CN113176164B - 水平井牵引器爬行轮磨损试验台及在线监测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
一种水平井牵引器爬行轮摩擦磨损试验台及在线监测装置和方法，水平井牵引器爬行轮磨损试验台根据水平井牵引器的工作原理，可对爬行轮与油管或套管接触的摩擦力进行实验测试，模拟了原油润滑条件下水平井牵引器爬行轮的运动特性，具有结构小，装配方便，操作简单的优点。水平井牵引器爬行轮磨损在线监测实验装置与方法，可为水平井牵引器的爬行轮提供磨损寿命测试试验，校验爬行轮的强度，为牵引器爬行轮的设计提供重要理论依据，水平井牵引器爬行轮磨损在线监测可有效监测爬行轮的磨损状况，有效避免了仿真计算误差，对水平井牵引器驱动机构优化，以及提升其井下爬行能力起到了重大的推动作用。
Description
技术领域
本发明属于油井开采技术领域，具体涉及到一种水平井牵引器的爬行轮摩擦磨损试验台及水平井牵引器爬行轮磨损在线监测装置和方法。
背景技术
水平井牵引器可依靠爬行轮与套管壁接触摩擦产生牵引力，两者长时间接触运行会引起爬行轮轮齿磨损，进而造成牵引器打滑甚至牵引失效现象，影响其井下爬行距离，导致测井作业不能正常进行。因此，开展爬行轮摩擦磨损实验研究，对提高水平井牵引器的爬行距离与运动性能具有重要的现实意义。
现有水平井牵引器水平井牵引器爬行轮磨损研究大多依据摩擦副磨损机理进行数值计算仿真，其理论依据不充分，所建水平井牵引器爬行轮磨损模型大多采用简化处理，模型精度不够高，导致仿真模型预测结果与实际情况存在较大误差，不能够准确反映爬行轮轮齿磨损的实际情况(孙可平,杨东超,常旭,等.爬行器驱动轮与套管管壁斜压过程分析[J].清华大学学报:自然科学版,2019(12):1016-1028)。为了研究摩擦副磨损，专利CN201210182672.X公开了一种封闭力流式齿轮箱磨损油液监测试验台，通过监测试验产生的磨损颗粒信息，实现齿轮磨损的在线监测，为齿轮点蚀，胶合，磨损等失效机理的研究提供实验数据。专利CN201110107681.8公开了一种在线可控摩擦系数与滑差的滚动摩擦磨损试验机，可在线控制摩擦系数和滑差并能实时测量试样直径的变化并补偿直径变化引起的摩擦系数与滑差的测量误差，实现了摩擦系数的摩擦磨损试验。然而，所述专利CN201210182672.X仅可用于磨损过程及磨损失效的监测试验，且CN201110107681.8局限于摩擦系数的测量实验，两者均无法实现摩擦与磨损变化的同时监测试验，其结构原理亦不能有效支撑水平井牵引器运行过程中爬行轮轮齿摩擦磨损情况的模拟装置设计。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种设计合理、操作简单、准确度高、可对水平井牵引器的爬行轮进行磨损测试的水平井牵引器爬行轮磨损试验台。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：底座上设置有第一支架，第一支架上铰接有平衡杆，位于第一支架一侧平衡杆上设置有第一砝码，位于第一支架另一侧平衡杆上表面设置有加载杆、底部设置有加载板，加载杆上设置有第二砝码，加载板底部设置有平衡杆维稳机构，平衡杆维稳机构底部设置有压力传感器组件，压力传感器组件底部设置有上支撑座，上支撑座的侧面设置有上连接轴、底部设置有竖轴，竖轴上套设有弹簧，竖轴下端伸入到位于底座上的下支撑座的竖向通孔a内，连接轴上设置有推杆，推杆上设置有二级减速机构，二级减速机构的动力输出轴上设置有爬行轮，底座上设置有电机安装架，电机安装架上设置有电机，电机的动力输出轴与二级减速机构相联，位于爬行轮的一侧底座上设置有滚轮安装架，滚轮安装架上设置有滚轮轴，滚轮轴上设置有对滚轮和扭矩传感器，对滚轮侧面与爬行轮接触，位于爬行轮下方底座上设置有储油槽。
作为一种优选的技术方案，所述的平衡杆维稳机构为：外连接筒内设置有内连接筒，内连接筒的上端设置在加载板上，内连接筒下端加工有锥形槽，外连接筒底部加工有通槽，内连接筒与外连接筒之间设置有球形块，球形块突出通槽作用在压力传感器组件上。
作为一种优选的技术方案，所述的二级减速机构为：电机的动力输出轴上设置有小链轮和驱动臂，驱动臂上设置有大链轮轴和爬行轮轴，大链轮轴和爬行轮轴的轴线与电机动力输出轴的轴线平行，大链轮轴的另一端设置在推杆上，大链轮和小链轮上设置有链条，大链轮轴上设置有小齿轮，爬行轮轴上设置有与小齿轮相啮合的大齿轮，爬行轮轴的端部设置有爬行轮。
本发明还提供一种水平井牵引器爬行轮磨损在线监测实验装置，水平井牵引器爬行轮试验台的储油槽通过油管与在线磨损监测模组的进油口相连通，在线磨损监测模组的出油口通过油管与蠕动泵的进液口相连通，蠕动泵的出液口通过油管与水平井牵引器爬行轮磨损试验台的储油槽相连通，水平井牵引器爬行轮磨损试验台和在线磨损监测模组通过数据线与计算机相连，主控制器通过导线与计算机、在线磨损监测模组、蠕动泵相连。
本发明还提供一种水平井牵引器爬行轮磨损在线监测实验装置的监测方法，包括以下步骤：
S1.调节平衡杆上第一砝码的重量，使平衡杆在未放置第二砝码时，处于水平状态；
S2.在加载杆上加载第二砝码，使平衡杆发生倾斜，压力传感器组件检测第二砝码施加的正压力并输入到计算机，上支撑座下移带动竖轴向下移动，弹簧处于压缩状态，推杆与驱动臂发生径向偏转，使爬行轮与对滚轮产生接触压力；
S3.爬行轮与对滚轮发生相对转动，爬行轮与对滚轮的接触区域滴入油液润滑剂，扭矩传感器检测对滚轮扭矩并输入到计算机，爬行轮发生磨损，所产生的磨粒掉落进储油槽内，磨粒随着油液在油管内流动流经在线磨损监测模组，在线磨损监测模组将采集的磨粒视频图像传输给计算机；
S4.计算机根据下式得出油液润滑状态下爬行轮与对滚轮之间的摩擦系数，建立磨擦系数与施加载荷的关系，
式中：μ为有油液润滑时爬行轮与对滚轮之间的摩擦系数，M为扭矩传感器所测得的数值，R为对滚轮的半径，L1为电机的动力输出轴中心线到爬行轮中心的间距，β为推杆与竖直方向上的夹角，α为驱动臂与竖直方向上的夹角，N1为压力传感器组件所测得的施加载荷数据，k为弹簧的弹性系数，x为弹簧的变形量，L2为大链轮轴中心线与爬行轮轴中心线的间距；
S5.计算机运用磨粒视频图像提取油液中磨粒浓度，并根据下式得出体积磨损率与磨粒浓度的关系，
式中，M(t)为t时刻爬行轮磨损变化的体积磨损率，为/>时刻油液中的磨粒浓度，/>为/>时刻油液中的磨粒浓度，ρ为点蚀磨粒的材料密度，j为在线磨损监测模组视频采样次数，T为在线磨损监测模组视频采样持续时长，λ为磨粒损失系数，1＞λ≥0，Vs为在线磨损监测模组视频采样所损耗的油液量，pr为CMOS器件的采样帧频；
S6.建立爬行轮10的磨损系数与施加载荷的数学关系如下，
式中，Km为有油液润滑时爬行轮的磨损系数，N2为爬行轮与对滚轮的接触压力，Pm为爬行轮所用材料的屈服应力，μM为干摩擦时爬行轮与对滚轮之间的摩擦系数，μB为油液润滑膜的摩擦系数。
本发明的有益效果如下：
本发明的水平井牵引器爬行轮磨损试验台根据水平井牵引器的工作原理，在施加不同载荷条件下，可对爬行轮与油管或套管接触的摩擦力进行实验测试，模拟了原油润滑条件下水平井牵引器爬行轮的运动特性，具有结构小，装配方便，操作简单的优点。本发明涉及的水平井牵引器爬行轮磨损在线监测实验装置与方法，可为水平井牵引器的爬行轮提供磨损寿命测试试验，校验爬行轮的强度，为牵引器爬行轮的设计提供重要理论依据，水平井牵引器爬行轮磨损在线监测可有效监测爬行轮的磨损状况，有效避免了仿真计算误差，对水平井牵引器驱动机构优化，以及提升其井下爬行能力起到了重大的推动作用。
附图说明
图1是本发明水平井牵引器爬行轮磨损试验台的结构示意图。
图2是本发明水平井牵引器爬行轮磨损试验台的剖视图。
图3是图1中平衡杆维稳机构5的结构示意图。
图4是本发明水平井牵引器爬行轮磨损在线监测实验装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。
在图1、2中，本实施例的一种水平井牵引器爬行轮磨损试验台由平衡杆1、第一支架2、加载杆3、加载板4、平衡杆维稳机构5、压力传感器组件6、上支撑座7、推杆8、二级减速机构9、爬行轮10、滚轮安装架11、扭矩传感器12、对滚轮13、储油槽14、底座15、弹簧16、竖轴17、下支撑座18、第一砝码19、第二砝码20、上连接轴21、电机安装架22、电机23连接构成。
底座15上用螺纹紧固连接件固定安装有第一支架2，第一支架2上铰接有平衡杆1，位于第一支架2一侧平衡杆1用于安装第一砝码19，位于第一支架2另一侧平衡杆1上表面安装有加载杆3、底部固定安装有加载板4，加载杆3用于装第二砝码20，加载板4底部通过螺纹固定安装置有平衡杆维稳机构5，平衡杆维稳机构5底部用螺纹紧固连接件固定安装有压力传感器组件6，平衡杆维稳机构5用于保证对压力传感器组件6所施加的力始终在竖直方向上，压力传感器组件6底部用螺纹紧固连接件固定安装有上支撑座7，上支撑座7的侧面安装有上连接轴21、底部固定安装有竖轴17，上连接轴21与上支撑座7之间安装有深沟球轴承，竖轴17上套装有弹簧16，竖轴17下端伸入到位于底座15上的下支撑座18的竖向通孔a内，上连接轴21上安装有推杆8，上连接轴21与推杆8之间安装有深沟球轴承，推杆8上安装有二级减速机构9，二级减速机构9的动力输出轴上固定安装有爬行轮10，底座15上用螺纹紧固连接件固定安装有电机安装架22，电机安装架22上安装有电机23，电机23的动力输出轴通过联轴器与二级减速机构9相联，位于爬行轮10的一侧底座15上用螺纹紧固连接件固定安装有滚轮安装架11，滚轮安装架11上安装有滚轮轴，滚轮轴上安装有对滚轮13和扭矩传感器12，对滚轮13侧面与爬行轮10接触，位于爬行轮10下方底座15上设置有储油槽14。
在图3中，本实施例的平衡杆维稳机构5由内连接筒5-1、外连接筒5-3、球形块5-2连接构成，外连接筒5-3内通过螺纹连接有内连接筒5-1，内连接筒5-1上端与加载板4通过螺纹连接，内连接筒5-1下端加工有锥形槽，外连接筒5-3底部加工有通槽，内连接筒5-1与外连接筒5-3之间安装有球形块5-2，球形块5-2突出通槽作用在压力传感器组件6上，保证压力传感器组件6所接受的力始终在竖直方向上。
本实施例的二级减速机构9由小链轮9-7、驱动臂9-3、大链轮轴9-2、爬行轮轴9-6、链条9-8、小齿轮9-4、大齿轮9-5、驱动轴9-9连接构成。驱动轴9-9的一端通过联轴器与电机23的动力输出轴相联，驱动轴9-9的另一端安装在下支撑座18上并与下支撑座18之间安装有轴承，驱动轴9-9上安装有小链轮9-7和驱动臂9-3，小链轮9-7固定安装在驱动轴9-9上，驱动臂9-3与驱动轴9-9之间安装有轴承，驱动臂9-3上安装有大链轮轴9-2和爬行轮轴9-6，链轮轴和爬行轮轴9-6与驱动臂9-3之间安装有轴承，大链轮轴9-2和爬行轮轴9-6的轴线与驱动轴9-9的轴线平行，大链轮轴9-2安装在推杆8上并与推杆8之间安装有轴承，大链轮9-1和小链轮9-7上安装有链条9-8，大链轮轴9-2端部固定安装有小齿轮9-4，爬行轮轴9-6上固定安装有与小齿轮9-4相啮合的大齿轮9-5，爬行轮轴9-6的端部固定安装有爬行轮10。驱动轴9-9转动通过链轮链条机构带动大链轮轴9-2转动，小齿轮9-4随着大链轮轴9-2一起转动，小齿轮9-4与大齿轮9-5相啮合带动大齿轮9-5转动，大齿轮9-5带动爬行轮轴9-6和爬行轮10一起转动。
在图4中，本实施例的一种水平井牵引器爬行轮磨损在线监测实验装置由水平井牵引器爬行轮磨损试验台、在线磨损监测模组、计算机、主控制器、蠕动泵连接构成，水平井牵引器爬行轮磨损试验台用于模拟牵引器爬行轮在水平井内的运行过程，爬行轮10与对滚轮13产生摩擦时，爬行轮10发生磨损，所产出的磨粒掉落进储油槽14内，水平井牵引器爬行轮磨损试验台的储油槽14通过油管与在线磨损监测模组的进油口相连通，在线磨损监测模组的出油口通过油管与蠕动泵的进液口相连通，蠕动泵的出液口通过油管与水平井牵引器爬行轮磨损试验台的储油槽14相连通，水平井牵引器爬行轮磨损试验台和在线磨损监测模组通过数据线与计算机相连，主控制器与计算机、在线磨损监测模组、蠕动泵相连，主控制器根据计算机反馈的信息，自动调控蠕动泵从而调控储油槽14内的油液流动，主控制器同时控制在线磨损监测模组中的励磁电流，让油液流经在线磨损监测模组时油液中的磨粒沉积于在线磨损监测模组的显微成像区域内，在线磨损监测模组将采集的磨粒视频图像信息传入给计算机进行数据处理与分析。
本实施例的水平井牵引器爬行轮磨损在线监测实验装置的监测方法，包括以下步骤：
S1.调节平衡杆1上第一砝码19的重量，使平衡杆1在未放置第二砝码20时，处于水平状态；
S2.在加载杆3上加载第二砝码20，使平衡杆1发生倾斜，压力传感器组件6检测第二砝码20施加的正压力并输入到计算机，上支撑座7下移带动竖轴17向下移动，弹簧16处于压缩状态，推杆8与驱动臂9-3发生径向偏转，使爬行轮10与对滚轮13产生接触压力；
S3.计算机控制电机23转动，通过链轮链条机构与齿轮传动机构带动爬行轮10与对滚轮13发生相对转动，在爬行轮10与对滚轮13的接触区域滴入油液润滑剂，扭矩传感器12检测对滚轮13扭矩并输入到计算机，爬行轮10发生磨损，所产生的磨粒掉落进储油槽14内，磨粒随着油液在油管内流动流经在线磨损监测模组，在线磨损监测模组将采集的磨粒视频图像传输给计算机；
S4.计算机根据下式得出油液润滑状态下爬行轮与对滚轮之间的摩擦系数，建立磨擦系数与施加载荷的关系，
式中：μ为有油液润滑时爬行轮与对滚轮之间的摩擦系数，M为扭矩传感器所测得的数值，R为对滚轮的半径，L1为电机的动力输出轴中心线到爬行轮中心的间距，β为推杆与竖直方向上的夹角，α为驱动臂与竖直方向上的夹角，N1为压力传感器组件所测得的施加载荷数据，k为弹簧的弹性系数，x为弹簧的变形量，L2为大链轮轴中心线与爬行轮轴中心线的间距；
S5.计算机运用磨粒视频图像提取油液中磨粒浓度，并根据下式得出体积磨损率与磨粒浓度的关系，
式中，M(t)为t时刻爬行轮磨损变化的体积磨损率，为/>时刻油液中的磨粒浓度，/>为/>时刻油液中的磨粒浓度，ρ为点蚀磨粒的材料密度，j为在线磨损监测模组视频采样次数，T为在线磨损监测模组视频采样持续时长，λ为磨粒损失系数，1＞λ≥0，Vs为在线磨损监测模组视频采样所损耗的油液量，pr为CMOS器件的采样帧频；
S6.建立爬行轮10的磨损系数与施加载荷的数学关系如下，
式中，Km为有油液润滑时爬行轮的磨损系数，N2为爬行轮与对滚轮的接触压力，Pm为爬行轮所用材料的屈服应力，μM为干摩擦时爬行轮与对滚轮之间的摩擦系数，μB为油液润滑膜的摩擦系数。
Claims (4)
1.一种水平井牵引器爬行轮磨损试验台，其特征在于：底座(15)上设置有第一支架(2)，第一支架(2)上铰接有平衡杆(1)，位于第一支架(2)一侧平衡杆(1)上设置有第一砝码(19)，位于第一支架(2)另一侧平衡杆(1)上表面设置有加载杆(3)，加载杆(3)底部设置有加载板(4)，加载杆(3)上设置有第二砝码(20)，加载板(4)底部设置有平衡杆维稳机构(5)，平衡杆维稳机构(5)底部设置有压力传感器组件(6)，压力传感器组件(6)底部设置有上支撑座(7)，上支撑座(7)的侧面设置有上连接轴(21)、底部设置有竖轴(17)，竖轴(17)上套设有弹簧(16)，竖轴(17)下端伸入到位于底座(15)上的下支撑座(18)的竖向通孔(a)内，连接轴上设置有推杆(8)，推杆(8)上设置有二级减速机构(9)，二级减速机构(9)的动力输出轴上设置有爬行轮(10)，底座(15)上设置有电机安装架(22)，电机安装架(22)上设置有电机(23)，电机(23)的动力输出轴与二级减速机构(9)相联，位于爬行轮(10)的一侧底座(15)上设置有滚轮安装架(11)，滚轮安装架(11)上设置有滚轮轴，滚轮轴上设置有对滚轮(13)和扭矩传感器(12)，对滚轮(13)侧面与爬行轮(10)接触，位于爬行轮(10)下方底座(15)上设置有储油槽(14)；
所述的平衡杆维稳机构(5)为：外连接筒(5-3)内设置有内连接筒(5-1)，内连接筒(5-1)的上端设置在加载板(4)上，内连接筒(5-1)下端加工有锥形槽，外连接筒(5-3)底部加工有通槽，内连接筒(5-1)与外连接筒(5-3)之间设置有球形块(5-2)，球形块(5-2)突出通槽作用在压力传感器组件(6)上。
2.根据权利要求1所述的水平井牵引器爬行轮磨损试验台，其特征在于所述的二级减速机构(9)为：电机的动力输出轴上设置有小链轮(9-7)和驱动臂(9-3)，驱动臂(9-3)上设置有大链轮轴(9-2)和爬行轮轴(9-6)，大链轮轴(9-2)和爬行轮轴(9-6)的轴线与电机动力输出轴的轴线平行，大链轮轴(9-2)的另一端设置在推杆(8)上，大链轮(9-1)和小链轮(9-7)上设置有链条(9-8)，大链轮轴(9-2)上设置有小齿轮(9-4)，爬行轮轴(9-6)上设置有与小齿轮(9-4)相啮合的大齿轮(9-5)，爬行轮轴(9-6)的端部设置有爬行轮(10)。
3.一种水平井牵引器爬行轮磨损在线监测实验装置，采用如权利要求1或2所述的水平井牵引器爬行轮磨损试验台，其特征在于：水平井牵引器爬行轮试验台的储油槽(14)通过油管与在线磨损监测模组的进油口相连通，在线磨损监测模组的出油口通过油管与蠕动泵的进液口相连通，蠕动泵的出液口通过油管与水平井牵引器爬行轮磨损试验台的储油槽(14)相连通，水平井牵引器爬行轮磨损试验台和在线磨损监测模组通过数据线与计算机相连，主控制器通过导线与计算机、在线磨损监测模组、蠕动泵相连。
4.根据权利要求3所述的水平井牵引器爬行轮磨损在线监测实验装置的监测方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.调节平衡杆(1)上第一砝码(19)的重量，使平衡杆(1)在未放置第二砝码(20)时，处于水平状态；
S2.在加载杆(3)上加载第二砝码(20)，使平衡杆(1)发生倾斜，压力传感器组件(6)检测第二砝码(20)施加的正压力并输入到计算机，上支撑座(7)下移带动竖轴(17)向下移动，弹簧(16)处于压缩状态，推杆(8)与驱动臂(9-3)发生径向偏转，使爬行轮(10)与对滚轮(13)产生接触压力；
S3.爬行轮(10)与对滚轮(13)发生相对转动，爬行轮(10)与对滚轮(13)的接触区域滴入油液润滑剂，扭矩传感器(12)检测对滚轮(13)扭矩并输入到计算机，爬行轮(10)发生磨损，所产生的磨粒掉落进储油槽(14)内，磨粒随着油液在油管内流动流经在线磨损监测模组，在线磨损监测模组将采集的磨粒视频图像传输给计算机；
S4.计算机根据下式得出油液润滑状态下爬行轮(10)与对滚轮(13)之间的摩擦系数，建立磨擦系数与施加载荷的关系，
式中：μ为有油液润滑时爬行轮(10)与对滚轮(13)之间的摩擦系数，M为扭矩传感器(12)所测得的数值，R为对滚轮(13)的半径，L1为电机(23)的动力输出轴中心线到爬行轮中心的间距，β为推杆(8)与竖直方向上的夹角，a为驱动臂(9-3)与竖直方向上的夹角，N1为压力传感器组件6所测得的施加载荷数据，k为弹簧(16)的弹性系数，x为弹簧(16)的变形量，L2为大链轮轴(9-2)中心线与爬行轮轴(9-6)中心线的间距；
S5.计算机运用磨粒视频图像提取油液中磨粒浓度，并根据下式得出体积磨损率与磨粒浓度的关系，
式中，M(t)为t时刻爬行轮(10)磨损变化的体积磨损率，为/>时刻油液中的磨粒浓度，/>为/>时刻油液中的磨粒浓度，ρ为点蚀磨粒的材料密度，j为在线磨损监测模组视频采样次数，T为在线磨损监测模组视频采样持续时长，λ为磨粒损失系数，1＞λ≥0，Vs为在线磨损监测模组视频采样所损耗的油液量，pr为CMOS器件的采样帧频；
S6.建立爬行轮(10)的磨损系数与施加载荷的数学关系如下，
式中，Km为有油液润滑时爬行轮(10)的磨损系数，N2为爬行轮(10)与对滚轮(13)的接触压力，Pm为爬行轮(10)所用材料的屈服应力，μM为干摩擦时爬行轮(10)与对滚轮(13)之间的摩擦系数，μB为油液润滑膜的摩擦系数。
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