外接步进可调泥浆泵4进口的出介质口14。夹具筒12上下端分别通过螺纹连接与夹具盖11、旋转试验台连接固定。由于采用了上述结构，夹具盖与夹具筒所密闭的空间可提供介质腔。向介质腔内充入液体颗粒介质，均不会影响载荷的施加与扭矩的驱动。通过向介质腔内充入液体颗粒介质使其浸没试件内壁及其与试件外壁的接触面，即可在各种不同颗粒性质的液体介质条件下进行磨粒磨损试验。

进一步地，在所述的夹具筒外壁进介质口19和出介质口14设有中心开孔的防尘橡胶皮，所述防尘橡胶皮的边部固定于夹具筒外壁面。由于采用了上述结构，防尘橡胶皮的边部固定于外壁面，且泥浆、液体介质的导管可从防尘橡胶皮上的中心开孔内穿过，使对防尘橡胶皮对灰尘等杂物进行隔离，避免杂物进入到介质腔内影响试验结果。

进一步地，所述旋转总成6由主轴9、试件胶芯22、轴承17及密封圈18组成，所述主轴9与试件胶芯22之间为过盈配合装配，工作时主轴相对于试件胶芯22旋转。由于采用了上述结构，所述主轴9通过简单的转动副结构使周向加载均在试件胶芯22的内壁进行；而试件胶芯22的外部不需要进行驱动及加载。

进一步地，所述轴承17安放于夹具筒12内部的沉头孔上，轴承17和密封圈18位于主轴9的末端相邻两个台阶上。由于采用了上述结构，所述轴承17安装在夹具筒12底部能支撑主轴9，保证主轴9转动同轴度，同时主轴可相对于壳体总成5转动。夹具筒12底端开沟槽安装液压气动O型丁腈橡胶密封圈18，防止夹具筒中泥浆介质渗透，保证轴承正常工作。

进一步地，所述固定装置7由螺栓10和夹持圈13组成。试件胶芯上端面经硫化处理，其均布的六组加工螺柱23贯穿夹具盖11的通孔通过螺栓连接，从而保证试件胶芯22自身轴向、径向固定。在试件胶芯的外围有夹持圈13用于加强径向固定。由于采用了上述结构，所述由螺栓10和夹持圈13组成的固定装置同时固定胶芯试件，其即可在不因为装载固定原因而发生形变的初试条件下与主轴发生均匀的摩擦接触。

进一步地，所述传感装置8由温度控制装置15、扭矩测量装置和流压测量装置21组成。主轴9底部向上三分之一处中空处理，放置温度控制装置15，导线通过轴心向下由主轴底端导出，接往摩擦磨损试验机温度控制系统。主轴底部留有细长台阶16，末端传递扭矩并通过与其接触的摩擦磨损试验机扭矩传感测量装置向系统导入实时扭矩数据。夹持圈13作中空处理，贴近外壁面处安装流压测量装置21，其导线通过支持杆20引出并接到采集系统。由于采用了上述结构，所述温度控制系统安装于主轴内，所述流压测量装置安装于夹持圈内，均不会影响正常的磨粒磨损状态，且可以为多种工况要求的磨损实验提供不同的温度条件和压力条件。温度、扭矩、压力数据由各传感装置采集后显示在主机系统，其汇总统计及状态变化信息在系统反映直观、清晰易见。

进一步地，所述步进可调泥浆泵4为配备流量压力调节装置的微型泥浆泵，工作时驱动液体介质循环流动与胶芯试件摩擦表面接触，防止夹具筒中的试验泥浆介质沉淀。步进可调泥浆泵4通过导管3与夹具进介质口19相通。由于采用了上述结构，所述步进可调泥浆泵4为配备流量压力调节装置的微型泥浆泵作为该设备的泥浆泵，可以提供颗粒大小、液压流速等不同变量的实验条件，从而进行各种工况下，尤其是不同液压介质工况下的磨粒磨损，能为相关零部件的设计、制造与维护提供更加准确、可靠的试验依据。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种旋转控制头胶芯磨损的实验设备，其特征在于：包括试件胶芯夹具(1)、立式万能摩擦磨损试验机(2)、导管(3)及步进可调泥浆泵(4)，所述的立式万能摩擦磨损试验机(2)顶部有由电机驱动的主轴，其下方旋转试验台通过螺纹及定位销连接固定试件胶芯夹具(1)，通过主轴旋转模拟旋转控制头钻井过程中钻杆与橡胶胶芯的相对转动，旋转试验台右方有对步进可调泥浆泵(4)起支持作用的平台；

所述试件胶芯夹具(1)由壳体总成(5)、旋转总成(6)、固定装置(7)及传感装置(8)组成；

所述壳体总成(5)由夹具盖(11)及夹具筒(12)组成，夹具盖(11)中心留有贯穿主轴的较大通孔，周围等距离等角度均匀分布六个较小通孔，用于严密配合试件胶芯上端面加工的螺柱固定试件胶芯；

所述旋转总成(6)由主轴(9)、试件胶芯(22)、轴承(17)及密封圈(18)组成，所述主轴(9)与试件胶芯(22)之间为过盈配合装配，工作时主轴相对于试件胶芯(22)旋转；

所述步进可调泥浆泵(4)为配备流量压力调节装置的微型泥浆泵，工作时驱动液体介质循环流动与胶芯试件摩擦表面接触，防止夹具筒中的试验泥浆介质沉淀，步进可调泥浆泵(4)通过导管(3)与夹具进介质口(19)相通。

2.根据权利要求1所述的一种旋转控制头胶芯磨损的实验设备，其特征在于：所述夹具筒(12)中间放置试件胶芯，两者围成的空间部分成为介质腔，夹具筒(12)二分之一高度的外围圆周开有三个均布孔口，用以放置夹持圈(13)的支持杆(20)，夹具(12)筒底部外壁对称开一组孔口，分别为外接步进可调泥浆泵(4)出口的进介质口(19)和外接步进可调泥浆泵(4)进口的出介质口(14)，夹具筒(12)上下端分别通过螺纹连接与夹具盖(11)、旋转试验台连接固定，在所述的夹具筒外壁进介质口(19)和出介质口(14)设有中心开孔的防尘橡胶皮，所述防尘橡胶皮的边部固定于夹具筒外壁面。

3.根据权利要求1所述的一种旋转控制头胶芯磨损的实验设备，其特征在于：所述轴承(17)安放于夹具筒(12)内部的沉头孔上，轴承(17)和密封圈(18)位于主轴(9)的末端相邻两个台阶上。

4.根据权利要求1所述的一种旋转控制头胶芯磨损的实验设备，其特征在于：所述固定装置(7)由螺栓(10)和夹持圈(13)组成，试件胶芯(22)上端面经硫化处理，其均布的六组螺柱(23)贯穿夹具盖(11)的通孔通过螺栓连接，从而保证试件胶芯(22)自身轴向、径向固定，在试件胶芯(22)的外围有夹持圈(13)用于加强径向固定。

5.根据权利要求1所述的一种旋转控制头胶芯磨损的实验设备，其特征在于：所述传感装置(8)由温度控制装置(15)、扭矩测量装置(16)和流压测量装置(21)组成，主轴(9)底部向上三分之一处中空处理，放置温度控制装置(15)，导线通过轴心向下由主轴底端导出，接往摩擦磨损试验机温度控制系统，主轴底部留有细长台阶(16)，末端传递扭矩并通过与其接触的摩擦磨损试验机扭矩传感测量装置向系统导入实时扭矩数据，夹持圈(13)作中空处理，贴近外壁面处安装流压测量装置(21)，其导线通过支持杆(20)引出并接到采集系统。