Узел бурового стенда

Узел бурового стенда

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: буровые стенды для исследован ия технических характеристик гидравлических двигателей и породоразрушающего бурового инструмента в процессе бурения. Сущность; размеры упругого элемента 5 и блока 4, имитирующего забой скважины, определяются из выражения, приведенного в тексте описания и формуле. При измерении повышается точность за счет учитывания влияния эксцентричности , приложения нагрузки на показания датчика.2 ил. .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)л Е 21 В 10/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4882030/03 (22) 14.11,90 (46) 15.04,93. Бюл. М 14 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт буровой техники (72) Г.Ф.Перлов и А.Б.Левина (56) Мальцев А.В, и др. Приборы и средства контроля процессов бурения, Справочное пособие, М., H, 1989, с, 28-38.

Кивва А,В, и др. Новые исследования в области совершенствования породоразрушающего и керноотборного инструмента и его отработки, Стендовые испытания пластичных смазочных композиционных антифрикционных материалов, Труды ВНИИБТ, вып, 63, М., 1987, с. 222 — 231, Изобретение относится к буровой технике; а именно к буровым стендам, на которых исследуются технические характеристики гидравлических двигателей и породоразрушающего бурового инструмента в процессе бурения.

Целью изобретения является повышение качества и точности измерения силовых параметров процесса нагружения за счет учета влияния эксцентричности нагрузки на показания датчика, Указанная цель достигается тем, что в узле бурового стенда, содержащем нагрузочный блок, вращатель, долото, размещенное под вращателем,.и блок, имитирующий забой скважины с установленным под ним комбинированным датчиком реактивного крутящего момента и осевой силы в виде упругого элемента с тензомостами, размеры упругого элемента и блока, имитирующего забой скважины, удовлетворяют соотношениям; Ы „1808959 Al (54) УЗЕЛ БУРОВОГО СТЕНДА (57) Использование: буровые стенды для исследованияия технических характеристик гидравлических двигателей и породоразрушающего бурового инструмента в процессе бурения. Сущность; размеры упругого элемента 5 и блока 4, имитирующего забой скважины, определяются из выражения, приведенного в тексте описания и формуле. При измерении повышается точность за счет учитывания влияния эксцентричности.приложения нагрузки на показания датчика. 2 ил.

0(Н- Ь)(0,4d ((1 + — 1 )

05а4+г 6 Н+" 1) Sä <05d

d (1+ — — 1)

6400 сР

Н» Cb, где d — диаметр внутренней поверхности упругого элемента, см; д- толщина стенки упругого элемента, см;

h — высота упругого элемента, см;

Н вЂ” высота блока, имитирующего забой скважины, см;

0 — диаметр блока, имитирующего забой скважины, см.

На фиг.1 изображен узел бурового стенда, общий вид; на фиг.2 — схема нагружения измерительного упругого элемента.

Узел бурового стенда включает нагрузочный блок 1, вращатель 2, долото или секцию долота 3, блок, имитирующий забой

1808959 скважины 4, комбинированный датчик реактивного крутящего момента и осевой силы с упругим элементом 5, с установленными на нем тенэомостами 6 и 7.

На схеме нагружения упругого элемента изображены вертикальная составляюЩая . P и горизонтальная Q результирующего вектора сил, действующих от долота на блок высотой Н и диаметром D, Расстояние от оси долота до точки приложения силы на поверхности забоя — . Блок породы действует на измерительный упругий элемент 5 с высотой рабочей части Н, внутренним диаметром D и толщиной стенки К на внутренней боковой поверхности которого наклеены измерительные тензомосты осевой силы 6 и реактивного момента 7, Через

Z обозначено текущее расстояние от основания датчика до рассматриваемого поперечного сечения его. 20

Узел бурового стенда работает следующим образом. Нагрузка от нагрузочного блока и момент от вращателя передаются на долото или секцию долота, заставляя его, вращаясь, внедряться в блок, имитирующий забой скважины. При вращении долота перемещается точка приложения результирующего осевого усилия Р, представляющего собой сумму сил, действующих на каждый зубок долота. Результирующая сила не про- З0 ходит через ось долота, а имеет эксцентриситет "е", поэтому она создает изгибающий момент, действующий на блок и упругий измерительный элемент (передается на рабочую часть измерительного элемента через З5 крепежные болты и шпонку). Вследствие косого изгиба в упругом элементе возникают перерезывающие силы с суммарным модулем Q, вызывающие касательные напряжения. Эти напряжения достигают 40 наибольшего значения в сечении, совпадающем с,нейтральной осью, где они для балок круглого сечения равны

4Q

ЗР 45 при F =лд(б+д)- площадь поперечного сечения цилиндра. Так как точка приложения силы Р перемещается, то меняется и положение нейтральной оси. Если в некото- 50 рый момент времени нейтральная плоскость пройдет через датчик тензомоста, он покажет суммарный сигнал, соответствующий касательному напряжению

55 г = Ткр + визг

Md где r„p = —..— — напряжение кручения, 2 tp ерез, = ((с1 +1)4 - б4) обозначен полярный момент инерции поперечного сечения, Здесыкр является полезным сигналом, а t< i — помехой, искажающей показание, соответствующее действительному значению момента. Сила 0 может возникнуть и в связи с отклонениями вгоризонтальном направлении и колебаниями металлического забоя, ослаблениями соединений, наличием не нулевой результирующей горизонтальной силы сопротивления движению долота со страны забоя.

Преобразователь момента должен обладать малой чувствительностью к возникновению перерезывающих сил, создающих помехи при измерении моментов. В то же время он должен быть достаточно чувствительным, чтобы фиксировать малые деформации сдвига и сжатия, т.е. соответствовать заданной точности измерения Р и М, При измерении продольной нагрузки сжатия Р, преобразователь не должен давать искажений при наличии эксцентриситета "е" вследствие действия изгибающего момента.

Все. вышесказанное требует выполнения определенных соотношений между размерами преобразователя и блока, имитирующего забой скважины, чтобы получить качественные и точные значения измеряемых силовых параметров процесса нагружения при переменном во времени эксцентричном положении точки приложения осевой силы на забое.

Далее устанавливаются соотношения размеров устройства, определяемые физической сущностью изобретения, На соотношение д и б накладываются ограничения, связанные с современными возможностями измерений, с одной стороны, и требованием незначимости искажения сигнала, с другой стороны, т.е.

Mmin d e (кр )min =

2Ip ("- "" 3 Е

4 Qmax где т — чувствительность измерений по сдвиговым напряжениям, соответствует наименьшему электрическому сигналу, дифференцируемому измерительными устройствами.

Современные средства регистрации электрического сигнала (например, цифровые вольтметры В7-28 и т,п.) имеют цену деления 10 мкв = 10 в, поэтому чувстви-5 тельность измерений Л ifmi должна быть не ниже цены деления Л Umi = 10 в, 1808959

Величина сигнала тензомоста крутящего момента, имеющего четыре рабочих плеча

Так как прогибы балки малы, можно заменить tgPmaxL = РваА, тогда, учитывая, что

2 2 Ртах

Pmax =, а евах-О/2, где 0-диаметр р блока породы, получим

ЬU= UKhg

Р2

Отах 01

Р (визг )max — т

Теперь из условия ((r„„p }тах получим

d" 2Г

Ip Мтв

О а ЗЕ 7Ф

4 Рвах

Ле= — (0> -vm-) — — o=

1 «1+v тх 15

Е Е 26 а d) -4 3 () t Ыбх10 1/см, При обычно используемом напряженйи .. ) > <7,9х10 1/см питания порядка 10 в получаем - 3,8 . Р кгс/см .

Рассчитаем наибольшую перерезываю- Упростим эти неравенства. Так как Ip щую силу Qmax Для . этого систему 35 ду((С3+2д) — о ) F =xD(d +д) то

: блок+датчик рассмотрим как балку, подвергнутую косому внецентренному сжатию; Иэ- обозначив t - д/d u U -, получим

2 гибающий момент в сечении, находящемся на расстоянии Z от основания датчика

-4 1! 3,40

М = -p(f + е - y(z)) 1 — прогиб на верхем конце,у(г)=(f+е)(1

- cospz) — прогиб в сечении с координатой z, р

2р

Е Ip

Перереэывающая сила. определяется

2,4х10 1/см

Обратные величины:

d((1+2t) -1)<.0,64х10 см

d ((1 + 2t)" - 1)t(t+ 1) ) 0,42х10 cM

50 как

Q = = Pp(f+e) sin Рг

«dM

Отсюда бзр + 2t) -1) < 064Ä10 см

dh(t+ 1) 0,66xU см.

Из пе го соотношения получаем з +1 1)д (1)

Иэ второго, решая квадратное неравенство, получим

Наибольшая сила Q будет при 2- L, где

L — высота датчика вместе с блоком, L = Н+

h, Qmax = Pp(f +å)s!nð(Учитывая, что наибольший прогиб рае 1-cos рЦ е вен

cos pL cos pL, а f+e= получим

Qmax = Ртах Рвах етах 19Рвах где 0 — напряжение питания, К вЂ” тензочувствительность, Ле — деформация тензодатчика.

При расположении датчиков для изме- 10 рения крутящего момента под углом 45О к направлению кручения они регистрируют главные нормальные деформации: где crI, с — главные нормальные напряжения при кручении, причем

Е 20 г — = <г! = 02 — têð 1+v

=26

Е, 1 — модули Юнга и Пуассона, а 6— модуль сдвига материала упругого элемента .(G — 800000 кгсlсм для стали).

Для большинства стандартных тензо- 25 датчиков К = 2, поэтому

Чтобы крутящий момент измерялся с точностью до 10 кгм, максимальная измеряемая нагрузка на долото с учетом динамики должна быть Раах - 40000 кгс. Модуль упругости 2,1 10 кгсlсм .

Учитывая, что r -0,8 кгсlсм, MmIn10

3fC г кгм, Рвах = 40000 кгс получим

1808959

U 3

t >0,5(1 + 2,6.— — 1)„. (2)

Учитывая, что ((1 + 2й) - 1)-8ф+ 1)(22+

+2t+ 1) получим соотношение для U 5

dU(d + 1,32U) < 1200. . Решая это квадратное относительно U неравенство получим

О<0,4d(+ -1)...

6300 о. (3) 30

1< 0,5(Ч+, -1)... (4)

Сравнивая соотношения (1) и (4) получим, что для всех d ч- +1 < 1+ —, 35

)6400 поэтому необходимо выполнить.соотношение (1), тогда соотношение (4) будет заведомо выполнено..

Итак из (1), (2), (3) получаем 40

D(H+h)< 0,4d ((1 + — — 1 ) ,з

054ф+26 — —.— 1) дЫ056

d ((э4Ж ) Относительно высоты Н блока, имитирующего забой скважины, установлено сле- 50 дующее. Высота эта должна быть достаточно большой, чтобы снять влияние неравномерного характера приложения сил на поверхности забоя на распределение напряжений на нижнем основания блока, че- 55 рез которое нагрузка и момент передаются

На толщину стенки должно быть наложено еще одно ограничение, обуславливающее достаточную величину сигнала при измерении малых осевых нагрузок:

Pmln (FE откуда

c(1+ ) ",",, 20 же Ed где P(11 (1 — наименьшая, подлежащая измерению; осевая сила, )< е — чувствительность измерений по осевым деформациям. При ЛЧп)(1-10 в имеем 25 . я =10 Потребуем, чтобы осевая силаизмерялась с точностью до Pmi1) = 500. кгс. Получим соотношение для д на измерительный упругий элемент. Только в этом случае можно использовать так называемый "принцип Сен-Венана", позволяющий на удалении от граничной поверхности порядка характерного размера поперечного сечения блока заменять силы, действующие йа этой граничной поверхности, главным . вектором и главным моментом и считать распределение напряжений однородным по высоте, Поэтому необходимо, чтобы выполнялось условие

H>D/2

Техническим преимуществом предлагаемого узла бурового стенда является возможность точного измерения силовых параметров момента и нагрузки — непосредственно под долотом на одном измерительном упругом элементе в неискаженном виде.

Общественно полезным преимуществом заявляемого узла является повышение надежности и точности измерений, упрощение процесса испытаний.

Формула изобретения

- Узел бурового стенда, содержащий нагрузочный блок, соединенный с нагрузочным блоком вращатель, связанное с вращателем долото, установленный под долотом комбинированный датчик реактивного крутящего момента и осевой силы в виде упругого элемента с тензомостами и блок, имитирующий забой, расположенный на уп-. ругом элементе, отличающийся тем, что, с целью повышения качества и точности измерения силовых параметров процесса нагружения путем учета влияния эксцентричности приложения нагрузки на показания датчика, размеры упругого элемента и блока, имитирующего забой скважины, определяются из выражений

D(H+h)< 0,4d ((1+ — — 1 )

„з

05d(11+26 1)<0<056 о

+ — 3 — 1)

H Eb, где d — диаметр внутренней поверхности упругого элемента, см; д- толщина стенки упругого элемента, см;

h — высота упругого эт)емента, см;

Н вЂ” высота блока, см;

0 — диаметр блока, см.

1808959

Фиг. 3

Составитель Г.Перлов

Техред М,Моргентал

Корректор О.Кравцова

Р.едактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1262 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и оТкрытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская йаб., 4/5