专利名称：石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种摩擦学试验装置，主要模拟石油钻井过程中深井段钻杆接头与套管之间的磨损状况，钻杆接头为钢性圆柱状杆件，套管为有一定壁厚的圆形钢管，在钻进过程中钻杆在套管内部绕自己的轴心旋转的同时在径向发生对套管内壁的冲击。本试验机用以模拟钻杆与套管间的这种相对运动，为研究在此工作状况下的套管与钻杆磨损提供手段。另外本试验机也可用于模拟其他类似情况的摩擦学系统，尤其是摩擦学试验领域中冲击滑动复合工况条件或者介质情况下的磨损试验。
背景技术：
目前用于评价冲击-滑动复合工况条件或者介质情况下的石油钻杆与套管材料耐磨性试验手段，主要有利用加有振动装置的销盘试验机、凸轮或曲轴驱动的往复冲击磨损试验机、摆杆加载的脉动冲击磨损试验机以及各种润滑试验仪。
(1)销盘试验机原理及特点销盘试验机是利用一个静止的销状试件加压后贴近一个旋转的圆盘试件来实现对材料摩擦和磨损性能测定的。该试验机因简单易行，成为最普遍采用的一种摩擦学试验方法。通过改进后也可以进行有润滑介质情况下的小振动磨损试验。因试验机尺寸很小，所以试件尺寸很小、冲击力小、不能模拟复杂工况试验。
(2)往复冲击磨损试验机往复冲击磨损试验机是由电机带动曲轴旋转，从而实现第一试件在第二试件内腔的往复运动。本试验机可以较好地模拟活塞缸套间的相对运动，不能更广泛地模拟其它摩擦系统。试验机不足是无介质循环，模拟工况简单，适用范围窄。
(3)脉动冲击磨损试验机脉动冲击磨损试验机使用偏心机构产生激振力，通过杠杆传送到旋转试件上，可以实现较大的冲击力，但冲击形式单一不能调整，没有润滑介质。
(4)Maurer公司套管磨损试验机如图5所示，Maurer公司专门针对钻杆与套管的磨损研制了一种试验机，工具接头试样1’由一台电动机驱动做旋转运动，套管试样2’安装在一个气囊随动装置上可做小幅纵向摆动从而实现对井斜的模拟，在该装置下装有一个杠杆加载机构，由一个气压泵3’驱动实现加载。钻井液4’通过泥浆泵由管道输送到套管与接头接触表面。试验时的接触力大小和套管2’与接头1’的磨损量，通过计算机控制由分别安装在加载机构上的接触力传感器5’以及接头试样1’表面上的工具接头磨损传感器6’和加载铰支点处的套管磨损传感器7’进行实时采集。
Maurer试验机有较好的检测系统，但是该试验机只能够模拟静载作用下的滑动磨损工作状况，不能针对深井、超深井下部的横向振动引起的冲击滑动复合磨损工况开展相关研究。
有鉴于上述公知磨损试验机存在的缺陷，本设计人为解决上述公知技术存在的问题，乃决心凭其从事本领域多年研发、制造的经验，经多次的开发研究后终于获得本实用新型的石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机，其可完全克服上述公知试验机的缺陷。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是针对目前的磨损试验机不能满足循环介质条件下研究石油钻井钻杆与套管之间冲击滑动复合磨损试验的要求，提供一种专用的冲击滑动磨损试验机，它可以很好地对不同的大尺寸材料在各种介质循环条件下的石油钻井钻杆与套管冲击滑动复合摩擦磨损进行系统研究，为石油钻杆和套管磨损研究提供新的试验手段。
本实用新型的技术解决方案是一种石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机，其包括装夹系统、传动系统及激振系统，其中，所述装夹系统固定夹持管状试件，所述传动系统的一端对应该所述管状试件装设有杆状试件，所述传动系统驱动该杆状试件绕轴心旋转，所述激振系统向所述杆状试件提供径向的冲击力，驱动该杆状试件在旋转的同时冲击固定在装夹系统上的管状试件，实现复合的冲击滑动摩擦，并通过摩擦将扭矩传递给杆状试件。
如上所述的石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机，其中所述传动系统由调速电机、主皮带轮、皮带、从皮带轮、传动轴组成，所述传动轴由三段组成，前两段轴固定安装有轴承，以传递由调速电机、主皮带轮、皮带、从皮带轮产生的扭矩；第三段轴是试验轴，其靠近第二段轴的左端由调心球轴承固定，中间由一浮动的轴承支撑，右端安装第二试件，该第三段轴形成一摆轴，此摆轴在所述激振系统的冲击力作用下可在图纸平面内以所述调心球轴承为圆心摆动。
如上所述的石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机，其中所述激振系统由激振控制器、激振器、激振杆、滚轮组件及扶持机构组成，该激振器为试验轴的径向冲击力来源，激振控制器用于调整激振参数，实现复杂振动，所述扶持机构包括用于安装该激振器的上部平台和用于限制激振杆横向运动的激振杆杆套，该扶持机构与机架固定在一起，所述滚轮组件由支架、滚轮和滚轮轴组成，所述支架上端对应设置于该激振杆下端，所述滚轮与试验轴的轴套保持滚动接触状态。
如上所述的石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机，还包括一回复系统，该回复系统为一可上下移动的弹性回复系统，其装设于与激振系统相对的传动轴的另一方位，包括上固定板、稳定柱、弹簧组和下固定板，上固定板用来安装所述浮动的轴承，下固定板固定在机架上，每组稳定柱由上下两根组成，上根稳定柱的下部相当于活塞，下根稳定柱相当于缸套，形成可上下滑动的配合，该传动轴借由弹簧组的弹力回复原位时，四根弹簧内部的四组稳定柱构成滑动轨道以保证试验轴上下滑动的稳定性。
如上所述的石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机，还包括一循环系统，由泵、阀组、流量计、搅拌器组成，该循环系统构成流量可调的多相介质润滑系统，给磨损试验机提供不同流动介质的润滑条件，流量计用于在线检测流量，泥浆池里安装有搅拌器，维持固相分散体系性能。
如上所述的石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机，所述管状试件的上端装夹系统上安装有位移传感器，以在线检测试验管和试验杆总的线性磨损度；在回复系统的下端安装传动轴轴心偏移传感器，在线检测轴线偏移量。
如上所述的石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机，还包括一检测控制系统，且该检测控制系统由检测和控制两部分组成，检测部分用于实现对试验数据的在线检测；控制部分用于对试验机的运行参数进行实时控制。
本实用新型的特点和优点是本试验机可以实现多相循环润滑介质条件下可控冲击加载类型的冲击滑动复合工作状况的杆管摩擦和磨损研究。它不仅能够实现流量可调、成分可变的多相介质循环，而且为冲击大小可调、波型可控制的复杂冲击，同时可在线检测摩擦力、冲击力、冲击频率、磨损量等参数，并由计算机自动控制。总之，积极应用先进科学技术开发的本试验机为钻井钻杆套管磨损及摩擦学研究提供了全新的手段，必将为钻井钻杆套管磨损以及摩擦学的研究做出巨大的贡献。
图1为本实用新型的石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机的总体结构示意图；图2A、图2B为本实用新型的石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机的装夹系统的结构示意图；图3为本实用新型的石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机的检测与控制系统的示意图；图4为本实用新型的石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机的循环系统的示意图。
图5为Maurer公司研制的钻杆与套管磨损试验机的示意图。
附图标号说明1、装夹系统 2、传动系统3、激振系统4、回复系统 5、循环系统6、检测与控制系统10、套管试件20、钻杆试件 11、套管夹持器12、压力测定杆 13、铰支座 14、冲击力传感器21、调速电机22、主皮带轮 23、皮带24、从皮带轮25、传动轴 251、第一段传动轴252、第二段传动轴 253、第三段传动轴 26、扭矩传感器27、万向节 31、激振器 32、扶持机构33、激振杆 34、滚轮组件 35、圆形底座36、平台38、激振杆杆套 41、上固定板42、稳定柱 43、弹簧 44、下固定板61、动载荷作用点62、静载荷作用点具体实施方式
下面配合附图及具体实施例对本实用新型的具体实施方式
作进一步的详细说明。
如图所示，本实用新型提出的石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机，包括装夹系统1、传动系统2及激振系统3，其中，所述装夹系统1固定夹持第一试件，所述传动系统2的一端对应该第一试件装设有第二试件，所述传动系统2驱动该第二试件绕轴心旋转，所述激振系统3向所述第二试件提供径向的冲击力，驱动该第二试件在旋转的同时冲击固定在装夹系统1上的第一试件，通过摩擦将扭矩传递给第二试件。
在本实用新型的一具体实施例中，该第一试件为一套管试件10，该第二试件为一钻杆试件20。
如图1、图2A及图2B所示，装夹系统1包括一套管夹持器11，且该套管夹持器11由一铰支座13固定于墙面及/或地面，在装夹系统上还可集成一冲击力传感器14，该夹持器11用来装夹套管试件10，冲击力传感器14实现对摩擦力和冲击力的在线测量。
如图1所示，传动系统2由调速电机21、主皮带轮22、皮带23、从皮带轮24、传动轴组成，所述传动轴的外端伸入套管试件10内，且对应该套管试件10装设有钻杆试件20，该传动轴在激振系统3的冲击力作用下可向下摆动。
在本实用新型的一具体实施例中，传动轴由三段组成前两段轴251、252固定安装有轴承281、282，以传递扭矩，第一段传动轴251与第二段传动轴252间安装有一扭矩传感器26，该扭矩传感器26的两端通过二连轴器291、292分别与第一段传动轴与第二段传动轴连接，以达到同时在线检测转速和传递扭矩的目的；在第二段传动轴251和第三段传动轴253之间通过双头万向连轴节27连接，保证传动相位一致并减少第三段传动轴253的径向振动向前段传递；第三段轴253是试验轴，其左端较佳由调心球轴承283固定，中间由浮动的轴承284支撑，右端安装该钻杆试件20，由此，使该第三段轴253形成一摆轴，此摆轴在所述激振系统3的冲击力作用下可在图纸平面内以调心球轴承283为圆心摆动，从而使该传动轴既可以旋转传递扭矩，右端还可以上下摆动。
在本实施例中，调速电机21采用调频三相异步电动机，该传动轴的扭矩由调频三相异步电动机提供，转速可以无级调整，通过V型皮带实现传递扭矩、减速和减震的作用。
激振系统3由激振控制器(图中未示出)、激振器31、激振杆33、滚轮组件34及扶持机构32组成。此处激振器31为试验轴253的径向冲击力来源，也可采用公知的多种激振器，激振控制器可使用由激振器厂家提供的激振器专用控制器(如南京东菱振动试验仪器公司ES系列激振器专用控制器)，用于调整激振参数，实现复杂振动。在本实用新型的一具体实施例中，激振器31采用南京东菱振动试验仪器公司的ES-10激振器；扶持机构32由上部平台36和激振杆杆套38组成，在安装时与机架牢固固定在一起，起到安装激振器31和限制激振杆33横向运动的作用；该激振器31的圆形底座35安装在扶持机构32上部的平台36上，圆形底座35的中心是激振器振动头，此振动头与激振杆33连接在一起；滚轮组件34由支架、滚轮和滚轮轴组成，在试验过程中滚轮始终与轴253的轴套保持滚动接触。当激振器31振动时，推动激振头和激振杆33向下周期性冲击滚轮组件34的上端支架，支架上端受到激振杆33的激振力并推动滚轮和试验轴253向下摆动；当激振杆33向上运动时，由试验机下面的回复系统4推动试验轴253向上摆动，滚轮组件被试验轴253推动上行。
本实用新型的石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机还包括一回复系统4，该回复系统4为一弹性回复系统，用于在激振系统3使传动轴(试验轴)向下摆动后提供一可使其向上移动回复原位置的弹性回复力，其装设在与激振系统4相对的传动轴的另一方向，如图1所示，该激振系统装设于传动轴的上方，则该回复系统装设于传动轴253的下方。该回复系统包括上固定板41、稳定柱42、弹簧组43和下固定板44，上固定板41用来安装该浮动的轴承284，下固定板44固定在机架上，弹簧组43可相应套设于稳定柱42上，本实施例中包括四组稳定柱42及四组弹簧，且每组稳定柱由上下两根组成，上根稳定柱的下部相当于活塞，下根稳定柱相当于缸套，形成可上下滑动的配合，该传动轴借由弹簧组的弹力回复原位时，四根弹簧内部的四组稳定柱构成滑动轨道以保证试验轴上下滑动的稳定性。当然，该稳定柱42有多种实施方式，如在另一具体实施例中，该稳定柱42包括上下两部分，其中，下部稳定柱固定于下固定板44，而上部稳定柱固定于上固定板41，上固定板为一中空柱状结构，用于在传动轴向上回复时使下部稳定柱可进入上部稳定柱的空腔内，从而构成滑动的轨道保证试验轴仅做上下滑动。为了便于对试验机提供静载荷及/或动载荷，在与回复系统4相接的传动轴的浮动轴承284的轴承座上及/或激振系统3的滚轮处分别设有静载荷及/或动载荷加载点。当然，该静载荷加载点也可设于其它位置，并不仅限于此。
在本实用新型的一具体实施例中，该石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机还包括一循环系统5，如图4所示，该循环系统可由泥浆泵、阀组、流量计、搅拌器、磨屑收集器、过滤器等组成，该循环系统构成流量可调的多相介质润滑系统，给磨损试验机提供不同流动介质的润滑条件，装夹系统1的外侧可对应设置泥浆挡板58，其内侧可相应设置泥浆出口装置59，用于使所用的多相介质可循环使用，流量计用于在线检测流量，泥浆池里还安装有搅拌器，以维持固相分散体系性能。由于该循环系统所使用的各部件均为公知结构，因此，此处不再对其具体结构进行详细描述。
如图3所示，本实用新型的石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机还包括一整套检测控制系统，且该检测控制系统由检测和控制两部分组成。
检测部分包括一多通道数据采集系统，用于实现对转速、扭矩、冲击频率、冲击力、摩擦力和磨损量等试验数据的在线检测，相关的检测装置可包括一扭矩传感器26、线性磨损传感器、轴心偏移传感器、冲击力传感器14、流量计、静载传感器，其中扭矩传感器26安装在传动轴上，用于检测传动轴的转速及扭矩；线性磨损传感器实际可为一位移传感器，其安装在装夹系统1上，用于检测套管试件及钻杆试件的总的线性磨损量；轴偏移传感器安装于回复系统4的下端，用于检测试验轴的轴线偏移量；如图3所示，该冲击力传感器装设于装夹系统的下部，以在线检测实际冲击力；流量计检测循环系统5中的多相介质润滑系统的流量。多通道数据采集系统将采集到的上述试验数据转换成数字信号传送到控制部分(可为计算机)，由该控制部分通过电路实现对调速电机、激振器、水泵、电磁阀、搅拌器及磨屑收集器的实时控制，以根据检测到的试验数据及实际需要对试验机的转速、冲击频率、冲击力、冲击波形及介质流量等运行参数进行适当的调整。
所述装夹系统1的底部装有调节装置，以按试验的要求适当地调整杆状试件和管状试件的间隙，满足不同试验条件。由于该调节装置可以公知结构来实现，此处不再赘述。
为了保证在线检测的冲击力的可靠性及真实性，该冲击力传感器可采用灵敏度高的压电力传感器，且该压电力传感器与管状试件的装夹系统1集成在一起。
本试验机可用于研究不同材料、不同介质润滑条件下的杆管相对冲击滑动磨损情况，其具体使用方法如下首先将管状试件和杆状试件安装到试验机上；调配好要使用的介质放入泥浆池中；检验并初始化各检测传感器；对试验机加静载；启动循环系统，调节到合适的流量；设置并启动调速电动机，带动试验轴旋转；设置并启动激振器，开始试验；持续试验过程，在线收集各项检测数据，在此过程中，还可根据检测数据进一步由控制部分对运行参数进行实时控制；关闭激振器；关闭调速电动机；关闭循环系统；拆卸试件；测量两个试件的实际线性磨损量。
在本实用新型的一具体实施例中，所用到的钻杆试件直径为168mm，轴向宽度8～40mm，套管试件直径244.5mm，轴向宽度80mm，壁厚10mm。试件上可加的静载荷最大值8000N，激振器最大激振力8000N，主轴转速可调范围60～200转/分钟，循环泥浆排量1.0方/小时以上。下表(表1)为本实用新型与公知的各种类型的磨损试验机的各项参数的比较表1 各类型试验机比较列表
虽然本实用新型已利用前述具体实施例详细揭示，然其并非用以限定本实用新型，任何熟习此技艺者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与修改，因此本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
权利要求1.一种石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机，其特征在于包括装夹系统、传动系统及激振系统，其中，所述装夹系统固定夹持管状试件，所述传动系统的一端对应该所述管状试件装设有杆状试件，所述传动系统驱动该杆状试件绕轴心旋转，所述激振系统向所述杆状试件提供径向的冲击力，驱动该杆状试件在旋转的同时冲击固定在装夹系统上的管状试件，实现复合的冲击滑动摩擦，并将扭矩传递给杆状试件。
2.如权利要求1所述的石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机，其特征在于所述传动系统由调速电机、主皮带轮、皮带、从皮带轮、传动轴组成，所述传动轴由三段组成，前两段轴固定安装有轴承，以传递由调速电机、主皮带轮、皮带、从皮带轮产生的扭矩；第三段轴是试验轴，其靠近第二段轴的左端由调心球轴承固定，中间由一浮动的轴承支撑，右端安装第二试件，该第三段轴形成一摆轴，此摆轴在所述激振系统的冲击力作用下可在图纸平面内以所述调心球轴承为圆心摆动地设置。
3.如权利要求1所述的石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机，其特征在于所述激振系统由激振控制器、激振器、激振杆、滚轮组件及扶持机构组成，该激振器为试验轴的径向冲击力来源，激振控制器用于调整激振参数，实现复杂振动，所述扶持机构包括用于安装该激振器的上部平台和用于限制激振杆横向运动的激振杆杆套，该扶持机构与机架固定在一起，所述滚轮组件由支架、滚轮和滚轮轴组成，所述支架上端对应设置于该激振杆下端，所述滚轮与试验轴的轴套保持滚动接触状态。
4.如权利要求2所述的石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机，其特征在于所述磨损试验机还包括一回复系统，该回复系统为一可上下移动的弹性回复系统，其装设于与激振系统相对的传动轴的另一方位，包括上固定板、稳定柱、弹簧组和下固定板，上固定板用来安装所述浮动的轴承，下固定板固定在机架上，每组稳定柱由上下两根组成，上根稳定柱的下部相当于活塞，下根稳定柱相当于缸套，形成可上下滑动的配合，该传动轴借由弹簧组的弹力回复原位时，四根弹簧内部的四组稳定柱构成滑动轨道。
5.如权利要求1所述的石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机，其特征在于所述冲击滑动磨损试验机还包括一循环系统，由泵、阀组、流量计、搅拌器组成，该循环系统构成流量可调的多相介质润滑系统，流量计用于在线检测流量，泥浆池里安装有维持固相分散体系性能的搅拌器。
6.如权利要求1所述的石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机，其特征在于所述管状试件的上端装夹系统上安装有位移传感器，以在线检测试验管和试验杆总的线性磨损度；所述回复系统的下端安装有在线检测轴线偏移量的传动轴轴心偏移传感器。
7.如权利要求1所述的石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机，其特征在于所述磨损试验机还包括一检测控制系统，且该检测控制系统包括用于实现对试验数据的在线检测的检测部分和用于对试验机的运行参数进行实时控制的控制部分。
专利摘要本实用新型公开了一种石油钻井杆管冲击滑动磨损试验机，其包括装夹系统、传动系统及激振系统，其中，所述装夹系统固定夹持管状试件，所述传动系统的一端对应该所述管状试件装设有杆状试件，所述传动系统驱动该杆状试件绕轴心旋转，所述激振系统向所述杆状试件提供径向的冲击力，驱动该杆状试件在旋转的同时冲击固定在装夹系统上的管状试件，实现复合的冲击滑动摩擦，通过摩擦将扭矩传递给杆状试件。本实用新型克服了现有磨损试验机的缺陷，可以实现多相循环润滑介质条件下可控冲击加载类型的冲击滑动复合工作状况的杆管摩擦和磨损研究，它不仅能够实现流量可调、成分可变的多相介质循环，而且可实现冲击大小可调、波型可控制的复杂冲击。
文档编号G01M99/00GK2842406SQ20052013303
公开日2006年11月29日 申请日期2005年11月15日 优先权日2005年11月15日
发明者张来斌, 樊建春, 储胜利, 于会媛, 李 杰 申请人:中国石油大学(北京)