CN112304603A - 一种挠性轴试验平台及检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及机械传动部件的检测设备，尤其涉及一种挠性轴试验平台及检测方法。一种挠性轴试验平台，该平台包括机架、第一驱动机构、第二驱动机构、偏摆机构、加载机构、电气控制回收系统和数据采集系统；该试验平台真实模拟挠性轴受力运动工况，采集试验数据，进一步可以分析并优化挠性轴设计，提升电动潜油螺杆泵系统的可靠性。

Description

一种挠性轴试验平台及检测方法

技术领域

本申请涉及机械传动部件的检测设备，尤其涉及一种挠性轴试验平台及检测方法。

背景技术

随着我国油气资源的深入开发，传统的地面驱动采油系统已经不能适应高含沙量、高含气量、低渗透、粘稠等油层的开采。系统将动力源—潜油电机置于井下，又结合了螺杆泵的优点，能满足上述井况开采条件，为老油田、低效益油田二次开发提供技术支持。

目前行业内系统由控制柜、线缆、螺杆泵、减速器、保护器、异步潜油电机六大部分组成，其中减速器寿命未得到有效提升致使当前方案未广泛应用。针对现行方案的不足之处，我公司采用低速永磁电机直驱螺杆泵方案，增加了井下驱动器，并以挠性轴取代减速器。此方案实现了井下信息检测、动液面控制功能还有效提高了输电效率和整套系统的可靠性。其中挠性轴是联接保护器和螺杆泵的关键部分，特点是在两者之间传递转矩和轴向推力的同时模拟螺杆泵转子旋转时的偏心摆动。为保证产品性能，需要设计一套试验系统进行试验验证。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本申请的一个目的是提供一种挠性轴试验平台，该试验平台真实模拟挠性轴受力运动工况，采集试验数据，进一步可以分析并优化挠性轴设计，提升系统的可靠性。

为了实现上述的目的，本申请采用了以下的技术方案：

一种挠性轴试验平台，该平台包括机架、驱动机构、转矩加载机构、偏摆机构、压力加载机构、电气控制回收系统和数据采集系统；所述的机架包括第一机架和第二机架，第一机架和第二机架对向设置，驱动机构设置在第一机架上，转矩加载机构与压力加载机构设置在第二机架上；

所述的驱动机构包括第一电机、第一减速器和联轴器，第一电机通过第一减速器与联轴器传动联接，联轴器连接设置有挠性轴保护器，挠性轴保护器架设在第一机架上，挠性轴保护器的端部设置有用于固定挠性轴一端的第一连接头；

所述的压力加载机构包括推力油缸和推力轴，转矩加载机构包括第二电机和第二减速器，所述的推力轴穿设在第二减速器上，推力轴在第二减速器能实现轴向传递压力并与第二减速器传动联接，所述的第二电机与第二减速器传动联接将扭矩传递给推力轴；所述的推力油缸设置在推力轴的一端，推力油缸能将轴向压力传递给推力轴；

所述的偏摆机构设置在机座上，机座设置在第二机架上，偏摆机构的一端设置有用于固定挠性轴另一端的第二连接头；偏摆机构的另一端与所述的推力轴传动联接，实现偏摆机构的轴向运动和偏心转动运动；

所述的数据采集系统包括扭矩转速仪、压力传感器、红外测温仪和磁感计数器；所述的扭矩转速仪设置在驱动机构上采集当前的转矩转速，压力传感器设置在推力油缸与推力轴之间采集当前推力轴的轴向推力，所述的红外测温仪监测挠性轴在试验过程中因变形导致的温升，所述的磁感计数器记录当前试验的转动圈数；

所述的电气控制回收系统控制第一电机、第二电机和推力油缸工作，数据采集系统将采集的数据传输至所述的电气控制回收系统。

作为一种优选方式，所述的偏摆机构包括凸轮与十字滑块，十字滑块的一端连接所述的推力轴；凸轮设置在十字滑块的另一端，所述的第二连接头设置在凸轮上，并在机座的上下两侧分别设置有能与凸轮的凸面相接触的滚动轴承。

作为进一步改进，十字滑块包括十字圆盘滑块、第一十字滑块和第二十字滑块，第一十字滑块和第二十字滑块分别位于十字圆盘滑块的两侧，第二十字滑块通过右半联轴器与推力轴相传动联接，第一十字滑块与凸轮相传动联接。

作为进一步改进，凸轮采用间隔120°的三极凸起结构。

作为另外一种优选方式，偏摆机构包括内齿轮和外齿轮，内齿轮的一侧设置有内齿圈，外齿轮偏心啮合设置在内齿轮内，在外齿轮一侧的中心设置有第一传动轴，第一传动轴与所述的第二连接头相传动联接，在外齿轮另一侧的偏心位置设置有第二传动轴，第二传动轴与外齿轮之间设置有推力轴承相连接，第二传动轴的端部与所述的第二连接头相传动联接。

作为进一步改进，本申请公开了一种压力传感器的设置方式，所述的推力轴的端部设置有压力承载构件，压力承载构件包括承载帽、第一偏摆连接件和第二偏摆连接件，所述的第一偏摆连接件一端与推力轴的端部相连接，第二偏摆连接件设置在第一偏摆连接件的另一端，所述的压力传感器的一端与第二偏摆连接件相抵，所述的承载帽设置在第二偏摆连接件和压力传感器的外侧，压力传感器另一端与承载帽内侧端部相抵，并在承载帽外壁设置有条形槽，所述的压力传感器上设置有导线柱，导线柱设置在条形槽内。

作为进一步改进，机座为框架体，机座的左端前后两侧分别设置两根第一滑轨，所述的两根第一滑轨上设置有调节限位板，调节限位板的中心位置设置有轴承，所述的第二连接头设置在轴承内。

作为进一步改进，第一机架和第二机架分别设置在两根H钢上，第一机架固定设置在H钢的一侧，并在H钢的一侧分别设置有直线滑轨，所述的第二机架的底部设置有滑板，滑板设置在直线滑轨上，并在滑板的底部设置有丝杆螺母，两根H钢之间设置有丝杆，丝杆套设在丝杆螺母内，并在丝杆的外侧端部设置有手轮。

作为进一步改进，本申请另外还公开了一种压力传感器的设置方式，两根H钢之间设置有丝杆固定座，丝杆架设在丝杆固定座上，并在丝杆的端部设置有圆形凸台，所述的压力传感器固定设置在圆形凸台与丝杆固定座之间。

作为进一步改进，扭矩转速仪设置在第一减速器的减速机轴输出端，所述的联轴器采用星形弹性联轴器，星形弹性联轴器连接扭矩转速仪与传动轴，传动轴连接挠性轴保护器。

作为进一步改进，传动轴与挠性轴保护器之间设置有止推装置，止推装置包括止推座和连接法兰盘，止推座设置在第一机架上，连接法兰盘设置在止推座上，连接法兰盘与挠性轴保护器上的连接法兰相固定连接，传动轴与挠性轴保护器的转动部分相传动联接。

本申请另外还公开了一种挠性轴静应力分析方法，该方法对挠性轴进行以下三步分析：

1偏心模拟，对挠性轴左端内螺纹施加固定，右端轴承配合处设置偏心平移；

2轴向力加载，在偏心基础上，对挠性轴两端适当部位施加轴向力；

3转矩加载，并在挠性轴的右端花键处施加转矩；

对以上三部分结果分别进行记录，分析受力变形情况。

本申请由于采用了上述的技术方案，具有以下的技术特点：

1、试验范围；在本申请实验平台上，可进行挠性轴空载试验、加载试验及寿命试验等。在静止状态零转速下，进行挠性轴静强度试验；空载运行时进行挠性轴最大位移能力验证；在挠性轴动态偏摆运动下，通过对驱动电机转速及液压设备的压力调节，可实现功率范围内所有工况模拟。

2、通用性；根据不同型号、不同负荷特性的挠性轴试验要求，可调整加载端机架的滑动位置，调整好位置后固定即可。

3、模拟还原度；本申请是系统专用挠性轴的测试装置，能实现转矩、转速、轴向力同时加载，而且试验平台偏摆机构能使挠性轴实现不同挠度下不同圆周方向的变形晃动。最大程度还原挠性轴实际运行工况，相较其他类型试验平台有较大技术优势。

4、经济性；根据功率流的情况，试验平台可分为功率开放型和功率封闭型。电封闭功率流式试验平台不需要将机械能转化为热能的耗能装置，这样可以大大节省动力消耗，降低试验成本。

本申请结合采油系统专用挠性轴的使用特点，本试验台采用成熟可靠的电封闭功率流式，并专门设计了动态偏摆装置，可以模拟转速、转矩、偏心位移、轴向推力等试验参数。满足行业内对专用挠性轴的测试需求，为全面验证系统专用挠性轴的性能及设计改型提供重要的试验支撑。

附图说明

图1为本申请的结构示意图。

图2为本申请剖面结构示意图。

图3为偏摆机构的一种安装结构示意图。

图4为凸轮偏摆机构和推力轴的结构示意图。

图5为图4的剖面结构示意图。

图6为压力传感器的一种设置结构。

图7为齿轮偏摆机构的结构示意图。

图8为偏心模拟的静应力分析结果图。

图9为轴向力加载的静应力分析结果图。

图10为转矩加载的静应力分析结果图。

图11为内螺纹连接处的静应力分析结果图。

图12为花键连接处的静应力分析结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式进行详细的说明。

实施例1

如图1、图2所示的一种挠性轴试验平台，该平台包括机架、驱动机构、转矩加载机构、偏摆机构、压力加载机构、电气控制回收系统和数据采集系统；所述的机架包括第一机架1和第二机架2，第一机架1和第二机架2对向设置，驱动机构设置在第一机架1上，转矩加载机构与压力加载机构设置在第二机架2上；第一机架1和第二机架2分别设置在两根H钢13上，第一机架1固定设置在H钢13的一侧，并在H钢13的一侧分别设置有直线滑轨14，所述的第二机架2的底部设置有滑板15，滑板15设置在直线滑轨14上，并在滑板15的底部设置有丝杆螺母16，两根H钢13之间设置有丝杆17，丝杆17套设在丝杆螺母16内，并在丝杆17的外侧端部设置有手轮18。

如图1、图2所示，所述的驱动机构包括第一电机31、第一减速器32和联轴器33，第一电机31通过第一减速器32与联轴器33传动联接，联轴器33连接设置有挠性轴保护器4，挠性轴保护器4架设在在第一机架1上，挠性轴保护器4的端部设置有用于固定挠性轴5一端的第一连接头41；所述的压力加载机构包括推力油缸61和推力轴62，转矩加载机构包括第二电机71和第二减速器72，所述的推力轴62穿设在第二减速器72上，推力轴62在第二减速器72能实现轴向传递压力并与第二减速器72传动联接，所述的第二电机71与第二减速器72传动联接将扭矩传递给推力轴62；所述的推力油缸61设置在推力轴62的一端，推力油缸61能将轴向压力传递给推力轴62。

如图1、图2所示，所述的偏摆机构设置在机座9上，机座9设置在第二机架2上，偏摆机构的一端设置有用于固定挠性轴5另一端的第二连接头81；偏摆机构的另一端与所述的推力轴62传动联接，实现偏摆机构的轴向运动和偏心转动运动；机座9为框架体，机座9的左端前后两侧分别设置两根第一滑轨93，所述的两根第一滑轨93上设置有调节限位板94，调节限位板94的中心位置设置有轴承95，所述的第二连接头81设置在轴承95内。

如图1、图2所示，所述的数据采集系统包括扭矩转速仪10、压力传感器12、红外测温仪和磁感计数器；扭矩转速仪10设置在第一减速器32的减速机轴输出端，所述的联轴器33采用星形弹性联轴器33，星形弹性联轴器33连接扭矩转速仪10与传动轴，传动轴连接挠性轴保护器4。传动轴与挠性轴保护器4之间设置有止推装置，止推装置包括止推座42和连接法兰盘43，止推座42设置在第一机架1上，连接法兰盘43设置在止推座42上，连接法兰盘43与挠性轴保护器4上的连接法兰相固定连接，传动轴34与挠性轴保护器4的转动部分相传动联接。压力传感器12设置在推力油缸61与推力轴62之间采集当前推力轴62的轴向推力，所述的红外测温仪监测挠性轴5在试验过程中因变形导致的温升，所述的磁感计数器记录当前试验的转动圈数；所述的电气控制回收系统连接控制第一电机31、第二电机71和推力油缸61工作，数据采集系统连接电气控制回收系统并将采集的数据传输至所述的电气控制回收系统。

如图3、图4、图5所示，偏摆机构包括凸轮82与十字滑块，十字滑块的一端连接所述的推力轴62；凸轮82采用间隔120°的三极凸起结构，设置在十字滑块的另一端，所述的第二连接头81设置在凸轮82上，并在机座9的上下两侧分别设置有能与凸轮82的凸面相接触的滚动轴承92。如图4所示，十字滑块包括十字圆盘滑块83、第一十字滑块84和第二十字滑块85，第一十字滑块84和第二十字滑块85分别位于十字圆盘滑块83两侧的滑槽内，第二十字滑块85通过右半联轴器86与推力轴62相传动联接，第一十字滑块84与凸轮82相传动联接。

当然，如图7所示，本实施例也可以采用另外一种偏摆机构，该偏摆机构包括内齿轮801和外齿轮802，内齿轮801的一侧设置有内齿圈，外齿轮802偏心啮合设置在内齿轮801内，在外齿轮802一侧的中心设置有第一传动轴804，第一传动轴804与所述的第二连接头81相传动联接，在外齿轮802另一侧的偏心位置设置有第二传动轴803，第二传动轴803与外齿轮802之间设置有推力轴承805相连接，第二传动轴803的端部与所述的第二连接头81相传动联接。

如图4、图5所示，本实施例提供了一种压力传感器12的设置方式，所述的推力轴62的端部设置有压力承载构件，压力承载构件包括承载帽63、第一偏摆连接件64和第二偏摆连接件65，所述的第一偏摆连接件64一端与推力轴62的端部相连接，第二偏摆连接件65设置在第一偏摆连接件64的另一端，所述的压力传感器12的一端与第二偏摆连接件65相抵，所述的承载帽63设置在第二偏摆连接件65和压力传感器12的外侧，压力传感器12另一端与承载帽63内侧端部相抵，并在承载帽63外壁设置有条形槽66，所述的压力传感器12上设置有导线柱，导线柱设置在条形槽66内。

当然如图6所示，本实施例还提供了另外一种压力传感器12的设置方式，两根H钢13之间设置有丝杆固定座19，丝杆17架设在丝杆固定座19上，并在丝杆17的端部设置有圆形凸台20，所述的压力传感器12固定设置在圆形凸台20与丝杆固定座19之间。

实施例2

下面采用实施例1所示的设备，针对挠性轴真实受力情况，利用solidworks软件的simulation插件，实现挠性轴的偏心模拟和轴向力、转矩加载。通过软件静应力分析其变形和受力情况，验证强度，优化设计。

1．静应力分析方案

整个静应力分析过程分三步进行：

偏心模拟；

轴向力加载；

转矩加载。

对以上三部分结果分别进行记录，分析受力变形情况。通过整个分析过程，整理出挠性轴的应力集中部位，提出结构设计优化方案。

2．应力分析

2.1偏心模拟

对挠性轴左端内螺纹施加固定，右端轴承配合处设置20mm偏心平移，以下是静应力分析结果的正视及俯视图（如图8所示）。

分析结果：

（1）挠性轴的两端固定处平行，整体变形呈S形。

（2）应力主要集中在固定配合点内侧，自固定点向变形中心逐渐减弱。

2.2轴向力加载

在偏心基础上，对挠性轴两端适当部位施加10t的轴向力，应力分析结果如图9。

分析结果：

应力集中部位仍然是安装配合点的内侧，整体分布趋势与单独偏心模拟结果类似。

轴向力施加会增加挠性轴变形后向心侧的应力，减少背心侧应力。

2.3转矩加载

在挠性轴的右端花键处施加1500N.m的转矩，综合以上两步骤的加载，结果如图10。

以上两图是整体加载模拟后的正视及俯视图，分析结果：

挠性轴S形变形区间应力集中趋势基本不变，与第二步一样。

相对于S区间，右端花键处承受应力较大。需对两端尤其花键部位着重分。

如图11所示，内螺纹连接处的结构设计合理，应力分布均匀，符合强度要求。

如图12所示，花键连接处应力最为集中，极有可能达不到强度要求。需对此处的结构进行优化，分散应力。

3.总结优化

通过对挠性轴的静应力分析，我们已得到有效的应力分布及变形规律。针对分析结果，优化挠性轴结构。

可根据S变形区应力分布规律，合理增减挠性轴直径，使应力分布更为均匀。

花键连接处应力最为集中，其结构强度亟需提升。

以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施列，而是要符合与本文所公开的原理和新颖点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种挠性轴试验平台，其特征在于，该平台包括机架、驱动机构、转矩加载机构、偏摆机构、压力加载机构、电气控制回收系统和数据采集系统；所述的机架包括第一机架（1）和第二机架（2），第一机架（1）和第二机架（2）对向设置，驱动机构设置在第一机架（1）上，转矩加载机构与压力加载机构设置在第二机架（2）上；

所述的驱动机构包括第一电机（31）、第一减速器（32）和联轴器（33），第一电机（31）通过第一减速器（32）与联轴器（33）传动联接，联轴器（33）连接设置有挠性轴保护器（4），挠性轴保护器（4）架设在在第一机架（1）上，挠性轴保护器（4）的端部设置有用于固定挠性轴（5）一端的第一连接头（41）；

所述的压力加载机构包括推力油缸（61）和推力轴（62），转矩加载机构包括第二电机（71）和第二减速器（72），所述的推力轴（62）穿设在第二减速器（72）上，推力轴（62）在第二减速器（72）能实现轴向传递压力并与第二减速器（72）传动联接，所述的第二电机（71）与第二减速器（72）传动联接将扭矩传递给推力轴（62）；所述的推力油缸（61）设置在推力轴（62）的一端，推力油缸（61）能将轴向压力传递给推力轴（62）；

所述的偏摆机构设置在机座（9）上，机座（9）设置在第二机架（2）上，偏摆机构的一端设置有用于固定挠性轴（5）另一端的第二连接头（81）；偏摆机构的另一端与所述的推力轴（62）传动联接，实现偏摆机构的轴向运动和偏心转动运动；

所述的数据采集系统包括扭矩转速仪（10）、压力传感器（12）、红外测温仪和磁感计数器；所述的扭矩转速仪（10）设置在驱动机构上采集当前的转矩转速，压力传感器（12）采集当前推力轴（62）的轴向推力，所述的红外测温仪监测挠性轴（5）在试验过程中因变形导致的温升，所述的磁感计数器记录当前试验的转动圈数；

所述的电气控制回收系统连接控制第一电机（31）、第二电机（71）和推力油缸（61）工作，数据采集系统连接电气控制回收系统并将采集的数据传输至所述的电气控制回收系统。

2.根据权利要求1所述的一种挠性轴试验平台，其特征在于，偏摆机构包括凸轮（82）与十字滑块，十字滑块的一端连接所述的推力轴（62）；凸轮（82）设置在十字滑块的另一端，所述的第二连接头（81）设置在凸轮（82）上，并在机座（9）的上下两侧分别设置有能与凸轮（82）的凸面相接触的滚动轴承（92）。

3.根据权利要求2所述的一种挠性轴试验平台，其特征在于，十字滑块包括十字圆盘滑块（83）、第一十字滑块（84）和第二十字滑块（85），第一十字滑块（84）和第二十字滑块（85）分别位于十字圆盘滑块（83）的两侧，第二十字滑块（85）通过右半联轴器（86）与推力轴（62）相传动联接，第一十字滑块（84）与凸轮（82）相传动联接；优选，凸轮（82）采用间隔120°的三极凸起结构。

4.根据权利要求1所述的一种挠性轴试验平台，其特征在于，偏摆机构包括内齿轮（801）和外齿轮（802），内齿轮（801）的一侧设置有内齿圈，外齿轮（802）偏心啮合设置在内齿轮（801）内，在外齿轮（802）一侧的中心设置有第一传动轴（804），第一传动轴（804）与所述的第二连接头（81）相传动联接，在外齿轮（802）另一侧的偏心位置设置有第二传动轴（803），第二传动轴（803）与外齿轮（802）之间设置有推力轴承（805）相连接，第二传动轴（803）的端部与所述的第二连接头（81）相传动联接。

5.根据权利要求1所述的一种挠性轴试验平台，其特征在于，所述的推力轴（62）的端部设置有压力承载构件，压力承载构件包括承载帽（63）、第一偏摆连接件（64）和第二偏摆连接件（65），所述的第一偏摆连接件（64）一端与推力轴（62）的端部相连接，第二偏摆连接件（65）设置在第一偏摆连接件（64）的另一端，所述的压力传感器（12）的一端与第二偏摆连接件（65）相抵，所述的承载帽（63）设置在第二偏摆连接件（65）和压力传感器（12）的外侧，压力传感器（12）另一端与承载帽（63）内侧端部相抵，并在承载帽（63）外壁设置有条形槽（66），所述的压力传感器（12）上设置有导线柱，导线柱设置在条形槽（66）内。

6.根据权利要求1所述的一种挠性轴试验平台，其特征在于，机座（9）为框架体，机座（9）的左端前后两侧分别设置两根第一滑轨（93），所述的两根第一滑轨（93）上设置有调节限位板（94），调节限位板（94）的中心位置设置有轴承（95），所述的第二连接头（81）设置在轴承（95）内。

7.根据权利要求1所述的一种挠性轴试验平台，其特征在于，第一机架（1）和第二机架（2）分别设置在两根H钢（13）上，第一机架（1）固定设置在H钢（13）的一侧，并在H钢（13）的一侧分别设置有直线滑轨（14），所述的第二机架（2）的底部设置有滑板（15），滑板（15）设置在直线滑轨（14）上，并在滑板（15）的底部设置有丝杆螺母（16），两根H钢（13）之间设置有丝杆（17），丝杆（17）套设在丝杆螺母（16）内，并在丝杆（17）的外侧端部设置有手轮（18）。

8.根据权利要求8所述的一种挠性轴试验平台，其特征在于，两根H钢（13）之间设置有丝杆固定座（19），丝杆（17）架设在丝杆固定座（19）上，并在丝杆（17）的端部设置有圆形凸台（20），所述的压力传感器（12）固定设置在圆形凸台（20）与丝杆固定座（19）之间。

9.根据权利要求1所述的一种挠性轴试验平台，其特征在于，扭矩转速仪（10）设置在第一减速器（32）的减速机轴输出端，所述的联轴器（33）采用星形弹性联轴器（33），星形弹性联轴器（33）连接扭矩转速仪（10）与传动轴（34），传动轴（34）连接挠性轴保护器（4）；优选，所述的传动轴与挠性轴保护器（4）之间设置有止推装置，止推装置包括止推座（42）和连接法兰盘（43），止推座（42）设置在第一机架（1）上，连接法兰盘（43）设置在止推座（42）上，连接法兰盘（43）与挠性轴保护器（4）上的连接法兰相固定连接，传动轴（34）与挠性轴保护器（4）的转动部分相传动联接。

10.一种挠性轴静应力分析方法，其特征在于，该方法对挠性轴（5）进行以下三步分析：

1）偏心模拟，对挠性轴（5）左端内螺纹施加固定，右端轴承配合处设置偏心平移；

2）轴向力加载，在偏心基础上，对挠性轴（5）两端适当部位施加轴向力；

3）转矩加载，并在挠性轴（5）的右端花键处施加转矩；

对以上三部分结果分别进行记录，分析受力变形情况。

Images