CN112525408B - 一种用于多力耦合作用下的抽油杆分力检测方法及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多力耦合作用下的抽油杆分力检测装置及检测方法，本发明提出抽油杆受力模型及耦合应变规律；根据分载荷的求解要求，设计了圆台变形体，检测4种不同位置处的耦合应变；基于MATLAB平台的迭代函数fsolve，由耦合应变求解分应变和分载荷。同现有井下抽油杆载荷检测装置相比，提出了由拉压、弯、扭耦合应变求解分应变的方法，提高了井下抽油杆载荷检测的精度，较好支撑了井下抽油杆的力学研究。

Description

一种用于多力耦合作用下的抽油杆分力检测方法及检测装置

技术领域

本发明属于机电一体化技术领域，涉及一种多力耦合作用下的抽油杆分力检测方法及抽油杆分力检测装置。

背景技术

抽油杆是连接抽油泵和抽油机的主要部件，可在二者之间传递运动和作用力，其强度及寿命是制约采油作业系统发展的瓶颈。目前，对井下抽油杆的力学规律研究主要集中在理论推理及井下状态预测，缺少井下抽油杆力学状态检测及其装置，不能有力支撑井下抽油杆力学研究。为了真实反映并研究井下抽油杆受力规律，有必要构建井下抽油杆力学检测装置。

在有杆抽油作业过程中，井下抽油杆将承受复杂的静、动载荷，其中静载荷有液体浮力、抽油杆自重、阻力矩，动载荷有惯性力、杆管碰撞接触力、相应的摩阻力、阻力矩、螺杆泵举升液体时动轴向力、动扭矩。归纳分析可知，抽油杆主要受轴向力、径向力、扭转力矩的耦合作用。基于应变效应的抽油杆拉压载荷检测方法，可粗略反应抽油杆的拉压载荷，无法排除径向力、扭矩等干扰载荷的影响。因此，需要对抽油杆的多载荷耦合作用及耦合应变进行研究，求解分应变和分载荷。

发明内容

本发明的一个目的在于构建抽油杆分力检测装置及检测抽油杆分力的方法，其可以在多载荷耦合作用下检测抽油杆各分载荷。

如附图1所示，本发明将抽油杆简化为理想圆柱体，受力情况简化为：拉力F_L沿圆柱轴线方向且与x轴平行，径向力F_R作用于圆柱变形体上端面且平行于y轴，扭矩M绕x轴且作用于变形体上端面；研究截面位于距上端面h处，研究点O在径向力作用侧。

在载荷与变形成线性关系且为小变形的约束条件下，多载荷在研究点O处产生的耦合应变是拉(压)载荷、径向力载荷、扭矩载荷分别作用产生的分应变叠加，如图2所示。耦合应变与分应变的关系为

(其中，i＝1，2，3，4，表示圆台变形体的不同轴向位置)。

一种用于多力耦合作用下的抽油杆分力检测装置，包括主体、变形体、变形体上固定头、变形体下连接头；在变形体外表面的轴向同侧均匀设置4个用于检测变形体应变的应变片，应变片的应变敏感方向沿变形体轴向；变形体上每个应变片均采用1/4桥连接方式。

变形体设计为直径渐变的圆台变形体，获取多个不同状态的耦合应变ε_i(其中，i＝1，2，3，4)，建立方程组f_i(ε_i,ε_Li,ε_Ri,ε_Mi)＝0，由耦合应变求解分应变。圆台变形体的下端圆截面直径为20mm，上端圆截面直径为25mm，高度为100mm。图3显示了圆台变形体模型及应变检测位置。

所述变形体两端分别与变形体上固定头的一端和变形体下连接头的一端通过右旋螺纹连接；

所述变形体下连接头与所述主体的一端固定连接；

所述变形体上固定头的另一端和主体的另一端分别与两侧的抽油杆固定连接；

所述主体设置有放置数据处理器的舱体和放置电源的电池仓。

所述变形体上的应变片与数据处理器以及应变片和数据处理器与电源之间电性连接。

在上述方案的基础上，为了较好隔离井液与变形体，所述变形体上固定头和变形体下连接头之间设置用于密封变形体的密封筒，且密封筒与变形体上固定头、变形体下连接头之间均采用O型密封圈、端面密封圈的双密封模式；

在上述方案的基础上，所述变形体下连接头以及与其相连的主体的一端内开设有过线孔。

在上述方案的基础上，所述变形体2的材料的抗拉强度σ_b值不小于被检测的抽油杆材料的σ_b值。

在上述方案的基础上，所述舱体和电池仓的外侧设置用于密封的密封盖。

采用MATLAB平台的迭代函数fsolve求解方程组f_i(ε_i,ε_Li,ε_Ri,ε_Mi)＝0的正实数解(ε_L1,ε_R1,ε_M1)，迭代误差为0.1，迭代初始点为(1,1)。根据正实数解获取相应的拉压载荷、径向力载荷、扭矩载荷。

本发明有效克服耦合应变粗略表达拉压载荷的不准确性，设计了圆台变形体，检测4种不同位置处的耦合应变；基于MATLAB平台的迭代函数fsolve，由耦合应变求解分应变和分载荷。

同现有井下抽油杆载荷检测装置相比，提出了由拉压、弯、扭耦合应变求解分应变的方法，提高了井下抽油杆载荷检测的精度，较好支撑了井下抽油杆的力学研究。

本发明提出的耦合应变模型为

(其中，i＝1，2，3，4)，搭建了多力耦合作用下的抽油杆分力检测装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明抽油杆受力模型图；

图2为本发明抽油杆受力模型研究点处的微应变分布图；

图3为本发明抽油杆受力圆台模型及应变检测位置；

图4为本发明用于多力耦合作用下的抽油杆分力检测装置剖视图；

图5为本发明用于多力耦合作用下的抽油杆分力检测装置爆炸图；

图6为本发明用于多力耦合作用下的抽油杆分力检测装置使用状态图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

参考图4-6，本发明的一种用于多力耦合作用下的抽油杆分力检测装置，包括主体1、变形体2、变形体上固定头3、变形体下连接头4；变形体2在变形体2的轴向同侧均匀设置4个用于检测变形体应变的应变片6，应变片的应变敏感方向沿变形体轴向；变形体上每个应变片均采用1/4桥连接方式。

本发明采用的应变片型号120-5AA免焊接应变片，参数：电阻值120欧姆，灵敏度2.0mV/V，基底尺寸9.5mm*4.0mm，敏感栅尺寸5.0mm*3.0mm。

所述变形体2两端分别与变形体上固定头3的一端和变形体下连接头4的一端通过右旋螺纹连接；

所述变形体下连接头4与所述主体1的一端固定连接；

所述变形体上固定头3的另一端和主体1的另一端分别与两侧的抽油杆固定连接；

所述主体1设置有放置数据处理器的舱体1-1和放置电源的电池仓1-2。

所述变形体上的应变片与数据处理器以及应变片和数据处理器与电源之间电性连接。

在上述方案的基础上，为了较好隔离井液与变形体，所述变形体上固定头3和变形体下连接头4之间设置用于密封变形体2的密封筒5，且密封筒与变形体上固定头、变形体下连接头之间均采用O型密封圈、端面密封圈的双密封模式；

在上述方案的基础上，如图3所示，所述变形体为圆台变形体，下端圆截面直径为20mm，上端圆截面直径为25mm，高度为100mm。其中，h₁＝20mm，h₂＝40mm，h₃＝60mm，h₄＝80mm

在上述方案的基础上，所述变形体下连接头4以及与其相连的主体1的一端内开设有过线孔。

在上述方案的基础上，所述变形体2的材料的抗拉强度σ_b值不小于被检测的抽油杆材料的σ_b值。

在上述方案的基础上，所述舱体1-1和电池仓1-2的外侧设置用于密封的密封盖1-3。

检测装置工作原理是：

将检测装置串联入抽油杆系统中，在检测装置上或下端的抽油杆处，仅施加拉压载荷，位于变形体2上的4个应变片会采集变形体2的拉应变ε_Li，其中i＝1,2,3,4，分别对应4个应变片，拟合直线ε_Li＝a_i-1ε_L1+k_i-1(i＝2,3,4)，测定系数a_i和k_i；与上述步骤类似，拟合直线ε_Ri＝b_i-1ε_R1+p_i-1和ε_Mi＝c_i-1ε_M1+q_i-1(i＝2,3,4)，测定系数b_i、c_i、p_i、q_i；

施加拉压、径向力、扭矩等多载荷，位于变形体2上的4个应变片会采集变形体2的耦合应变ε_i，其中i＝1,2,3,4，分别对应4个应变片，采集到的数据传输到数据处理器进行处理，最终获得分载荷：拉压载荷、径向力载荷、扭矩载荷。

具体的处理方法是：

(1)检测装置的固有参数设定

先对检测装置施加单一的拉压载荷、径向力载荷、扭矩载荷，每种载荷均在一个范围(该范围要包含后期检测装置承受多载荷时的分载荷值)内取多个固定值，由4个应变片分别获取每个固定值的单一载荷的应变，具体的是拉压载荷对应的拉应变ε_L1、ε_L2、ε_L3、ε_L4、径向力载荷对应的弯应变ε_R1、ε_R2、ε_R3、ε_R4和扭矩载荷的对应的切应变ε_M1、ε_M2、ε_M3、ε_M4。

基于函数绘图平台origin7.5，分别绘制点ε_L1与ε_L2、ε_L3、ε_L4之间的应变关系图并拟合直线ε_Li＝a_i-1ε_L1+k_i-1(i＝2,3,4)，测定系数a_i和k_i；

绘制点ε_R1与ε_R2、ε_R3、ε_R4之间以及ε_M1与ε_M2、ε_M3、ε_M4之间的应变关系图并分别拟合直线ε_Ri＝b_i-1ε_R1+p_i-1和ε_Mi＝c_i-1ε_M1+q_i-1(i＝2,3,4)，测定系数b_i、c_i、p_i、q_i；

(2)检测装置的多载荷耦合作用

检测装置获得多载荷，由应变片获得耦合应变ε_i(其中，i＝1，2，3，4)

(3)由耦合应变求解分载荷

根据耦合应变模型

(其中，i＝1，2，3，4)及同类应变在不同位置处的线性关系ε_Li＝a_i-1ε_L1+k_i-1、ε_Ri＝b_i-1ε_R1+p_i-1、ε_Mi＝c_i-1ε_M1+q_i-1(i＝2,3,4)，建立状态方程组：

ε_L2＝a₁ε_L1+k₁ (5)

ε_L3＝a₂ε_L1+k₂ (6)

ε_L4＝a₃ε_L1+k₃ (7)

ε_R2＝b₁ε_R1+p₁ (8)

ε_R3＝b₂ε_R1+p₂ (9)

ε_R4＝b₃ε_R1+p₃ (10)

ε_M2＝c₁ε_M1+q₁ (11)

ε_M3＝c₂ε_M1+q₂ (12)

ε_M4＝c₃ε_M1+q₃ (13)

将式(5)-(13)分别带入式(2)-(4)，消元ε_L2、ε_L3、ε_L4、ε_R2、ε_R3、ε_R4、ε_M2、ε_M3、ε_M4；将式(1)带入式(2)-(4)，消元

得含有ε_L1、ε_R1的二次项，ε_M1的一次项的3个方程式；消元ε_M1，得含有ε_L1、ε_R1的2个二元二次方程式；

其中，

D₁＝2(c₁q₁a₂k₂+c₁q₁b₂k₂-c₂q₂a₁k₁-c₂q₂b₁k₁)；E₁＝2(c₁q₁a₂p₂+c₁q₁b₂p₂-c₂q₂a₁p₁-c₂q₂b₁p₁)；

D₂＝2(c₁q₁a₃k₃+c₁q₁b₃k₃-c₃q₃a₁k₁-c₃q₃b₁k₁)；E₂＝2(c₁q₁a₃p₃+c₁q₁b₃p₃-c₃q₃a₁p₁-c₃q₃b₁p₁)；

M＝ε₁；N＝ε₂；R＝ε₃；T＝ε₄。

基于MATLAB平台的迭代函数fsolve，迭代误差为0.1，迭代初始点为(1,1)，求解上述得到的含有ε_L1、ε_R1的2个二元二次方程组，正实数解为(ε_L1，ε_R1)，根据方程式(1)间接计算切应变ε_M1，最终获得分载荷：拉压载荷、径向力载荷、扭矩载荷。

实施例2：

本发明针对油田普遍使用的D级抽油杆，D级抽油杆用钢σ_b＝793～965MPa的要求，选用40CrNi2Mo高络合金钢作为变形体2的材料，在对其他材料的抽油杆进行检测的时候，变形体2需要的材料是与抽油杆相匹配的材料，具体标准是：变形体的材料的抗拉强度σ_b值不小于被检测的抽油杆材料的σ_b值。

一种用于多力耦合作用下的抽油杆分力检测方法，具体步骤如下：

检测装置的固有参数设定

(1)施加拉载荷F_L＝10、20、30、40、50、60、70、80、90、100(单位：KN)，依次记录4个应变检测点处拉应变ε_L1、ε_L2、ε_L3、ε_L4。

(2)施加径向力载荷F_R＝100、200、300、400、500(单位：N)，依次记录4个应变检测点处弯应变ε_R1、ε_R2、ε_R3、ε_R4。

(3)施加扭矩载荷M＝100、200、300、400、500(单位：Nm)，依次记录4个应变检测点处切应变ε_M1、ε_M2、ε_M3、ε_M4。

(4)基于函数绘图平台origin7.5，分别绘制点ε_L1与ε_L2、ε_L3、ε_L4之间的应变关系图并拟合直线ε_Li＝a_i-1ε_L1+k_i-1(i＝2,3,4)，测定系数a_i和k_i，如表1所示；

(5)按照(4)拟合直线ε_Ri＝b_i-1ε_R1+p_i-1和ε_Mi＝c_i-1ε_M1+q_i-1，测定系数b_i、c_i、p_i、q_i，如表1所示。

表1方程中系数数值

检测装置的多载荷耦合作用实验

(1)施加多载荷

任选拉压载荷F_L(取值0-100KN)、径向力载荷F_R(取值0-500N)、扭矩载荷M(取值0-500Nm)中至少一种载荷，施加于检测装置；

(2)数据处理器获取耦合应变ε_i(其中，i＝1，2，3，4)。

由耦合应变求解分载荷

(1)根据耦合应变模型

(其中，i＝1，2，3，4)及同类应变在不同位置处的线性关系ε_Li＝a_i-1ε_L1+k_i-1、ε_Ri＝b_i-1ε_R1+p_i-1、ε_Mi＝c_i-1ε_M1+q_i-1(i＝2,3,4)，建立状态方程组：

ε_L2＝a₁ε_L1+k₁ (5)

ε_L3＝a₂ε_L1+k₂ (6)

ε_L4＝a₃ε_L1+k₃ (7)

ε_R2＝b₁ε_R1+p₁ (8)

ε_R3＝b₂ε_R1+p₂ (9)

ε_R4＝b₃ε_R1+p₃ (10)

ε_M2＝c₁ε_M1+q₁ (11)

ε_M3＝c₂ε_M1+q₂ (12)

ε_M4＝c₃ε_M1+q₃ (13)

(2)将式(5)-(13)分别带入式(2)-(4)，消元ε_L2、ε_L3、ε_L4、ε_R2、ε_R3、ε_R4、ε_M2、ε_M3、ε_M4；将式(1)带入式(2)-(4)，消元

得含有ε_L1、ε_R1的二次项，ε_M1的一次项的3个方程式；消元ε_M1，得含有ε_L1、ε_R1的2个二元二次方程式

27021.58661x²-47001.88364y²-31462.15819xy-5.97714x-4.31501y+Const₁＝0 (14)

30625.64907x²-52284.22589y²-41064.38273xy-1.15126x-0.55135y+Const₂＝0 (15)

其中，常数项Const₁＝16671.29897N²+128447.22812M²-242131.3895R²+0.00005；Const₂＝17707.2001N²+97822.20607M²-242131.3895T²-0.00001；M＝ε₁；N＝ε₂；R＝ε₃；T＝ε₄；x＝ε_L1；y＝ε_R1。

(3)基于MATLAB平台的迭代函数fsolve，迭代误差为0.1，迭代初始点为(1,1)，求解方程式(14)、(15)联立的二元二次方程组，正实数解为(ε_L1，ε_R1)，根据方程式(1)间接计算切应变ε_M1，最终获得分载荷：拉压载荷、径向力载荷、扭矩载荷。

表2为实施例2中施加多载荷后得到耦合应变，并由耦合应变使用本发明的方法求解得到分载荷。

表2多载荷耦合作用实验数据及分载荷求解结果

上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种用于多力耦合作用下的抽油杆分力检测方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)在两个抽油杆之间串联接入用于检测抽油杆所受载荷的分力检测装置，所述分力检测装置的变形体(2)的外表面在变形体的轴向同侧均匀设置4个用于检测变形体应变的应变片；

所述变形体(2)为直径渐变的圆台变形体；

所述应变片(6)的应变敏感方向沿变形体(2)轴向；变形体(2)上每个应变片均采用1/4桥连接方式；

(2)通过抽油杆分别对分力检测装置施加三种预设载荷，三种预设载荷分别为：拉压载荷、径向力载荷、扭矩载荷；由分力检测装置检测得到拉应变ε_Li、弯应变ε_Ri、切应变ε_Mi，其中i＝1,2,3,4，分别对应4个应变片；

(3)分别绘制点ε_L1与ε_L2、ε_L3、ε_L4之间的应变关系图并拟合直线ε_Li＝a_i-1ε_L1+k_i-1，i＝2,3,4，测定系数a_i和k_i；

绘制点ε_R1与ε_R2、ε_R3、ε_R4之间以及ε_M1与ε_M2、ε_M3、ε_M4之间的应变关系图并分别拟合直线ε_Ri＝b_i-1ε_R1+p_i-1和ε_Mi＝c_i-1ε_M1+q_i-1，i＝2,3,4，测定系数b_i、c_i、p_i、q_i；

(4)通过抽油杆对变形体施加多载荷，由应变片检测得到耦合应变ε_i，其中，i＝1，2，3，4；

(5)根据耦合应变模型

其中，i＝1，2，3，4，及同类应变在不同位置处的线性关系ε_Li＝a_i-1ε_L1+k_i-1、ε_Ri＝b_i-1ε_R1+p_i-1、ε_Mi＝c_i-1ε_M1+q_i-1，i＝2,3,4，建立状态方程组：

ε_L2＝a₁ε_L1+k₁ (5)

ε_L3＝a₂ε_L1+k₂ (6)

ε_L4＝a₃ε_L1+k₃ (7)

ε_R2＝b₁ε_R1+p₁ (8)

ε_R3＝b₂ε_R1+p₂ (9)

ε_R4＝b₃ε_R1+p₃ (10)

ε_M2＝c₁ε_M1+q₁ (11)

ε_M3＝c₂ε_M1+q₂ (12)

ε_M4＝c₃ε_M1+q₃ (13)

将式(5)-(13)分别带入式(2)-(4)，消元ε_L2、ε_L3、ε_L4、ε_R2、ε_R3、ε_R4、ε_M2、ε_M3、ε_M4；将式(1)带入式(2)-(4)，消元

得含有ε_L1、ε_R1的二次项，ε_M1的一次项的3个方程式；消元ε_M1，得含有ε_L1、ε_R1的2个二元二次方程式：

其中，

D₁＝2(c₁q₁a₂k₂+c₁q₁b₂k₂-c₂q₂a₁k₁-c₂q₂b₁k₁)；E₁＝2(c₁q₁a₂p₂+c₁q₁b₂p₂-c₂q₂a₁p₁-c₂q₂b₁p₁)；

D₂＝2(c₁q₁a₃k₃+c₁q₁b₃k₃-c₃q₃a₁k₁-c₃q₃b₁k₁)；E₂＝2(c₁q₁a₃p₃+c₁q₁b₃p₃-c₃q₃a₁p₁-c₃q₃b₁p₁)；

M＝ε₁；N＝ε₂；R＝ε₃；T＝ε₄；

基于MATLAB平台的迭代函数fsolve，迭代误差为0.1，迭代初始点为(1,1)，求解方程式(14)、(15)联立的二元二次方程组，正实数解为(ε_L1，ε_R1)，根据方程式(1)间接计算切应变ε_M1，最终获得分载荷：拉压载荷、径向力载荷、扭矩载荷。

2.根据权利要求1所述的用于多力耦合作用下的抽油杆分力检测方法，其特征在于，

所述圆台变形体的下端圆截面直径为20mm，上端圆截面直径为25mm，高度为100mm。

3.根据权利要求1或2所述的用于多力耦合作用下的抽油杆分力检测方法，其特征在于，所述分力检测装置包括主体(1)、变形体(2)、变形体上固定头(3)、变形体下连接头(4)；

所述变形体(2)两端分别与变形体上固定头(3)的一端和变形体下连接头(4)的一端通过右旋螺纹连接；

所述变形体下连接头(4)与所述主体(1)的一端固定连接；

所述变形体上固定头(3)的另一端和主体(1)的另一端分别与两侧的抽油杆固定连接；

所述主体(1)设置有放置数据处理器的舱体(1-1)和放置电源的电池仓(1-2)。

4.根据权利要求3所述的用于多力耦合作用下的抽油杆分力检测方法，其特征在于，所述变形体上固定头(3)和变形体下连接头(4)之间设置用于密封变形体(2)的密封筒(5)。

5.根据权利要求4所述的用于多力耦合作用下的抽油杆分力检测方法，其特征在于，所述变形体下连接头(4)以及与其相连的主体(1)的一端内开设有过线孔。

6.根据权利要求1所述的用于多力耦合作用下的抽油杆分力检测方法，其特征在于，所述变形体(2)的材料的抗拉强度σ_b值不小于被检测的抽油杆材料的σ_b值。

7.根据权利要求4所述的用于多力耦合作用下的抽油杆分力检测方法，其特征在于，所述舱体(1-1)和电池仓(1-2)的外侧设置用于密封的密封盖(1-3)。

8.根据权利要求1所述的用于多力耦合作用下的抽油杆分力检测方法，其特征在于，步骤(2)施加的三种预设载荷分别为：

拉载荷F_L＝10、20、30、40、50、60、70、80、90、100，单位：KN；

径向力载荷F_R＝100、200、300、400、500，单位：N；

扭矩载荷M＝100、200、300、400、500，单位：Nm。

9.根据权利要求1所述的用于多力耦合作用下的抽油杆分力检测方法，其特征在于，步骤(3)中绘制应变关系图是基于函数绘图平台origin7.5。

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