Узел бурового стенда

Узел бурового стенда

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Назначение: изобретение относится к буровой технике, а именно к буровым стендам , на которых исследуются технические характеристики гидравлических двигателей и породоразрушающего бурового инструмента в процессе бурения. Сущность изобретения: узел бурового стенда включает нагрузочное устройство, вращатель, упругий элемент, размещенный в корпусе и имеющий центральную часть, фланцы, рабочие тензорезисторы моста давления, балансные тензорезисторы 8 моста давления, тензорезисторы моста крутящего момента и осевого усилия, долото. При этом тензомосты для измерения осевой силы, крутящего момента и давления промывочной жидкости размещены на одном упругом элементе. Рабочие тензорезисторы тензомоста измерения давления промывочной жидкости установлены в широтном направлении в центральной части упругого элемента, а балансные - также в широтном направлении на расстоянии от одного из фланцев, определяемом соотношением /X lЈ 0,2 (d- д ). Толщину стенки упругого элемента и его длину L выбирают из соотношения 0,01dЈ 6$ 0,1d, L 4,2 (d - 5), где d - номинальный наружный диаметр упругого элемента, мм; ррадиус скругления от поверхности упругого элемента к фланцу, мм. 4 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (!9) (1() (s()s Е 21 В 10/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) б

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4896465/03 (22) 25.12.90 (46) 15.04.93. Бюл, М 14 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт буровой техники (72) Г.Ф.Перлов, А.Б.Левина и Г.П.чайковский (56) А.В.Мальцев, Л.М,Дюков Приборы и средства контроля процессов бурения, справочное пособие, М.: Недра, 1989.

Комплекс стендовый измерительный

БШ-145, техническое описание и инструк,ция по эксплуатации БШ-145-000. Т. М., ВНИИБТ, 1990, с. 8, (54) УЗЕЛ БУРОВОГО СТЕНДА

1 (57) Назначение: изобретение относится к буровой технике, а именно к буровым стендам, на которых исследуются технические характеристики гидравлических двигателей и породоразрушающего бурового инструмента в процессе бурения. Сущность изобретения: узел бурового стенда включает нагрузочное устройство, вращатель, упруИзобретение относится к области буроboA техники, а именно к буровым стендам, на которых исследуются технические характеристики гидравлических двигателей и породоразрушающего бурового инструмента в процессе бурения.

Целью изобретения является повышение точности и качества измерения силовых параметров процесса бурения за счет ком*енсации влияния давления промывочной жидкости и упрощение конструкции узла.

На фиг.1 изображен узел бурового стенда в сборе; на фиг.2 — упругий элемент в корпусе с наклеенными на него тензодатчиками; на фиг.3 — схема наклейки тензомогий элемент, размещенный в корпусе и имеющий центральную часть, фланцы, рабочие тензорезисторы моста давления, балансные тензорезисторы 8 моста давления, тензорезисторы моста крутящего момента и осевого усилия, долото. При этом тензомосты для . измерения осевой силы, крутящего момента и давления промывочной жидкости размещены на одном упругом элементе. Рабочие тензорезисторы тензомоста измерения давления промывочной жидкости установлены в широтном направлении в центральной части упругого элемента, а балансные — также в широтном направлении на расстоянии! от одного из фланцев, определяемом соотношением p< l< 0,2 (d- д ). Толщину стенки упругого элемента и его длину L выбирают из соотношения 0,01d< д< 0,1d, 1 ) 4,2 (d— д), где б — номинальный наружный диаметр упругого элемента, мм; р- радиус скругления от поверхности упругого элемента к фланцу, мм. 4 ил, стов момента, осевого усилия и давления; на фиг.4 — электрическая схема компенсации влияния давления на сигнал осевой нагруз ки, Узел бурового стенда включает нагрузочное устройство 1, вращатель 2, упругий элемент 3. размещенный в корпусе 4 и имеющий центральную часть 5, подвергнутую выпучиванию при действии внутреннего давления (усилено на чертеже), фланцы 6, рабочие тензореэисторы моста давления 7, балансные-моста давления 8, тензорезисторы моста крутящего момента 9 и осевого усилия 10, долото 11, На схеме наклейки измерительных мостов (фиг.2) В i. Вр...Вл—

1808960 тензорезисторы полного моста крутящего момента, в плечах которого размещено по 2 рабочих датчика, 89, 810...816 — тензорезисторы полного моста осевой нагрузки, в плечах которого размещено по 2 датчика, причем резисторы 89, 810, 815, 816 — рабочие, Â11, 812, 813, 814 — балансные; Вп, 81в...824 — тензорезисторы полного моста давления, в плечах которого размещено по2датчика, причем резисторы 816, 817, 823, 824— рабочие, 818, 819, 820, 821 — балансные.

На фиг,4 изображена электрическая схема измерений и компенсации, описываемая ниже. На ней G, P u M — соответственно полные тензомосты осевого усилия, давления и момента, ДА1, ДА2, ДАЗ вЂ” соответствующие им измерительные усилители постоянного тока R28, R31 делители напряжения, ДА4- усилитель компенсации давления промывочной жидкости.

Узел бурового стенда работает следующим образом. При нагрузки.нэ долото и жидкости в гидравлическую систему промывки происходит деформирование упругого элемента, причем осевое деформирование происходит как за счет действия осевой нагрузки, равной искомой нагрузке на долото, так и за счет. действия внутреннего давления, а также за счет растягивающих усилий, возникающих при наличии перепада давления на долото, при этом соответствующие деформации равны; рос

Ел(Й-6), 2vp г ед - EN жЕ(г — r3) где я ж — деформация сжатия от действия силы, равной осевой нагрузкй на долото, г oc е - деформация сжатия вдоль оси упругого элемента от расширяющего действия внутреннего давления, Р;. раст — деформация растяжения, возникающая от растягивающего действия внутреннего давления на колонну при полном или частичном перекрытии промывочных каналов долота, т;е. при возникновении растягивающей силы противодавления N;

N = р S S — величина перекрытия сечеУ ния.

Максимальные растягивающие усилия противодавления возникают при полностью перекрытом внутреннем сечении буровой колонны: того, чтобы связь между действующим давлением и деформациями оставалась линейной (необходимое условие работы измерительных тензомостов, основанных на измерении силовых величин с помощью электрических) необходимо ограничить снизу величину д .условиями, накладываемыми в лйнейной моментной теории оболочек, на величину деформаций: прогибы должны быть не больше толщины стенки упругого элемента.

При выполнении этого условия трубча30

35 тый упругий элемент может быть представлен в расчетах состоящим из упругих балок-полосок, вырезанных в меридиональном направлении, прогиб которых описывается уравнением:

Ед

DW + W=р

ЧЧ вЂ” прогиб, д — толщина стенки,r— средний радиус трубчатого упругого элеd — д

50 мента, г-, Š— модуль Юнга, — коэффициент Пуассона материала элемента, 0— цилиндрическая жесткость, дз, р — внутреннее давление.

12 (1 — Р)

55

Решение этого уравнения дает зависимость для определения прогиба и деформации в широтном направлении в разных сечениях Е; - Р гг

Из 3 составляющих осевого сигнала, соответствующего суммарной осевой деформации

Еос = Есж + Ег + раст только первый является полезным, отвечающим реальной нагрузке на долото, а остальные искажают полезный сигнал.

Для измерения давления в чистом виде, а также для определения путем компенсации неискаженного давлением сигнала осевой нагрузки, размещают на упругом элементе тензомост давления, тензорезисторы плеч которого наклеены на участках

"5 упругого элемента. При этом используется эффект выпучивания, состоящий в следующем: при действии внутреннего давления центральная часть упругого элемента осесимметрично выгибается в радиальном направлении, в то время как концевые его части удерживаются массивными фланцами, вследствие чего возникают краевые моменты и перерезывающие силы.

Выпучивание тем больше, чем тоньше стенка упругого элемента. 8 то же время для

1808960 (e)min 10 6 — минимальная деформация, которую возможно регистрировать.

Чтобы давление измерялось с точностью до 1 кг/см максимальная деформация б при этом давлении в центральной части упругого элемента должна не менее, чем в 2 раза превосходить чувствительность, т.е, " e®><(p=1)=(2,1 10 д/г ) >2 10" отсюда д/г ;

0 — О

>0 41/4,2 или, учитывая, что г - получим соотношение (правая часть) р где а - .. Z — расстояние от

1i6/r фланца до сечения трубы.

Величина е линейно зависит or р, что позволяет использовать ее для измерения давления.

Приэтомemg =e(0) =0; e(—

2Р ЕЗ

Если датчики разместить на поверхности упругого элемента диаметра 01, to он будут находиться в одинаковых условиях и растяжению, сжатию и кручению, Тогда, по местив рабочие датчики в широтном н правлении там, гДе е — наибольшее, балансные — там, где 8 — наименьшее, по учим сигнал, пропорциональный разност деформаций

16 о а20 и

" 25

Зд

-аl

A e = embox - е (! ) = ф- е, . (cosal+l, + з!и al ) Величина сигнала тензомоста с 2-мя рабочими и 2-мя балансными датчиками

ЛЧ=> КЛе

V здесь l — расстояние от фланца до места наклейки балансных датчиков, V- напряжение питания, К - тензочувствительность.

Для большинства стандартных тензодатчиков К = 2, поэтому д >0,01 0

Итак: 0,01 0„- д. < 0.01

На величину l расстояния от фланцевдо места наклейки балансных датчиков тензомоста накладываются ограничения, состоящие в следующем. С одной стороны, чем меньше 1, тем больше be, следовательно, измеряемый сигнал Ж/. С другой стороны, для уменьшения концентрации напряжений исполняется плавная переходная часть(гал45 тель) от упругого элемента к фланцу и дат.чики надо клеить на достаточном расстоянии от фланца,.чтобы, во-первых, концентрация напряжений не искажала по- . казания и чтобы, во-вторых, балансные дат0 чики помещялись не на переходной части, а на поверхности упругогг. злемента диаметра d, где они находятся в одинаковых условиях с рабочими при растяжении. сжатии и кручении, поэтому необходимо выполнить

55 условие:

1. >р, где р — радиус галтели..

Деформация в месте наклейки балансных датчиков должна быть достаточно мала, т.е. Учитывая специфику описываемого объЛЧ=Ч be

Далее устанавливаются соотношения размеров устройства и места наклейки плеч тензомоста давления, определяемые физи. ческой сущностью изобретения.

На величину д толщины стенки ynpyrolo элемента накладываются ограничения, связанные с современными возможностями измерений, с одной стороны, и требованием линейности связи деформаций и действующих напряжений, с другой стороны, Современные средства регистрации электрического сигнала (например, цифровые вольтметры В7 — 28 и т.п.) имеют цену деления 10 мкв = 10 в, поэтому чувствительность измерений должна быть не ниже цены деления (bV)min = Ч(е) ь < 10 5. следовательно, при обычно используемом напряжении питания порядка 10 в получаем

W (z) =лб- -(1-e к(з!п az+coz ez)) г

e(z) = — = -д(1-е (61п az+coa az))

W nr

6<0,1 d юг

Условие линейности связи между давлением и электрическим сигналом, как уже указывалось, требует выполнения cooTHo" шения д> Ф/зуу х(толщина стенки больше максимального прогиба), т.е.

Pmax г

Еб откуда, преобразовав, получим d /г >4вех/E

Максимальная измеряемая величина давления pox определяется максимальным давлением нагнетания бурового раствора в стендовых и промысловых условиях pmax-500 кг/см .

При рпуэх500кг/см и Е =2,110 кг/см 2 6 2 д/г > 0,02 и, соответственно, получим соотношение (левая часть) 1808960 екта и цель изобретения, не должна превосходить половины максимального сигнала рабочих датчиков при любом давлении я(! ) =- =, -, — t1-е (з1п al+cos а1))(P

- 0 5 Еу-,тг

Отсюда 1 (slna t + cosal) > 0,5

Расчет функции f(x) = е "(зlпх+ cosx) sinx 1-х f(x)

0,717 0,449 0,635

0,783 0407 0,572

0,831 0,375 0,521

0,841 0,368 0,508

0,847 0,364 0,502 х .cosx

0,8 0,697

0,9 0,622

0,98 0,557

1,00 0,540

1,0) 0,532

Итак, f(x > 0,5 и и х < 1,01, т.е. а1< 1,01.

Так как at = - -1 +-. а для всех матеъ/л .2 1 риалов 0

Г1,30, и можно несколько усилить неравенст во (1,3/ VB /r r) (1,01 откуда!/г< 0,78

° v87r =1,1

Учитывая полученные ранее соотношения для д /d, получим отсюда I/

=1 /2) был максимальным, т.е. чтобы величина е (L/2) отличалась от явах при максимальном давлении рвах не больше, чем на а вь, что приводит к условию:

L --„ -,-„- е /з1п а — + соз à y/K авил рвах 2 L 1 или

Е t. е, Учитывая, чтО арпа-+cosa-/<2,д/г>

2

>0,016 поставим усиленное условие на длину

2 Рвах

L ynpyroro элемента е 2 р pp8

Kmtn что при ранее установленных значениях

Р

L е 2 " /з1па1 «-соза / рвах = 500 кг/см, fm(n = 10 и Е = 2,1 106

2 кг/см дает условие

> 29762, а — > 10,3

2 L

Учитывая, что а1=-- Ц-1-==- -Ф вЂ” полЛ/r r

L учим — 20,6 и усилим нера3(1 — )

10й венство, использовав условия Уд/r 0,488 ° 3(1 -7): 1,22 1./r>8,24 соответственно, получаем третье заявляемое соотношение

1 Ъ4.2(d — д)

В многокомпонентном комбинированном первичном преобразователе крутящего момента осевой нагрузки и давления про-, -мывочной жидкости влиянию давления промывочной жидкости подвержен только

20 параметр осевой нагрузки из-за специфического расположения на упругом элементе

< этого преобразователя рабочих тензорезисторов полного тензомоста осевой нагрузки.

° 25 . Принципиальная электрическая схема компенсации влияния давления промывочной жидкости на параметр осевой нагрузки приведена на фиг.4.

Исследуемые электрические сигналы с

30 тензометрических мостов осевой нагрузки

G (тензорезисторы R1,...,R4) и давления промывочной жидкости (тензорезисторы

R5,; R8) подаются на входы нормирующих измерительных усилителей постоянного.то35 ка, выполненных на микросхемах ДА1 и

ДА2,, усиливафтся и через делители напря= жения R28, В51соответственно подаются на инвертирующий и неинвертирующий входы микросхемы ДА4. Электрический сигнал, 40 поступающий с тензомоста осевой нагрузки содержит- составляющие осевой нагрузки и давления промывочной жидкости, а с моста давления промывочной жидкости — только давление. Благодаря дифференциальному

45 включению сигналов на входе микросхемы

ДА4 и происходит компенсация составляющей сигнала давления промывочной жидкости.

Подготовка электронной аппаратуры к компенсации составляющей сигнала — давление промывочной жидкости осуществляется следующим образом.

Комбинированный преобразователь, не находящийся под давлением промывочной

55 жидкости, нагружают заданным значением осевой нагрузки и путем регулировки делителя напряжения R28 выбирают необходимый коэффициент передачи по напряжению и производят тврировку канала осевой на10

1808960

ФиаZ

Il8 грузки, Делитель напряжения R31 при этом установлен в нулевое положение, В ненагруженный осевой силой преобразователь подается промывочная жидкость и создается в нем ее такое же давление, которое будет поддерживаться при проведении эксперимента в процессе бурения. После чего движок делителя напряжения R31 устанавливают в такое положение, когда выходной сигнал на выходе микросхемы ДА4 не станет равным нулю.

Усиление сигнала с тензомоста крутящего момента производится обычным путем, а помощью измерительного усилителя. постоянного тора, выполненного на микросхеме ДАЗ.

Формула изобретения

Узел бурового стенда, содержащий нагрузочное устройство, вращатель, долото и корпус с установленным в нем измерительным упругим элементом, оснащенным фланцем и установленными на нем тензомостами для измерения крутящего момента и осевой силы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и качества измерения силовых параметров процесса бурения за счет компенсации влияния давления промывочной жидкости и упрощения конструкции узла, он снабжен тензометри5 ческим датчиком давления промывочной жидкости, тензомосты которого размещены на упругом элементе, причем рабочие темзорезисторы тенэомоста измерения давления промывочной жидкости установлены в

10 широтном направлении в центральной части упругого элемента, а балансные — в широтном направлении на расстоянии I от одного из фланцев, определяемом соотношением

p < I < 0,2 (d — д) где d — номинальный наружный диаметр упругого элемента, мм; р- радиус скругления от поверхности

20 упругого элемента к фланцу, мм, при.этом толщину стенки упругого элемента д и его длину L выбирают из соотношений

001d <д< О,И;

1 >4,2(б — ф

\

1808960

1808960

g2Z

+12В

Вмх

+t28

Составитель В.Водопьян

Техред М.Моргентал Корректор,Т.Вашкович

Редактор

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

Заказ 1262 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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