CN106908381A - 一种泥饼润滑系数和厚度一体化测量仪及测量方法 - Google Patents

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熊汉桥
苏晓明
练章华
袁媛
庄严
陈力
岳超先
吴若宁
朱杰
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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Abstract

本发明公开了一种泥饼润滑系数和厚度一体化测量仪，它包括箱体，箱体内设有动力系统，动力系统上设有转动杆，转动杆的底部连接动力系统的输出端，转动杆的上部位于箱体上方，转动杆的上部设置有连杆，连杆的一端设置有泥饼盘，泥饼盘内设有泥饼，泥饼上设有滑块；它还公开了泥饼润滑系数和厚度测量方法，包括以下步骤；S1、制取所需测量的泥饼；S2、读取泥饼厚度值；S3、记录泥饼盘左外侧端面与转动杆轴心间距离；S4、观察滑块和泥饼的相对滑动；S5、记录滑块相对泥饼滑动时的转速；S6、计算出泥饼摩阻系数。本发明结构简单、准确度高、便于实时实地测量泥饼的厚度和润滑系数。

Description

一种泥饼润滑系数和厚度一体化测量仪及测量方法
技术领域
本发明涉及润滑系数测量仪，具体涉及一种泥饼润滑系数和厚度一体化测量仪及测量方法。
背景技术
在钻井完井过程中，钻井的成功与否在一定程度上取决于钻井液性能的好坏。钻井液性能好坏的评价指标之一就是钻井液的润滑性，钻井液润滑性包括钻井液流体自身的润滑性和泥饼的润滑性两方面。其次，在钻井液性能评价中，泥饼的厚薄作为泥饼质量的评价标准之一，认为能够形成摩阻小、致密而薄的泥饼的钻井液其性能较好。特别是钻超深井、大斜度井、大位移井和丛式井时，钻柱的旋转阻力和提拉阻力大幅度提高，而影响钻井扭矩和阻力以和钻具磨损的主要可调节因素是钻井液的润滑性，因此准确评价润滑性对减小卡钻等井下复杂情况，保证安全、优质、快速钻进起着至关重要的作用。然而准确评价泥饼润滑性能和泥饼质量的前提是准确测定其相关参数，目前国内外针对钻井液泥饼润滑性或摩擦系数研究较少，不能同时测试泥饼的润滑系数和厚度。并且现有技术大多结构复杂，难以对泥饼润滑系数实现实时实地的测量，而其中有一些结构较为简单的测量仪器的测量精确度又较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种泥饼润滑系数和厚度一体化测量仪及测量方法，结构简单、准确度高、便于实时实地测量泥饼的厚度和润滑系数。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种泥饼润滑系数和厚度一体化测量仪，它包括箱体，所述箱体内设有动力系统，所述动力系统上设有转动杆，所述转动杆的底部连接动力系统的输出端，转动杆的上部位于箱体上方，转动杆的上部设置有连杆，所述连杆的一端设置有泥饼盘，所述泥饼盘内设有泥饼，所述泥饼上设置有滑块。
所述的转动杆的上部与连杆嵌入式连接。
所述的连杆上还设有平衡锤，所述平衡锤位于连杆上、远离泥饼盘的一端。
进一步的，它还包括平衡块，所述平衡块位于箱体内。
所述的步进电机的输出端连接转动杆，步进电机的输入端和无极调速仪连接，所述无极调速仪包括用于调节步进电机转速的转速调节阀、用于显示步进电机的实时转速的转速显示器、电源示意灯和电源开关。
所述的泥饼盘沿外边缘设有环形卡块，所述环形卡块上开设有至少两个缺口，所述环形卡块上设有刻度，所述泥饼和环形卡块配合。
所述的泥饼盘和环形卡块一体成型。
所述的泥饼润滑系数和厚度的测量方法，它包括以下步骤；
S1、制取所需测量的泥饼；
S2、将取得的泥饼置于泥饼盘缺口处，并通过环形卡块上的刻度读取泥饼厚度值；
S3、将泥饼置于泥饼盘上，将滑块置于泥饼中心，记录泥饼盘左外侧端面与转动杆轴心间距离为R1；
S4、打开电源开关，调节转速调节阀，并逐渐增大转速，每增大一定转速后停止调节转速调节阀，使泥饼盘在该转速下转动三圈，观察滑块是否相对泥饼滑动，若滑块相对泥饼静止，则继续增大转速，再观察滑块是否相对泥饼滑动；
S5、若滑块和泥饼有相对运动，则记录发生相对滑动时转速显示器中显示的转速值ω；
S6、计算泥饼的摩阻系数，m为滑块质量，g为重力加速度，已知泥饼盘半径为r，则泥饼和转动杆轴心间距离为：R＝R1+r (1)，
由牛顿定律和圆周运动求取滑块的向心力：F＝mv2/R＝mv2/(R1+r) (2)，
设定v为泥饼盘中心处线速度的大小，由线速度与角速度关系得：v＝ωR (3)，
由摩擦力计算公式可得：fu＝mgu (4)，
由牛顿第一定律得：fu＝F (5)，
将(2)式和(4)式带入(5)式，可以得：mv2/(R1+r)＝mgua (6)，
令：c＝(R1+r)/g (7)
通过将式(3)和式(7)代入式(6)，可得出泥饼摩阻系数：ua＝cω2 (8)，
完成了对泥饼摩阻系数的测算。
本发明的有益效果是：本发明易操作、仪器结构简单，对外界条件要求低，只需有平整面即可，易于拆卸，便于实时实地测量泥饼的厚度和润滑系数；采用步进电动机、精密无极无极调速仪调节转速和半开式刻度泥饼盘读取泥饼厚度，所测得的数据准确度较高；适用于泥饼润滑系数和厚度一体化测量，可以达到一个仪器同时可测得两个参数，可精确有效的测量出泥饼厚度和泥饼摩阻系数；还可以通过测定临界转速和其滑块发生相对滑动前的几个速度点，做出转速和摩阻系数曲线，确定临界摩阻系数。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为泥饼盘结构示意图；
图中，1-箱体，2-动力系统，3-连杆，4-转动杆，5-步进电机，6-泥饼盘，7-平衡锤，8-平衡块，9-环形卡块，10-无极调速仪，11-缺口，12-显示器，13-转速调节阀，14-电源开关，15-电源示意灯，16-泥饼，17-滑块。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种泥饼润滑系数和厚度一体化测量仪，它包括箱体1，箱体1内设有动力系统2和平衡块8，平衡块8用于保证实验过程中实验装置的稳定性，防止因电动机转动引起的震动导致滑块运动。
动力系统2上设有转动杆4，动力系统2包括步进电机5和无极调速仪10，步进电机5的输出端连接转动杆4，步进电机5的输入端和无极调速仪10连接，无极调速仪10包括用于调节步进电机5转速的转速调节阀13、用于显示步进电机5的实时转速的转速显示器12、电源示意灯15和电源开关14。转动杆4的上部位于箱体1上方，转动杆4的上部设置有连杆3，转动杆4的上部与连杆3嵌入式连接，，连杆3的一端设置有平衡锤7，平衡锤7用于平衡旋转部件的协调性，连杆3的另一端设置有泥饼盘6，泥饼盘6内设有泥饼16，泥饼16上设有滑块17。
如图2所示，泥饼盘6沿外边缘设有环形卡块9，环形卡块9上开设有至少两个缺口11，环形卡块9通过铭刻或者镶嵌刻度尺来在缺口11处设有刻度。泥饼盘6和环形卡块9一体成型，其材质为钢铁或者树脂。
泥饼润滑系数和厚度的测量方法，它包括以下步骤；
S1、制取所需测量的泥饼16；
S2、将取得的泥饼16置于泥饼盘6上，并通过环形卡块9上的刻度读取泥饼16的厚度值；
S3、将滑块17置于泥饼16的中心，记录泥饼盘6左外侧端面与转动杆4轴心间距离为R1；
S4、打开电源开关14，调节转速调节阀13，并逐渐增大转速，每增大一定转速后停止调节转速调节阀13，使泥饼盘6在该转速下转动三圈，观察滑块17是否相对泥饼16滑动，若滑块17相对泥饼16静止，则继续增大转速，再观察滑块17是否相对泥饼16滑动；
S5、若滑块17相对泥饼16有相对运动，则记录发生相对滑动时转速显示器12中显示的转速值ω；
S6、计算泥饼16的摩阻系数，m为滑块质量，g为重力加速度，已知泥饼盘6半径为r，则泥饼16和转动杆4轴心间距离为：R＝R1+r (1)，
由牛顿定律和圆周运动求取滑块17的向心力：F＝mv2/R＝mv2/(R1+r) (2)，
设定v为泥饼盘6中心处线速度的大小，由线速度与角速度关系得：v＝ωR (3)，
由摩擦力的计算公式：fu＝mgu (4)，
由牛顿第一定律得：fu＝F (5)，
将式(2)和式(4)带入式(5)，可以得到：mv2/(R1+r)＝mgua (6)，
再令：c＝(R1+r)/g (7)，
通过将式(3)和式(7)带式(6)，可以计算出泥饼16摩阻系数：ua＝cω2 (8)，
完成了对泥饼16摩阻系数的测算。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种泥饼润滑系数和厚度一体化测量仪，其特征在于：它包括箱体(1)，所述箱体(1)内设有动力系统(2)，所述动力系统(2)上设有转动杆(4)，所述转动杆(4)的底部连接动力系统(2)的输出端，转动杆(4)的上部位于箱体(1)上方，转动杆(4)的上部设置有连杆(3)，所述连杆(3)的一端设置有泥饼盘(6)，所述泥饼盘(6)内设有泥饼(16)，所述泥饼(16)上设置有滑块(17)。
2.根据权利要求1所述的一种泥饼润滑系数和厚度一体化测量仪，其特征在于：所述转动杆(4)的上部与连杆(3)嵌入式连接。
3.根据权利要求2所述的一种泥饼润滑系数和厚度一体化测量仪，其特征在于：所述连杆(3)上还设有平衡锤(7)，所述平衡锤(7)位于连杆(3)上、远离泥饼盘(6)的一端。
4.根据权利要求3所述的一种泥饼润滑系数和厚度一体化测量仪，其特征在于：它还包括箱体(1)平衡块(8)，所述箱体(1)平衡块(8)位于箱体(1)内。
5.根据权利要求1所述的一种泥饼润滑系数和厚度一体化测量仪，其特征在于：所述动力系统(2)包括步进电机(5)和无极调速仪(10)，所述步进电机(5)的输出端连接转动杆(4)，步进电机(5)的输入端和无极调速仪(10)连接，所述无极调速仪(10)包括用于调节步进电机(5)转速的转速调节阀(13)、用于显示步进电机(5)的实时转速的转速显示器(12)、电源示意灯(15)和电源开关(14)。
6.根据权利要求1所述的一种泥饼润滑系数和厚度一体化测量仪，其特征在于：所述泥饼盘(6)沿外边缘设有环形卡块(9)，所述环形卡块(9)上开设有至少两个缺口(11)，环形卡块(9)上设有刻度，所述泥饼(16)和环形卡块(9)配合。
7.根据权利要求6所述的一种泥饼润滑系数和厚度一体化测量仪，其特征在于：所述泥饼盘(6)和环形卡块(9)一体成型。
8.根据权利要求1～7任一项所述的泥饼润滑系数和厚度的测量方法，其特征在于：它包括以下步骤；
S1、制取所需测量的泥饼(16)；
S2、将取得的泥饼(16)置于泥饼盘(6)上，并通过环形卡块(9)上的刻度读取泥饼(16)的厚度值；
S3、将滑块(17)置于泥饼(16)中心，记录泥饼盘(6)左外侧端面与转动杆(4)轴心间距离为R1；
S4、打开电源开关(14)，通过旋转转速调节阀(13)的开关，逐渐增大转速，每增大一定转速后停止调节转速调节阀(13)，使泥饼盘(6)在该转速下转动三圈，观察滑块(17)是否相对泥饼(16)滑动，若滑块(17)相对泥饼(16)静止，则继续增大转速，再观察滑块(17)是否相对泥饼(16)滑动；
S5、若滑块(17)和泥饼(16)有相对运动，则记录发生相对滑动时转速显示器(12)中显示的转速值ω；
S6、计算泥饼(16)的摩阻系数，m为滑块质量，g为重力加速度，已知泥饼盘(6)半径为r，则泥饼和转动杆(4)轴心间距离为：R＝R1+r (1)，
由牛顿定律和圆周运动求取滑块(17)的向心力：
F＝mv2/R＝mv2/(R1+r)-----------------------------------------------------(2)，
设定v为泥饼盘(6)中心处线速度的大小，由线速度与角速度关系得：v＝ωR(3)，
由摩擦力计算公式可得：fu＝mgu (4)，
由牛顿第一定律得：fu＝F (5)，
将(2)式和(4)式带入式(5)可以得：mv2/(R1+r)＝mgua-------(6)，
再令：c＝(R1+r)/g-------------------------------------(7)，
通过将公式(3)和公式(7)代入公式(6)内，可以计算出泥饼(16)摩阻系数：ua＝cω2(8)，完成了对泥饼(16)摩阻系数的测算。
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