CN112362333B - 一种管轴类构件全尺寸谐振弯曲疲劳试验设备及其使用方法 - Google Patents

一种管轴类构件全尺寸谐振弯曲疲劳试验设备及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种管轴类构件全尺寸谐振弯曲疲劳试验设备及其使用方法，试样的一端连接有配重，试样的另一端连接有堵头；堵头的外端开设有凹槽，凹槽内插入有轮毂电机，轮毂电机的旋转轴插入至堵头中，旋转轴和堵头之间设置有轴承，旋转轴上固定设置有偏心块；所述试样架装在两个减震弹性支撑上；所述堵头和旋转轴中共同插入有换能器。该设备模拟管或轴在旋转过程中的疲劳加载，验证其实物的耐疲劳寿命。该设备不存在传动结构，结构更简单，安装更方便，该设备运用谐振原理，利用轮毂电机作为驱动能量输入装置，将驱动能量输入装置与全尺寸试样固结在一起，直接驱动试样产生谐振旋转弯曲疲劳，在试样中间部分管体内产生循环弯曲疲劳应力。

Description

一种管轴类构件全尺寸谐振弯曲疲劳试验设备及其使用方法
【技术领域】
本发明属于钻井技术领域，具体涉及一种管轴类构件全尺寸谐振弯曲疲劳试验设备及其使用方法。
【背景技术】
由于结构设计的精细化要求，对管子或轴类产品的疲劳设计需要精准了解设计加工的结构件实际疲劳寿命。对已经服役的结构件，需要预测其剩余寿命，也需要弄清楚管子或轴类结构件的疲劳损伤机理。目前通过常规材料小试样可进行各种载荷作用下的疲劳寿命试验，如拉伸-拉伸、拉伸-压缩、弯曲、弯曲-扭转等载荷作用下的疲劳试验，也有一些用于实物全尺寸弯曲疲劳试验的设备方法。但材料小试样由于内部缺陷相对较少，所以其疲劳试验结果偏于保守。现有旋转管子或轴类试样的试样自转弯曲疲劳试验设备，需要对试样施加横向力来使得管子或轴试样发生弯曲。该类设备有时候在施加旋转谐振全尺寸弯曲疲劳试验设备，连接件较多，容易出现试样(管体或轴)还未开裂，连接件却发生断裂的现象。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种管轴类构件全尺寸谐振弯曲疲劳试验设备及其使用方法，以解决大型MTS疲劳试验设备加载速度慢，现有谐振弯曲试验设备电机与试样之间连接件容易疲劳的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种管轴类构件全尺寸谐振弯曲疲劳试验设备，包括试样，试样的一端连接有配重，试样的另一端连接有堵头；堵头的外端开设有凹槽，凹槽内插入有轮毂电机，轮毂电机的旋转轴插入至堵头中，旋转轴和堵头之间设置有轴承，旋转轴上固定设置有偏心块；所述试样架装在两个减震弹性支撑上；所述堵头和旋转轴中共同插入有换能器。
本发明的进一步改进在于：
优选的，所述配重的一部分插入在试样中，配重和试样固定连接。
优选的，所述堵头分为同轴的内部和外部，内部的截面积小于外部，内部插入在试样中，所述凹槽从外部的外端面向堵头的内部开设。
优选的，所述旋转轴包括插入部分和外露部分，插入部分插入在内部分中，外露部分在凹槽中；所述偏心块在外露部分的中间。
优选的，所述轮毂电机和凹槽之间设置有减振轮胎。
优选的，所述轮毂电机的外部设置有限位结构，限位结构通过螺栓和试样的端部固定连接。
优选的，所述减震弹性支撑包括两个轮胎，两个轮胎的转轴通过连接钢板固定连接；所述试样架装在两个轮胎中间的上部。
优选的，两个轮胎轴线之间的距离大于轮胎的直径，两个轮胎边部最近的距离小于试样的直径。
优选的，所述换能器为压力传感器或声发射传感器；所述试样中充入有水。
一种上述的管轴类构件全尺寸谐振弯曲疲劳试验设备的使用方法，其特征在于，接通轮毂电机的电源，由慢到快增加轮毂电机的旋转速度，当试样振动的频率接近计算的试样弯曲模态的最低固有频率时，开始计数疲劳寿命，直至试样内部产生穿透裂纹或达到预定疲劳次数，试验结束。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明为一种管轴类构件全尺寸谐振弯曲疲劳试验设备，该设备模拟管或轴在旋转过程中的疲劳加载，验证其实物的耐疲劳寿命，确认是否满足用户要求。该设备不存在传动结构，结构更简单，安装更方便，该设备运用谐振原理，利用轮毂电机作为驱动能量输入装置，将驱动能量输入装置与全尺寸试样固结在一起，直接驱动试样产生谐振旋转弯曲疲劳，在试样中间部分管体内产生循环弯曲疲劳应力；在试样上安装有换能器，通过压力降低或声发射信号检测判断试样管壁裂纹扩展情况，试验设备制造成本比现有方法大幅降低。与现有技术相比，减少了能量输入装置与全尺寸试样之间的扭矩传输装置，简化了试验安装，减少了试验设备结构件，增加了试验设备运行可靠性。将试样上的换能器与能量输入控制装置直接相连，在试样管壁上疲劳裂纹扩展达到一定程度或贯穿管壁的时候，直接快速切断驱动能量输入，停止试验运行。本发明将驱动能量输入装置与试样固结，减少了结构连接件，降低了设备部件自身发生疲劳断裂的可能性，设备制造成本与试验成本均有所降低。用内部换能器直接控制试验紧急停止，减少了发生试验意外的概率。使用声发射传感器作为换能器时，可根据裂纹扩展程度设置不同条件，丰富了该试验设备的功能，并可根据声发射信号监测裂纹的扩展情况。
本发明还公开了一种管轴类构件全尺寸谐振弯曲疲劳试验设备的使用方法，该方法将试样上的换能器与能量输入控制装置直接相连，在试样管壁上疲劳裂纹扩展达到一定程度或贯穿管壁的时候，直接快速切断驱动能量输入，停止试验运行。使用该发明设备进行钻杆的谐振旋转弯曲疲劳试验时，在钻杆管体产生穿透裂纹前，试验设备完好，直连换能器可设置为裂纹扩展达到一定程度或裂纹贯穿壁厚等不同条件，根据用户要求快速停止试验的运行，避免试验过程中的风险。
【附图说明】
图1为本发明的试验装置组合结构示意图；
图2为本发明的配重结构示意图；
图3为本发明的堵头结构示意图；
图4为本发明的减振弹性软支撑结构示意图。
其中：1-试样；2-堵头；3-轮毂电机；4-偏心块；5-旋转轴；6-减振轮胎；7-配重；8-减振弹性支撑；9-保护杆；10螺栓；11-轮胎；12-连接钢板；13-换能器；14-凹槽；15-轴承；16-中心孔；2-1-内部；2-2-外部；5-1-插入部分；5-2-外露部分。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1，试验系统由试样1、堵头2、轮毂电机3、偏心块4、旋转轴5、减振轮胎6、配重7和减振弹性支撑8等主要部件组成。试样1的一端固定连接有配重7，另一端固定连接有堵头2。参见图2，配重2为台阶结构，一部分插入在试样1中，插入在试样1中的部分和试样1为螺纹连接或者是焊接；参见图3，堵头2的外部为台阶结构，包括内部2-1和外部2-2，内部2-1插入在试样1中，内部2-1的外壁和试样1为螺纹连接或者是焊接，外部2-2的外端面向内开设有凹槽14。
凹槽14和内部2-1同轴线，凹槽14中插入有轮毂电机3，轮毂电机3的动力输出轴为旋转轴5，旋转轴5插入至内部分2-1中。轮毂电机3的外部套装有减振轮胎6，减振轮胎6卡装在轮毂电机3和凹槽14的侧壁之间。旋转轴5上设置有偏心块4，旋转轴5分为两部分，包括插入部分5-1和外露部分5-2，插入部分插入在内部分2-1中，外露部分5-2在凹槽16中，偏心块4设置在外露部分5-2的中间位置。插入部分5-1的外部套装有轴承15，轴承15卡装在插入部分5-1和内部分2-1之间。堵头2的外端面上安装有限位结构9，限位结构9通过螺栓10和堵头2固定连接，优选的，限位结构能够为杆状，也能够为板状，限位结构9用于限定轮毂电机3的轴向位移，防止因为震动时间过长，轮毂电机3从堵头2的外端脱落。
参见图4为减振弹性软支撑8的结构示意图，减振弹性软支撑8包括两个轮胎11，两个轮胎11的轴线通过连接钢板12固定连接，两个轮胎11轴线之间的距离大于两个轮胎的直径，两个轮胎11边部最近的距离小于试样1的直径，该结构使得试样能够架装在两个轮胎11之间的上部，不会脱落。试样1可直接放置其上，也可用软绳与减振弹性软支撑8连接，可为试样提供弯曲变形空间和避免试样支撑位置因应力集中首先发生损伤。
整个试验系统吊装到减振弹性软支撑8上，为了进一步保证试验过程安全，在堵头2和旋转轴5中心钻孔，形成中心孔16，在中心孔16的靠近试样1的端部安装换能器13，即从内部分2-1的内端面插入至中心孔16中，换能器13通过信号线与轮毂电机3的控制开关相连。换能器13可采用压力传感器或声发射传感器，检测压力的降低或裂纹快速扩展的信号。轮毂电机3通电后，带动旋转轴5旋转，通过偏心块4的作用，使试样1产生谐振弯曲变形，试样1自身不旋转。通过调节通电后轮毂电机3的转速和配重7的重量即可控制试样1的弯曲变形程度，实现试样的快速弯曲疲劳试验，达到评估试样1疲劳寿命的目的。为了检测试样是否发生疲劳失效，可在试样1的内部充水。使用压力传感器作为换能器13时，如试验要求有内压，则加压至设计压力；如试验无内压要求，则充水至压力1MPa左右。当试样管壁产生疲劳贯穿裂纹，压力降低，压力传感器检测到压力降低，传给轮毂电机3的控制开关，可快速管壁电机，停止试验。
上述装置的使用方法包括以下步骤：
1)根据试样1规格，选择合适的试样1长度、偏心块1的尺寸、配重7的尺寸、堵头2的尺寸和轮毂电机3的规格。
2)用数值模拟方法计算安装好的试样系统弯曲变形模态的最低固有频率。
3)把堵头2、配重7与试样1两端分别焊接或螺纹连接。
4)加工堵头2中内部分2-1的安装槽，使得安装槽内径与轴承16外径一致，涂抹适量润滑油，把旋转轴5、偏心块4、轴承16和堵头13安装在一起。
5)在轮毂电机3外安装可充放气的减振轮胎6，减振轮胎6的外表面为高摩擦力橡胶。减振轮胎6放气后，把轮毂电机3安装到凹槽14中，轮毂电机3的外端面和凹槽14的外端面平齐。
6)轮毂电机3的减振轮胎6充气至3个大气压以上，根据试样1的规格、减振轮胎6宽窄及壁厚确定，确保减振轮胎6与2之间有足够的摩擦力和轮胎安全。
7)用螺栓10安装限位结构9，进一步保证轮毂电机3的固定。
8)如有需要，从安装配重7的端部在试样1的内部充水，用于检查试样1在试验过程中是否有裂纹出现，及对试样施加内压力。
9)为了更精确控制试样弯曲变形大小，可在试样1中间外表面粘贴轴向应变片。在堵头2的中心孔16位置安装声发射传感器，当检测到裂纹扩展延时较长或能量较大时，切断轮毂电机3的电源。
10)接通轮毂电机3的电源，由慢到快增加轮毂电机3的旋转速度，使试样1振动的频率逐渐接近计算的试样1弯曲模态的最低固有频率。也可根据轴向应变数值调整轮毂电机3的旋转速度，使试样1外表面的轴向应变最大值和计算弯曲应变最大值一致。
11)疲劳寿命计数开始，直至试样1内部产生穿透裂纹(如内部充水，则可看到试样1内部水压力降低；或轮毂电机3旋转速度不变的情况下，应变最大值比初始值改变较多)，或达到预定疲劳次数，试验即可结束。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种管轴类构件全尺寸谐振弯曲疲劳试验设备，其特征在于，包括试样(1)，试样(1)的一端连接有配重(7)，试样(1)的另一端连接有堵头(2)；堵头(2)的外端开设有凹槽(16)，凹槽(16)内插入有轮毂电机(3)，轮毂电机(3)的旋转轴(5)插入至堵头(2)中，旋转轴(5)和堵头(2)之间设置有轴承(15)，旋转轴(5)上固定设置有偏心块(4)；所述试样(1)架装在两个减震弹性支撑(8)上；所述堵头(2)和旋转轴(5)中共同插入有换能器(13)；
所述轮毂电机(3)和凹槽(16)之间设置有减振轮胎(6)。
2.根据权利要求1所述的一种管轴类构件全尺寸谐振弯曲疲劳试验设备，其特征在于，所述配重(7)的一部分插入在试样(1)中，配重(7)和试样(1)固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种管轴类构件全尺寸谐振弯曲疲劳试验设备，其特征在于，所述堵头(2)分为同轴的内部(2-1)和外部(2-2)，内部(2-1)的截面积小于外部(2-2)，内部(2-1)插入在试样(1)中，所述凹槽(16)从外部(2-2)的外端面向堵头(2)的内部开设。
4.根据权利要求3所述的一种管轴类构件全尺寸谐振弯曲疲劳试验设备，其特征在于，所述旋转轴(5)包括插入部分(5-1)和外露部分(5-2)，插入部分(5-1)插入在内部(2-1)中，外露部分(5-2)在凹槽(16)中；所述偏心块(4)在外露部分(5-2)的中间。
5.根据权利要求1所述的一种管轴类构件全尺寸谐振弯曲疲劳试验设备，其特征在于，所述轮毂电机(3)的外部设置有限位结构(9)，限位结构(9)通过螺栓(10)和试样(1)的端部固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种管轴类构件全尺寸谐振弯曲疲劳试验设备，其特征在于，所述减震弹性支撑(8)包括两个轮胎(11)，两个轮胎(11)的转轴通过连接钢板(12)固定连接；所述试样(1)架装在两个轮胎(11)中间的上部。
7.根据权利要求1所述的一种管轴类构件全尺寸谐振弯曲疲劳试验设备，其特征在于，两个轮胎(11)轴线之间的距离大于轮胎(11)的直径，两个轮胎(11)边部最近的距离小于试样(1)的直径。
8.根据权利要求1所述的一种管轴类构件全尺寸谐振弯曲疲劳试验设备，其特征在于，所述换能器(13)为压力传感器或声发射传感器；所述试样(1)中充入有水。
9.一种权利要求1-8任意一项所述的管轴类构件全尺寸谐振弯曲疲劳试验设备的使用方法，其特征在于，接通轮毂电机(3)的电源，由慢到快增加轮毂电机(3)的旋转速度，当试样(1)振动的频率接近计算的试样(1)弯曲模态的最低固有频率时，开始计数疲劳寿命，直至试样(1)内部产生穿透裂纹或达到预定疲劳次数，试验结束。
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