機械系統(tǒng)與信號處理

機械系統(tǒng)與信號處理往復泵的閥運動特性摘要在往復泵的研究中，很少有關(guān)于往復泵的狀態(tài)、行為模擬或經(jīng)驗分析的報道。本文以三缸單作用往復泵為研究對象。作為研究對象，我們建立了一個測試閥瓣運動參數(shù)的實驗系統(tǒng)，以直接獲取閥瓣的運動參數(shù)(加速度、速度和位移)。)在實際情況下。并將試驗結(jié)果與U.Adolph理論和近似理論的計算結(jié)果進行了比較。在近似理論中，閥盤議案沒有得到充分考慮，因而與實際情況有很大的偏差。與近似理論相比，U.Adolph理論更適合于確定Valv值閥瓣在不同沖程下的運動參數(shù)可以很好地解釋閥的跳躍和滯后現(xiàn)象。提出了一種新的泵測試方法和實驗系統(tǒng)。為閥門設(shè)計理論、閥瓣損傷機理和泵故障診斷提供了一種新的研究方法。1.介紹往復泵是石油鉆機的心臟。閥瓣也是往復泵液壓端的關(guān)鍵部件，其主要作用是使抽油閥和排出閥發(fā)生變化。在液壓缸中連接或分離，從而控制鉆井液的單向流動。泵閥閥瓣也是一個磨損部件。為了提高工作績效并對泵的工作條件、延長其使用壽命、往復泵閥動力學及其損壞機理進行了廣泛的研究[1-6]。國內(nèi)外研究往復閥閥瓣運動主要集中在數(shù)值計算和仿真上。研究了往復泵閥瓣的運動特性及各種參數(shù)的影響。通過數(shù)學模型模擬往復泵閥的運動研究[7，8]。建立了數(shù)學模型和有限元模型[9-13]，然后對它的運動進行了分析。閥盤的運動規(guī)律是根據(jù)U.Adolph運動微分方程[14，15]進行的。相關(guān)的實驗研究主要涉及磨損零件的故障診斷和信號處理。往復泵[16-19]。泵的參數(shù)通常由安裝在泵吸入或排放管上的壓力表和流量傳感器以及安裝在泵閥外的加速度傳感器獲得。到目前為止，閥瓣的運動參數(shù)還沒有被直接實驗檢測出來。理論分析還沒有結(jié)合實際的泵試驗參數(shù)來研究其運動規(guī)律。各種理論的準確性理論計算仍然是未知的。本文提出了一種新的往復泵閥瓣運動參數(shù)測試方法。在新的方法中，壓電加速度計和電感頻率-在液壓作用下，在閥盤上安裝了調(diào)制式位移傳感器。此外，還建立了閥瓣運動參數(shù)(加速度和加速度)的測試系統(tǒng)。在不同的工作條件下，實時地進行置換。然后，我們比較了近似理論[20，21]和U.Adolph理論得到的閥盤運動的計算結(jié)果，得出了t的結(jié)論。為進一步研究往復泵的設(shè)計、閥門損壞機理和故障診斷提供了依據(jù)。泵閥閥瓣運動理論展示了往復泵閥的運動原理。以排放閥為例，假設(shè)活塞位于排放閥的右側(cè)。當排放過程開始，活塞開始從右向左排出液體。然后液壓缸內(nèi)的液體推動排出閥盤上升。則排放閥打開,液體經(jīng)由閥盤和閥座之間的間隙流入排出腔。在卸料過程結(jié)束時,該盤從某一高度(H)下降到其在A下的閥座,它本身的重量、彈簧的彈性力和液體壓力(Pjp1P2J)。這樣，排放閥就關(guān)閉了，活塞室與排放卡分離了。姆伯。最后，完成了排氣閥的開閉過程。近似理論和U.Adolph理論在往復泵閥的計算和設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。這兩種理論分別描述如下。2.1。近似理論近似理論是建立在以下假設(shè)之上的。首先，閥瓣是無質(zhì)量的。其次，彈簧力(R)保持不變。第三，流體是不可壓縮的。泵是無彈性的。第四，在閥盤運動過程中，液壓缸充滿了連續(xù)的液體。根據(jù)伯努利方程,閥盤位移最大值、速度和加速度可表示如下[22]：hmax?Frωe1Tμπdvp???????????2gHvsinθvmax?Frω2?hmaxωe2Tμπdvp???????????2gHvsinθamax?Frω3?hmaxω2e3Tμπdvp???????????2gHvsinθHv?GtRe4fvγ其中f是活塞的工作區(qū)域，m2，r是曲柄半徑，m，ω是曲柄角速度，rad=s，μ是閥流量系數(shù)，θ是錐形閥盤的錐角(如圖所示)。n如圖所示。1)dg，dV是閥瓣的直徑，m，fv是閥瓣的截面積，m2，G是重力，N和γ是液體的比重，N=m3。2.2。U.Adolph理論在實際情況下，應(yīng)考慮閥瓣的慣性力、閥瓣質(zhì)量、彈簧力(R)和氣門間隙內(nèi)流速的變化。1968，德國學者U.Adolph考慮了上述參數(shù)的變化，推導了閥盤運動的二階非線性常微分方程UAdolph理論，具體如下：T2h2h″th3tAh2εBfe?T2tεCfe?Th0εDh02?0e5TfeφT?esinφ7λ=2Usin2φTe6TT2m;AGtR;B??ξρFfr;?KK2Klvsin2θC?ξρFfv2rωD?ξρfv3;Kl2sin2θ2Kl2sin2θvv其中R0是彈簧預載，N，K是彈簧常數(shù)，n=m，m是閥瓣的重量，公斤，Lv是氣門間隙周圍的長度，和F（φ）以一個積極的跡象的桿端排出閥的吸入閥和負標志。在活塞桿的另一面，符號與上述結(jié)果相反。每個泵閥行程的起始點設(shè)置為φ0。通常，閥盤運動的近似理論適用于低速往復泵(低于120次/min)。高速往復泵(200次/min以上)的計算近似理論的誤差太大。因此，有必要采用精確微分方程U.Adolph理論來解決這個問題[12，17，18]。這兩位IES在泵的設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。一些學者通過仿真和計算研究了這些理論的正確性，但對這些理論的正確性的實驗驗證方法很少進行研究。本文建立了閥盤運動測試系統(tǒng)，以獲得閥瓣的運動參數(shù)。本文將理論分析與實驗研究相結(jié)合，以達到以下目的：獲得更準確的泵閥閥瓣運動描述。閥門閥瓣運動測試系統(tǒng)的組成采用BW-250型水平三缸單作用往復泵作為試驗泵。該泵具有兩缸直徑和四檔泵，其工作原理和結(jié)構(gòu)參數(shù)均符合要求。與油田中廣泛使用的普通三缸單作用往復泵相同。2.給出了閥瓣運動信號測試系統(tǒng)。加速度與離散利用加速度傳感器和電感調(diào)頻位移傳感器分別實時測量水泥信號.這兩個傳感器是防水壓縮型和安裝INS。閥室的位移信號和加速度信號分別通過位移信號調(diào)理儀和電荷放大器發(fā)送到數(shù)據(jù)采集卡。實際是利用閥瓣運動測試系統(tǒng)，獲得了往復泵閥瓣的加速度、速度和位移參數(shù)，并對其進行了分析。電感頻率的工作原理Cy調(diào)制式位移傳感器如下.閥桿的前部與閥板直接接觸。當閥盤上下移動時，傳感器可以測量頻率s。經(jīng)過信號處理后，將頻率信號轉(zhuǎn)換為位移信號。這種電感調(diào)頻位移傳感器需要直流電源.。為了排空液體泄漏在泵閥的入口，安裝的傳感器應(yīng)該密封良好。4.閥盤運動特性4.1.試驗結(jié)果采用LabVIEW軟件開發(fā)的閥盤運動測試系統(tǒng)，通過安裝在泵內(nèi)的傳感器，分別對加速度和排量信號進行實時測量。采用LabVIEW軟件開發(fā)的閥盤運動測試系統(tǒng)，通過安裝在泵內(nèi)的傳感器，分別對加速度和排量信號進行實時測量.對原始信號進行去噪和濾波后，得到實際的運動參數(shù)(如最大加速度、速度和位移)。加速度和位移數(shù)據(jù)的兩個傳感器所獲得的。速度數(shù)據(jù)進行集成的加速度數(shù)據(jù)采集。圖3顯示的加速度、速度、位移在泵轉(zhuǎn)速為72次/min、液體壓力為1MPa的條件下采集振動信號。如圖3所示加速度、速度和位移波形在72次/min時的變化具有一定的頻率。閥瓣運動的完整周期約為0.75s。接受者閥瓣運動過程中的波動相對穩(wěn)定，但在閥瓣開閉時加速度有顯著變化。如圖3所示,加速度、速度和位移波形在72次/min時的變化具有一定的頻率。閥瓣運動的完整周期約為0.75s.。閥瓣運動過程中的波動相對穩(wěn)定，但在閥瓣開閉時加速度有顯著變化。如圖(A)和(B)，排放閥的加速度峰值(2.323m/s2)和速度峰值(0.1405m/s)出現(xiàn)在開啟時刻，當活塞的死點（排氣閥關(guān)閉）時加速度和速度值雙重下降到零，這表明，閥盤在開啟時刻在液壓作用下被推到一定高度，然后在加速度相反的方向迅速下降到閥座上。然后，在完成排氣閥的吸入過程后，將加速度和速度降到零。在圖3(C)中在整個循環(huán)中，閥盤的位移曲線實質(zhì)上基本上是一個峰值。在初始0.2秒內(nèi)，閥瓣最大位移(4.288mm)當閥瓣落在閥座上時，閥瓣開始彎曲，然后逐漸減小。運動后，閥瓣進入穩(wěn)定階段，這意味著吸入閥工作，排放閥關(guān)閉。按照同樣的方法，閥瓣的運動對不同沖程頻率(42次/min、116次/min、200次/min)的閥門分別進行了測試和比較，得出了相同的變化規(guī)律。4.2。U.Adolph理論的仿真結(jié)果U.Adolph二階非線性微分方程可轉(zhuǎn)化為一階微分方程，具體如下：8dth0dh<dh?εDh02εCfe?Th0εBfe?T2hAe7T:dt?ThThtThTT閥瓣的運動參數(shù)和振動信號為72次/min：(A)加速度；(B)速度；(C)位移。BW250往復泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。泵的運動參數(shù)分別為：行程頻率72次/min，壓力1MPa，閥瓣開啟角151[8]，初始速度和壓力。閥瓣開啟時刻位移為零[12]用Matlab軟件中的四階龍格-庫塔法求解。如圖4所示。閥盤開啟時刻，速度在很短的時間內(nèi)達到最大值，然后逐漸減小，直至閥瓣關(guān)閉。1801年的曲柄角(活塞處于死點位置)由于閥瓣與閥座之間的間隙引起的威斯特現(xiàn)象，滯后高度為0.4mm。Adolph理論模擬曲線和測試曲線顯示出一致的運動規(guī)律。首先，閥盤速度在開啟時刻達到最大值，然后逐漸減小直到閥門閥瓣關(guān)閉。閥盤位移曲線顯示出峰值形狀，在開啟或關(guān)閉時刻其值較小(接近于零)。最大值出現(xiàn)在閥門期間。根據(jù)同一方法，對不同行程頻率(42次/min、116次/min和200次/min)下的閥盤運動進行了測試和比較得到相同的變化規(guī)律。5結(jié)果與分析根據(jù)近似理論和U.Adolph理論，采用數(shù)值軟件對不同沖程頻率(42次/min、72次/min、116次/min、200次/min)下的閥瓣運動參數(shù)進行求解。流體壓力為1MPa。給出了72次/min沖程頻率下速度和位移的理論解和實驗測量結(jié)果。如圖5（a），近似理論速度曲線像余弦曲線。美國阿道夫理論速度跳躍在閥瓣開啟的時刻，然后逐漸減小，最大值降到零。然而，在運動過程中，測量到的速度躍升到最大值，而不是立即下降。測量到的速度在運動和運動中略有變化。EN降低到接近零的值，直到活塞到達死點(曲柄角在1801)。在不同條件下的位移曲線如圖5(B)。位移曲線用近似理論計算得到的位移為零，近似為正弦曲線，在開合時刻位移為零。用U.Adolph理論得到的位移曲線也是正弦波曲線。但閥瓣在運動前以一定的角度開啟，在運動結(jié)束時閥瓣的位移不達到零。這種現(xiàn)象稱為閥盤滯后現(xiàn)象。結(jié)果表明，所測位移曲線在閥瓣開啟前有一個穩(wěn)定的周期，然后位移值開始上升。此更改指示閥門閥瓣打開一定的角度。根據(jù)比較分析(圖5)用U.Adolph理論得到的速度和位移結(jié)果與實驗結(jié)果更接近，包括實際的運動現(xiàn)象(如閥瓣的跳動和滯后。近似理論可以描述閥瓣在運動過程中的速度和位移變化，但其精度低于U.Adolph理論。而且，近似理論不能合理地解釋閥盤的跳躍和滯后現(xiàn)象。閥盤運動的最大值Pa根據(jù)近似理論、U.Adolph理論和實驗測量，計算了不同沖程頻率和1-MPa壓力下的激光測定儀(表2)。表1泵閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)。Parametersm(kg)dv(mm)K(Nm1)s(mm)F(mm2)θ(deg)fv(mm2)lv(mm)Values1.8136230001005026.5603019195Adolph理論得到的閥盤速度和位移曲線：(A)速度和(B)位移。Pei等人/機械系統(tǒng)和信號處理66-67(2016)657-664不同工況下閥瓣速度和位移的比較曲線：(A)速度和(B)位移表格2ParametersApproximationTheoryU.AdolphTheoryExperimentaltest427211620042721162004272116200amax(m/s2)0.07160.2891.0044.1221.72432.58083.3388.6861.342.3233.1629.53vmax(m/s)0.01630.03850.08260.1970.05150.14050.29760.63930.06320.1690.3240.673hmax(mm)3.75.16.89.42.84.56.49.62.5294.2716.55710.69表2給出了不同參數(shù)值的比較結(jié)果?？梢钥闯觯棉D(zhuǎn)速越高，U.Adolph理論的加速度和速度曲線就越明顯。離子更接近實驗結(jié)果。加速度誤差從22%降低到9.1%，速度誤差從18.5%減小到5%。然而，近似理論的數(shù)據(jù)是有意義的。與U.Adolph理論和實驗測量結(jié)果不同，由于忽略了慣性力和彈簧力效應(yīng)，誤差最小為52.5%。位移計算D與U.Adolph理論吻合較好，相對誤差小于10%。雖然用近似理論計算的位移與計算結(jié)果一致。用其他兩種方法，其適用性相對較低。因此，這一理論不能推廣到加速度或速度的計算中，并顯示出一定的局限性?？傊瑢τ诘退偻鶑捅?n=1/442，72和116倍/min)，隨著泵速的增加，用近似理論計算的排量值逐漸接近實驗值。ntal值和誤差從31%減小到3.3%。但是，當泵轉(zhuǎn)速提高到200次/min時，誤差增加到16%。因此，該方法適用于位移計算。在低速泵上。近似理論得到的速度和加速度值誤差較大，最小誤差達到52.5%。比較而言，參數(shù)之間的偏差用U.Adolph理論和實際測量得到的結(jié)果表明，當泵轉(zhuǎn)速增加時，泵的轉(zhuǎn)速小于10%。以上討論表明，美國Adolph方法不僅適用于低速泵也是高速泵。Adolph理論是在實際工作條件下發(fā)展起來的，可以提供更精