应用于管柱力学行为研究的实验装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种应用于管柱力学行为研究的实验装置，解决了现有实验装置不能精确同步施加拉压弯扭等载荷的问题。装置集成了拉、压、弯、扭等不同载荷的加载与测试机构，并使用轴承隔离的方式对拉扭组合加载的互相影响进行消除，测试端采用双传感器合并输出的方式进行拉扭载荷的信号采集与处理。此装置能实现拉压、弯曲、扭转等载荷的同步加载与测试，根据油田管柱在现实中使用情况对各部分进行了比例缩放，得到在给定载荷情形下油田管柱的真实变形情况。
【专利说明】
应用于管柱力学行为研究的实验装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种应用于管柱力学行为研究技术领域中的实验研究装置。
【背景技术】
[0002]油田管柱的长径比极大，油套管之间的环空间隙值极小，在井下受载情况也极为复杂，管柱在井下的变形，往往是综合了接触与摩擦边界，并受到拉伸(或压缩)及弯曲载荷和扭矩共同作用的结果。故油管在套管内往往会发生屈曲，油管的屈曲变形会使得油管上安装的封隔器、配水器等元件的轴向位置发生串动，导致注采串层甚至井下工具的失效破坏。目前油田现场可以通过磁定位手段对管柱工作前后各元件的位置串动进行测定，但磁定位手段无法在管柱下入之前便预测各元件在工作状态下的位置串动。
[0003]为研究管柱在井下复杂工况下的变形情况，国外许多学者(如、他等)分别基于理论依据，在不同前提下建立起了管柱力学的一系列研究理论及辅助实验手段，但这些研究理论一般都忽略了管柱的某一受力或边界条件，并且需要在给定假设成立的前提下才近似成立，无法较综合并精确地给出管柱在实际工况下的变形情况;而且由于管柱屈曲现象本身的复杂性，在诸多辅助实验中通常难以分析诸如端部边界约束、管柱长度、摩擦等因素对管柱屈曲的独立影响，并缺乏对实验结果的详细误差分析，这些都影响了实验结果对相应理论支持的可信度，而辅助实验中存在上述困难的原因在于已有的实验装置多是针对某一种管柱在某一种载荷作用下的变形进行专项研究，无法做到精确地同步施加拉(压)弯扭及液压力、摩擦力等载荷，从而对管柱在井下的真实受力变形情况进行研究。管柱在井下的变形是在拉(压)弯扭及液压力、摩擦力等载荷共同作用下的结果，但迄今为止能够对管柱同步施加拉(压)弯扭及液压力、摩擦力等载荷，针对管柱在井下真实受力环境下力学行为研究的综合性实验装置还没有真正建立。
[0004]管柱的变形既影响了油田的安全生产，又会给油田造成严重经济损失，这要求我们提出一种能够精确同步施加拉(压)弯扭及液压力、摩擦力等载荷，能模拟管柱在井下真实受力环境的室内实验装置，进而对上述问题进行研究。
【发明内容】
[0005]为了解决【背景技术】中提到的问题，较为完善地考虑管柱在井下的受力环境因素，对管柱在给定载荷与环境下的变形情况进行分析预测，本实用新型提供了一种应用于管柱力学行为研究技术领域中的实验装置。此实验装置能对试样同步施加井下管柱受到的拉压弯扭以及液压力等载荷，并能观测在相应载荷下油管由于与套管产生摩擦接触而发生的屈曲变形，填补了国内在室内管柱力学综合性实验装置方面的空白。
[0006]为了实现上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是:一种应用于管柱力学行为研究的实验装置，包括机架、试件及其密封系统、加载与传动系统及控制系统；
[0007]所述机架，包括主受力柱、两根辅助导向立柱及下台板，主受力柱与两根辅助导向立柱通过抗扭支撑架连接形成三脚架结构，其中主受力柱采取三段式结构，并使用直口定位、法兰连接方式固定，主受力柱与下台板之间采用直口定位、法兰连接方式接合，辅助导向立柱利用胀紧套固定连接在下台板上。
[0008]所述试件及其密封系统，包括两块固定板，石英玻璃套管、内钢油管及套管密封总成;所述固定板连接在两辅助导向立柱之间，并通过固定套轴向定位，石英玻璃套管的两端分别利用套管密封总成锁定在两固定板之间；所述内钢油管置于石英玻璃套管中心，内钢油管下端通过固定在下台板上的下三爪卡盘夹紧固定，上端通过上三爪卡盘夹紧固定。
[0009]所述加载与传动系统，包括拉压力加载与传动系统、扭矩载荷加载与传动系统、抗拉扭载荷相互影响系统及弯矩载荷加载与传动系统。
[0010]所述拉压力加载与传动系统，包括第一电机减速器、顶横梁、第一轴承箱总成、滚珠丝杠总成、上移动梁及直线轴承，所述顶横梁水平固定在两辅助导向立柱之间，第一电机减速器固定在顶横梁正中，上移动梁两端通过直线轴承连接在机架的两辅助导向立柱间；第一电机减速器的输出轴与第一轴承箱总成的传动轴键连接，第一轴承箱总成的传动轴下端与滚珠丝杠总成的上端固定连接，滚珠丝杠总成的下端固定在上移动梁上。
[0011]所述扭矩载荷加载与传动系统，包括下移动梁、第二电机减速器、减速器安装梁、扭矩传感器、驱动轴、移动导柱，所述下移动梁固定连接在两辅助导向立柱之间，两辅助导向立柱之间通过直线轴承还连接有减速器安装梁，在减速器安装梁中心固定第二电机减速器，第二电机减速器的输出轴通过第一联轴节与扭矩传感器固定连接，扭矩传感器的下端通过第二联轴节与驱动轴固定连接，驱动轴的下端穿过下移动梁;上述上移动梁的下方还固定两根移动导柱，移动导柱的另一端固定在下移动梁上。
[0012]所述抗拉扭载荷相互影响系统，包括第二轴承箱总成，所述第二轴承箱总成固定在驱动轴上，驱动轴末端与上三爪卡盘固结。
[0013]所述弯矩载荷加载与传动系统，包括电动推缸安装总成，该电动推缸安装总成包括电动推缸、钢丝、S型力传感器及玻璃管接头，电动推缸由定位环固定在主受力柱上，玻璃管接头套接在石英玻璃套管上，玻璃管接头体上设置钢丝孔，钢丝的一端系在内钢油管上，并从玻璃管接头的钢丝孔中伸出，钢丝另一端与S型力传感器相连，S型力传感器的另一端与电动推缸的输出端固定连接。
[0014]所述控制系统，包括计算机、负荷传感器连接总成、扭矩传感器、拉扭传感器，所述负荷传感器连接总成，包括负荷传感器、连接板，连接板左右两端螺栓连接负荷传感器，并用螺母锁紧，将负荷传感器固定在下移动梁的底部，连接板中部设置法兰连接孔，第二轴承箱总成上端以法兰连接形式与负荷传感器总成连接;所述拉扭传感器的底端固定在下底板上，其上端通过卡盘连接件与下三爪卡盘固定连接。
[0015]本发明有如下有益效果:
[0016]1.本装置使用时对油田所用油套管进行按比例缩小，降低了管柱力学实验的成本及规模，实验在室内即可进行，便于各高校及研究机构采用。
[0017]2.本装置采用独立加载各载荷的方法，能够对同一试样同时施加拉/压力及扭矩、弯矩等载荷，并可隔离拉/压力与扭矩的相互影响，滚珠丝杠安装总成将输出的驱动扭矩与推力相互转化，其驱动扭矩极低，滚珠丝杠配合伺服电机使用确保了传动效率及精度，整机效率达90%以上，能较好地节省能源。
[0018]3.本装置机体采用多梁三立柱式结构，主受力柱与下台板形成一个整体，下台板与地面用地脚螺栓固定，能确保整机稳定性;辅助导向立柱与主受力柱之间使用抗扭支撑架连接，三者形成一个三脚架结构，提高了整机稳定性;辅助导向立柱起到导向作用，与下台板之间采用胀紧套连接方式连接，具有加工安装简单、使用寿命长、工作时不产生磨损等优点，且对于精密仪器传动无偏重现象。同时，胀套连接可以传递一定载荷，而传递扭矩时超过上限后将会失去连接作用而发生旋转，这可以保护设备驱动端不会因人为误操作而导致输出轴扭矩超载。胀套连接方式可以承受多重载荷，结构也可以做成多种形式。
[0019]4.本装置所用套管密封总成中密封油套环空的部件使用聚四氟材料制成，聚四氟密封部件采用间隙密封原理，摩擦系数较小，在确保密封效果的同时大大降低了模拟油管与密封部件之间的接触摩擦力，并且摩擦力较为固定，实验时可在系统中将此摩擦力从实验结果中清除，保证了拉压力和扭矩等载荷的加载精度;需要模拟油管在介质内的工作时可将快速接头与栗连接，向油套环空内充入相应压力的相应介质。
[0020]5.用于模拟套管的石英玻璃管采用两段式直口连接，两端玻璃管之间用开有钢丝孔的法兰接头连接，实验时可将钢丝系在油管上，从接头的钢丝孔中伸出，钢丝另一端与伺服电动推缸相连，使用一定载荷拉拽钢丝。能较为便捷地实现对油管定点施加定量弯矩的功能，接头位置可以自由调整，以便于调整弯矩施加位置，需要模拟带有封隔器、水力锚等井下工具的油管在套管内的变形时可特殊设计接头，在接头内部安置模拟封隔器、水力锚的特殊元件，同时将套管结构改成多段连接式，完成不同类型管柱的模拟。
[0021]综上所述，本申请的应用于管柱力学行为研究的实验装置功能强大，设计巧妙，易于实现管柱在同时受到拉/压载荷和弯矩扭矩的情况下受力变形实验，并能实现管内带压实验等功能，同时，以多段式石英玻璃管模拟套管，便于观察油管的变形情况，且便于扩展至带有不同井下工具的不同类型管柱的室内实验研究。而且对油田管柱进行按比例缩放处理，降低了实验的成本和规模，使之可以在室内进行，便于各研究机构或高校进行管柱力学实验研究，具有极大的实际应用价值。
【附图说明】
[0022]图1A是本发明的应用于管柱力学行为研究的实验装置的总装图。
[0023]图1B是本发明进一步详细标注的总装图。
[0024]图2是机架的结构示意图。
[0025]图3是试件及其密封系统与机架连接关系示意图。
[0026]图4是图3中A的局部放大图。
[0027]图5是图3中B的局部放大图。
[0028]图6是拉压力加载与传动系统与机架连接关系图。
[0029]图7是扭矩载荷加载与传动系统与机架连接关系图。
[0030]图8是图7中I部的局部放大图。
[0031 ]图9是抗拉扭载荷相互影响系统与机架连接关系图。
[0032]图10是图9中A部的局部放大图。
[0033]图11第二轴承箱的结构示意图。
[0034]图12是弯矩载荷加载与传动系统与机架连接关系图。
[0035]图13是图11中I部的局部放大图。
[0036]图14是负荷传感器连接总成与机架的连接关系图。
[0037]图15是图14中I部的局部放大图。
[0038]图16是图14中A部的局部放大图。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图对本实用新型做进一步的说明:
[0040]由图1A所示:一种应用于管柱力学行为研究的实验装置，包括机架1、试件及其密封系统2、加载与传动系统3及控制系统4。
[0041]由图2所示:所述机架I，包括主受力柱1-0、两根辅助导向立柱1-3及下台板1-1，主受力柱1-0与两根辅助导向立柱1-3通过抗扭支撑架1-4连接形成三脚架结构，其中主受力柱1-0采取三段式结构，并使用直口定位、法兰连接方式固定，主受力柱1-0与下台板1-1之间采用直口定位、法兰连接方式接合，辅助导向立柱1-3利用胀紧套1-2固定连接在下台板
1-1上，由此而成的整机结构为多梁式三柱立式结构。
[0042]由图3结合图4、图5所示:所述试件及其密封系统2，包括两块固定板2-0，石英玻璃套管2-4、内钢油管2-5、套管密封总成2-1;所述固定板2-0在两辅助导向立柱1-3之间连接，并通过固定套2-3完成轴向定位，石英玻璃套管2-4的两端分别利用套管密封总成2-1固定在两固定板2-0之间；所述内钢油管2-5置于石英玻璃套管2-4中心，内钢油管2-5下端通过安装在下台板1-1上的下三爪卡盘2-2固定，上端则通过上三爪卡盘2-6夹紧固定。
[0043]由图1B所示:所述加载与传动系统3，包括拉压力加载与传动系统3-1、扭矩载荷加载与传动系统3-2、抗拉扭载荷相互影响系统3-3及弯矩载荷加载与传动系统3-4。
[0044]由图6所示:所述拉压力加载与传动系统3-1，包括第一电机减速器3-1-6、顶横梁3-1-4、第一轴承箱总成3-1-3、滚珠丝杠总成3-1-2、上移动梁3-1-1及直线轴承3-1-7，所述顶横梁3-1-4水平固定在两辅助导向立柱1-3之间，第一电机减速器3-1-6利用减速器连接件3-1-5固定在顶横梁3-1-4中心，上移动梁3-1-1两端通过直线轴承3-1-7连接在两辅助导向立柱1-3间；第一电机减速器3-1-6的输出轴与第一轴承箱总成3-1-3的传动轴键连接，第一轴承箱总成3-1-3的传动轴下端与滚珠丝杠总成3-1-2的上端固定连接，滚珠丝杠总成3-1_2的下端固定在上移动梁3_1-1上。
[0045]上述第一电机减速器3-1-6输入的扭矩通过第一轴承箱总成3-1-3传递到滚珠丝杠总成3-1-2上，滚珠丝杠总成3-1-2可以将该扭矩转化为直线载荷，并由第一轴承箱总成
3-1-3完成轴向限位。这样滚珠丝杠推动下方部件产生的反力全部由第一轴承箱总成3-1-3内的推力轴承承受，最终作用到顶横梁上3-1-4，不会对第一电机减速器3-1-6产生影响。
[0046]上述第一电机减速器3-1-6的伺服电机通过减速机输出轴输出驱动扭矩，并利用滚珠丝杠总成3-1-2将驱动扭矩转换为直线运动传递给上移动梁3-1-1，上移动梁3-1-1在直线轴承的保护下沿着直线导轨(辅助导向立柱1-3)运动，实现对试件拉压力的施加。滚珠丝杠总成3-1-2机械传动精度较高，驱动扭矩较低，能够较容易地实现回转运动和直线运动之间的转换。其驱动扭矩和直线运动推力之间的转化关系可由丝杠效率与导程求得。
[0047]由图7结合图8、图15所示:所述扭矩载荷加载与传动系统3-2，包括下移动梁3-2-
1、第二电机减速器3-2-3、减速器安装梁3-2-2、扭矩传感器3-2-6、驱动轴3_2_7、移动导柱3_2_4，所述下移动梁3-2-1固定连接在两辅助导向立柱1-3之间，下移动梁3_2_1上方的两辅助导向立柱1-3之间通过直线轴承3-2-5连接有减速器安装梁3-2-2，在减速器安装梁3-2-2中间固定第二电机减速器3-2-3，第二电机减速器3-2-3的输出轴通过第一联轴节3-2-8与扭矩传感器3-2-6固定连接，扭矩传感器3-2-6的下端通过第二联轴节3-2-9与驱动轴3-
2-7固定连接，驱动轴3-2-7的下端穿过下移动梁3-2-1;所述上移动梁3-1-1的下方还固定两根移动导柱3_2_4，移动导柱3_2_4的另一端固定在下移动梁3_2_1上。第一电机减速器3-1-6传递给上移动梁3-1-1的拉压力通过移动导柱3-2-4传递给下移动梁3-2-1。
[0048]由图9结合图10所示:所述抗拉扭载荷相互影响系统3-3，包括第二轴承箱总成3-
3-3，所述第二轴承箱总成3-3-3与驱动轴3-2-7固定连接，驱动轴3_2_7末端通过卡盘连接件3-3-2与上三爪卡盘2-6固结，而上三爪卡盘2-6下方夹紧固定内钢油管2-5，所以第二轴承箱总成3-3-3传递第二电机减速器3-2-3的驱动扭矩，保证第二电机减速器3-2-3完成对试件扭矩的施加。
[0049]由图11所示:上述第二轴承箱总成3-3-3，包括旋转底盘11，锁紧螺母12，下端盖13，深沟球轴承14，压盖15，轴承箱16，推力轴承17及上端盖18，使用推力轴承17与深沟球轴承14相结合的方式实现拉压力与扭矩同时加载时的互相隔离，以保证拉扭复合载荷的精确施加。
[0050]由图12结合图13所示:所述弯矩载荷加载与传动系统3-4，包括电动推缸安装总成，该电动推缸安装总成包括电动推缸3-4-2、钢丝3-4-5、S型力传感器3-4-3及玻璃管接头3-4-4，电动推缸3-4-2由定位环3-4-1固定在主受力柱1_0上，玻璃管接头3_4_4套接在石英玻璃套管2-4上，玻璃管接头3-4-4体上设置钢丝孔，钢丝3-4-5的一端系在内钢油管上，并从玻璃管接头3-4-4的钢丝孔中伸出，钢丝3-4-5另一端与S型力传感器3-4-3相连，S型力传感器3-4-3的另一端与电动推缸3-4-2的输出端固定连接。
[0051]上述电动推缸安装总成用于弯矩载荷的施加，通过电动推缸3-4-2轴向位置与载荷大小的调节可以实现对管柱不同位置不同大小的弯矩载荷施加。
[0052]上述第一电机减速器3-1-6、第二电机减速器3-2-3与电动推缸3-4-2之间的驱动采用单独控制模式，可以实现拉/压力、弯矩、扭矩等载荷的同步施加。而且第一电机减速器
3-1-6、第二电机减速器3-2-3与电动推缸3-4-2所用电机均为伺服电机。
[0053]所述控制系统4，包括计算机、负荷传感器连接总成、扭矩传感器3-2-6、拉扭传感器4-5，由图14结合图15、图16所示:所述负荷传感器连接总成，包括负荷传感器4-1、连接板
4-2，连接板4-2左右两端螺栓4-3连接负荷传感器4-1，并用螺母4-4锁紧，将负荷传感器4-1固定在下移动梁3-2-1的底部，连接板4-2中部设置法兰连接孔，第二轴承箱总成上端以法兰连接形式与负荷传感器总成连接；由图4所示:所述拉扭传感器4-5的底端固定在下台板1-1上，其上端通过卡盘连接件与下三爪卡盘2-2固定连接。
[0054]所述计算机给出所需要施加的载荷后，向各伺服电机发送控制命令，伺服电机步进施加规定载荷，载荷施加过程中通过负荷传感器4-1、扭矩传感器3-2-6、拉扭传感器4-5及S型力传感器3-4-3分别同步测定试件夹持端的拉压力、扭矩、弯矩等反力，并以此为基准判断载荷施加是否准确并加以实时修正，实现控制功能。
[0055]控制系统所用测控软件基于Windows平台，采用恒应力实验模式、恒应变实验模式、用户自定义模式等多种实验方式可选，载荷可以选择如正弦波、方波、三角波等标准脉冲载荷以及自定义幅值曲线的载荷。实验完成后可以输出负荷时间曲线、负荷位移曲线、位移时间曲线、扭矩扭角曲线、扭矩时间曲线、扭角时间曲线等多种数据曲线，还可以输出相应内容的实验报告。全部实验参数均可以通过计算机采集和处理，由屏幕实时显示测试过程和相应结果。
[0056]当第一电机减速器3-1-6与第二电机减速器3-2-3同时工作时，第一电机减速器3_1-6产生的驱动扭矩通过滚珠丝杠总成3-1-2转换为拉压力载荷，作用在上移动梁3-1-1上，并通过移动导柱3-2-4同步传递到下移动梁3-2-1上，下移动梁3-2-1底部连接的负荷传感器总成推动第二轴承箱总成3-3-3，第二轴承箱总成3-3-3内部的推力轴承17将载荷作用在与驱动轴3-2-7固结的上三爪卡盘2-6上，从而将拉压力载荷传递给试件及其密封系统2。而第二电机减速器3-2-3施加扭矩载荷传递给驱动轴3-2-7，拉压力对扭矩施加时的影响仅为推力轴承17在受压情况下旋转的驱动扭矩，由于所用推力轴承17在受载时的驱动扭矩极低，故第二轴承箱总成3-3-3的设计可大致消除扭矩与拉压力载荷的相互影响，做到真正意义上的拉/压、弯、扭同时加载且互不干扰。
【主权项】
1.一种应用于管柱力学行为研究的实验装置，包括机架、试件及其密封系统、加载与传动系统及控制系统，其特征在于: 所述机架，包括主受力柱、两根辅助导向立柱及下台板，主受力柱与两根辅助导向立柱通过抗扭支撑架连接形成三脚架结构，三脚架结构与下台板固定连接； 所述试件及其密封系统，包括两块固定板，石英玻璃套管、内钢油管及套管密封总成；所述固定板连接在两辅助导向立柱之间，石英玻璃套管的两端分别利用套管密封总成锁定在两固定板之间；所述内钢油管置于石英玻璃套管中心，内钢油管下端通过固定在下台板上的下三爪卡盘夹紧固定，上端通过上三爪卡盘夹紧固定； 所述加载与传动系统，包括拉压力加载与传动系统、扭矩载荷加载与传动系统、抗拉扭载荷相互影响系统及弯矩载荷加载与传动系统； 所述拉压力加载与传动系统，包括第一电机减速器、顶横梁、第一轴承箱总成、滚珠丝杠总成、上移动梁及直线轴承，所述顶横梁水平固定在两辅助导向立柱之间，第一电机减速器固定在顶横梁正中，上移动梁两端通过直线轴承连接在机架的两辅助导向立柱间；第一电机减速器的输出轴与第一轴承箱总成的传动轴键连接，第一轴承箱总成的传动轴下端与滚珠丝杠总成的上端固定连接，滚珠丝杠总成的下端固定在上移动梁上； 所述扭矩载荷加载与传动系统，包括下移动梁、第二电机减速器、减速器安装梁、扭矩传感器、驱动轴、移动导柱，所述下移动梁固定连接在两辅助导向立柱之间，两辅助导向立柱之间通过直线轴承还连接有减速器安装梁，在减速器安装梁中心固定第二电机减速器，第二电机减速器的输出轴通过第一联轴节与扭矩传感器固定连接，扭矩传感器的下端通过第二联轴节与驱动轴固定连接，驱动轴的下端穿过下移动梁;所述上移动梁的下面还固定两根移动导柱，移动导柱的另一端固定在下移动梁上； 所述抗拉扭载荷相互影响系统，包括第二轴承箱总成，所述第二轴承箱总成固定在驱动轴上，驱动轴末端与上三爪卡盘固结； 所述弯矩载荷加载与传动系统，包括电动推缸安装总成，该电动推缸安装总成包括电动推缸、钢丝、S型力传感器及玻璃管接头，电动推缸由定位环固定在主受力柱上，玻璃管接头套接在石英玻璃套管上，玻璃管接头体上设置钢丝孔，钢丝的一端系在内钢油管上，并从玻璃管接头的钢丝孔中伸出，钢丝另一端与S型力传感器相连，S型力传感器的另一端与电动推缸的输出端固定连接； 所述控制系统，包括计算机、负荷传感器连接总成、扭矩传感器、拉扭传感器，所述负荷传感器连接总成，包括负荷传感器、连接板，连接板左右两端螺栓连接负荷传感器，并用螺母锁紧，将负荷传感器固定在下移动梁的底部，连接板中部设置法兰连接孔，第二轴承箱总成上端以法兰连接形式与负荷传感器总成连接;所述拉扭传感器的底端固定在下台板上，其上端通过卡盘连接件与下三爪卡盘固定连接。2.根据权利要求1所述的应用于管柱力学行为研究的实验装置，其特征在于:所述主受力柱采取三段式结构，并使用直口定位、法兰连接方式固定，主受力柱与下台板之间采用直口定位、法兰连接方式接合，辅助导向立柱利用胀紧套固定连接在下台板上。
【文档编号】G01N3/08GK205538479SQ201620360238
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】王尊策, 温后珍, 曹梦雨, 李森, 徐艳, 闫月娟
【申请人】东北石油大学