鉆采提升設(shè)備大噸位臥式拉壓試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)

蔣紅宗，賀海洲，韓 霞，馬永剛

（1.長(zhǎng)慶油田采油三廠產(chǎn)建項(xiàng)目組，寧夏銀川 750000；2.長(zhǎng)慶油田采油三廠紅井子采油作業(yè)區(qū)，寧夏銀川 750000；3.天津市正方科技發(fā)展有限公司，天津 300270；4.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518）

0 引言

在石油鉆井及修井設(shè)備中，提升系統(tǒng)設(shè)備作為主要的力承載設(shè)備，其安全性、可靠性將直接影響設(shè)備的正常工作，此類設(shè)備的出廠測(cè)試尤為重要；本鉆采提升設(shè)備大噸位臥式拉壓試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)是在原常規(guī)微機(jī)屏顯臥式拉力試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理基礎(chǔ)上進(jìn)行，設(shè)計(jì)主要測(cè)試對(duì)象為石油鉆井和采油提升設(shè)備及受力件。該設(shè)備采用計(jì)算機(jī)測(cè)控的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和負(fù)荷電測(cè)系統(tǒng)、光電位移檢測(cè)系統(tǒng)和編碼器位移檢測(cè)系統(tǒng)，并繪出試驗(yàn)結(jié)果曲線。同時(shí)拉力機(jī)可在12 000 kN 的靜力負(fù)荷內(nèi)對(duì)電纜線、鋼絲繩、錨鏈、吊環(huán)產(chǎn)品進(jìn)行拉力試驗(yàn)，包括單臂吊環(huán)和雙臂吊環(huán)，試驗(yàn)項(xiàng)目有出廠試驗(yàn)載荷、型式試驗(yàn)載荷。此外，還可對(duì)抽油機(jī)懸繩進(jìn)行拉力試驗(yàn)的拉伸試驗(yàn)，也是吊裝帶類、鏈類以及繩索類做產(chǎn)品逐個(gè)拉伸試驗(yàn)的專用設(shè)備。該設(shè)備符合GB/T 2611《試驗(yàn)機(jī)通用技術(shù)要求》、GB/T 16826《電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)》及石油鉆機(jī)修井機(jī)提升設(shè)備等標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 設(shè)計(jì)方案

鉆采提升設(shè)備大噸位臥式拉壓試驗(yàn)機(jī)主要由主機(jī)（框架結(jié)構(gòu)）、固定橫梁、活動(dòng)橫梁、液壓控制系統(tǒng)、加載油缸、伺服油源F4100、伺服控制器、電子測(cè)控系統(tǒng)、相關(guān)測(cè)試軟件及專用裝卡附件組成，整機(jī)基本配置及說明見表1。

表1 整機(jī)基本配置及說明

1.1 主機(jī)結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)機(jī)采用鋼板焊接框架結(jié)構(gòu)、分段移動(dòng)橫梁調(diào)整試驗(yàn)空間、單出桿雙作用活塞缸施加試驗(yàn)力、手動(dòng)或自動(dòng)控制試驗(yàn)過程，負(fù)荷傳感器測(cè)力、位移傳感器測(cè)量變形，微機(jī)顯示試驗(yàn)力及試驗(yàn)曲線，適用于吊裝帶、牽引帶、電纜、鋼絲繩等試件的拉伸試驗(yàn)。

主機(jī)部分主要由結(jié)構(gòu)框架、油缸座、油缸活塞、活動(dòng)橫梁、夾持裝置、鉗口、測(cè)量傳感器等部件組成。油缸座、鋼板焊接框架和移動(dòng)橫梁形成受力框架，單出桿雙作用低摩擦活塞缸在高壓油的作用下產(chǎn)生最大6000 kN 的試驗(yàn)力。

本部分是試驗(yàn)進(jìn)行的執(zhí)行部件。試樣的兩端分別裝在固定橫梁和活動(dòng)橫梁上的夾持裝置中通過加緊，然后由拉力油缸對(duì)試樣施加試驗(yàn)力。根據(jù)不同種類的試樣電動(dòng)調(diào)整移動(dòng)、固定橫梁來調(diào)整試驗(yàn)空間。手動(dòng)或自動(dòng)控制加荷速度直至試驗(yàn)結(jié)束。

1.2 油源部分

伺服泵站電機(jī)泵組配置串聯(lián)雙彈性支撐進(jìn)一步減少泵站噪聲。泵站配置進(jìn)口意大利MARZOCCHI 高壓齒輪泵。具有低噪聲、無脈動(dòng)、長(zhǎng)壽命等卓越性能。由溢流閥、濾油器、換向閥閥、不大于3 u 航空精密濾油器組成的液壓模塊；軍工技術(shù)生產(chǎn)的風(fēng)冷式冷卻器；中外合資公司的液壓管件和高壓膠管；國(guó)產(chǎn)溫州黎明（引進(jìn)德國(guó)賀德克技術(shù)）液位控制計(jì)；具有油溫、液位、濾油器堵塞報(bào)警或停車功能。

技術(shù)性能指標(biāo)：①最大試驗(yàn)力：12 000 kN；②測(cè)力范圍：4%～100%FS；③試驗(yàn)力準(zhǔn)確度：±0.5%；④拉伸距離（不含活塞行程）：8000 mm；⑤活塞行程：600～800 mm；⑥夾持裝置根據(jù)工件尺寸配置大、中、小各2 套卡具；⑦試驗(yàn)機(jī)有效空間（長(zhǎng)×寬）約：9000 mm×1600 mm；⑧測(cè)力方式：負(fù)荷傳感器測(cè)力；⑨控制試驗(yàn)方式：電液伺服控制，微機(jī)顯示試驗(yàn)力及試驗(yàn)曲線。

1.3 測(cè)控部分

1200 t 拉壓力機(jī)測(cè)控部分是與1200 t 拉壓力機(jī)相配套的測(cè)量與控制部分，主要由伺服控制器、電氣系統(tǒng)、伺服閥、測(cè)力傳感器、位移傳感器、與計(jì)算機(jī)測(cè)控軟件等共同組成的閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，可自動(dòng)精確地控制拉壓力測(cè)試過程，并自動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)力、位移、變形等試驗(yàn)參數(shù)，同時(shí)具有顯示、設(shè)定、記錄與分析等功能（圖1）。

圖1 臥式拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)配置

控制、測(cè)量、顯示系統(tǒng)：采用液壓式試驗(yàn)機(jī)專用手動(dòng)控制閥控制試驗(yàn)力的加載，或微機(jī)控制自動(dòng)加載，操作方便；負(fù)荷傳感器測(cè)量試驗(yàn)力，位移傳感器測(cè)量試驗(yàn)件的變形；微機(jī)顯示試驗(yàn)力及試驗(yàn)曲線；設(shè)備的安全性：自動(dòng)控制具有過載保護(hù)功能，當(dāng)試驗(yàn)力超過最大試驗(yàn)力的2%～5%時(shí)自動(dòng)停止試驗(yàn)；當(dāng)活塞位移達(dá)到上極限位置時(shí)，行程保護(hù)，油泵電機(jī)停機(jī)；試件破斷時(shí)有安全防護(hù)網(wǎng)保護(hù)試驗(yàn)人員的安全。

2 主要組成

2.1 伺服控制器

伺服控制器是整個(gè)伺服系統(tǒng)的核心，將來自計(jì)算機(jī)的位置指令信號(hào)與負(fù)荷傳感器或位移傳感器的反饋信號(hào)相減，得到的偏差信號(hào)經(jīng)PID 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)以后，通過一個(gè)功率放大電路去驅(qū)動(dòng)電液伺服閥。伺服控制器的調(diào)節(jié)方式采用模擬式PID 調(diào)節(jié)。采用運(yùn)動(dòng)型PLC 控制器作為伺服控制器，具有16 位采集分辨率，可以完成力加載、位移的閉環(huán)控制，各控制環(huán)間可自動(dòng)切換，并在各方式間切換時(shí)實(shí)現(xiàn)無沖擊平滑過渡。同時(shí)也可以產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波等，完成動(dòng)態(tài)特性測(cè)試。

2.2 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)主要控制泵站系統(tǒng)啟停、冷卻控制、安全保護(hù)等。主要部件選用施耐德產(chǎn)品；泵站配置溫度、壓力傳感器。

2.3 伺服閥

伺服閥選用穆格（MOOG）伺服閥，并配專用的伺服驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)高精度伺服控制。

2.4 測(cè)力傳感器

對(duì)于加載力的測(cè)量，可以采用兩種方法：

（1）壓力測(cè)量法。通過測(cè)量油缸液壓油壓，通過計(jì)算方法算出力加載數(shù)值，這種方法需補(bǔ)償補(bǔ)償摩擦力等因素才能精確。壓力傳感器采用選用MEAS 高精度產(chǎn)品，其中：U5100-300，0～30 MPa，精度0.15%。

（2）負(fù)荷傳感器直接測(cè)量法。采用負(fù)荷傳感器直接測(cè)量加載力值，由于國(guó)內(nèi)對(duì)1000T 傳感器標(biāo)定有難度，在機(jī)械設(shè)計(jì)上考慮采用雙軸機(jī)構(gòu)，每軸各裝1 只500T 負(fù)荷傳感器，通過合力計(jì)算來精確測(cè)量加載力。負(fù)荷傳感器與夾頭接螺桿處、活塞桿與夾頭處設(shè)計(jì)有專用消除間隙裝置，進(jìn)一步提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能；負(fù)荷傳感器采用德國(guó)HBM 產(chǎn)品。

2.5 位移傳感器

位移傳感器是系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)，將作動(dòng)筒的位置與傳感器的輸出對(duì)應(yīng)起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸出位移的檢測(cè)。選用德國(guó)NOVA高速動(dòng)態(tài)磁致伸縮位移傳感器，它具有16 kHz 數(shù)據(jù)刷新速度，高精度60 μm。工作溫度-40～106 ℃，位移傳感器同時(shí)配置速度轉(zhuǎn)換模塊，產(chǎn)生獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)的速度信號(hào)輸出，傳感器規(guī)格如下：TMI-1000 mm 量程；位移信號(hào)：1～5 V；速度信號(hào)：1～5 V。

2.6 工控機(jī)及軟件

工控機(jī)選用研華公司工控計(jì)算機(jī)，主要配置：處理器i7-2.8 GHz；內(nèi)存8 G；硬盤1 T；顯示器采用液晶顯示器。

控制軟件采用NI 基于虛擬儀器技術(shù)的LabVIEW 軟件平臺(tái)開發(fā)。能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)求取抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性模量、斷后伸長(zhǎng)率、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度等常規(guī)數(shù)據(jù)，采用恒力、恒位移、恒變形等多種控制方式，試驗(yàn)過程中可實(shí)時(shí)顯示力—位移，力—時(shí)間，力—變形等多種試驗(yàn)曲線，并能自動(dòng)平滑切換，觀察比較。可以對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行回放，便于后期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)過程的檢查。主要功能如下：①自定義試驗(yàn)參數(shù)、單位、修約規(guī)則、試驗(yàn)步驟及控制方式；②用戶試驗(yàn)報(bào)告設(shè)計(jì)程序；③力值、變形校準(zhǔn)程序；④控制方式轉(zhuǎn)換；⑤試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、顯示、儲(chǔ)存；⑥機(jī)器人聯(lián)機(jī)管理；⑦試驗(yàn)員、管理人員權(quán)限設(shè)定；⑧試驗(yàn)報(bào)告瀏覽、打印；⑨數(shù)據(jù)庫(kù)錄入、檢索、統(tǒng)計(jì)、打印；⑩試驗(yàn)曲線再現(xiàn)、放大、轉(zhuǎn)換、打印。

2.7 信號(hào)調(diào)理板

信號(hào)調(diào)理板為自制，主要是對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行放大處理后供DAQ 采集，具有測(cè)周、測(cè)頻、測(cè)相位差等功能。

2.8 安保控制系統(tǒng)

采用PLC 控制，模擬采集模塊采用快速方式，保證PLC 程序執(zhí)行周期小于10 ms，一旦發(fā)現(xiàn)伺服油缸運(yùn)行軌跡超過誤差限制值，則立即通過繼電器關(guān)閉液壓鎖，鎖住伺服油缸，實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)。設(shè)備性能特點(diǎn)：①試驗(yàn)機(jī)主機(jī)采用鋼板焊接臥式框架結(jié)構(gòu)，通過前后夾頭座、油缸及前橫梁組成系統(tǒng)主結(jié)構(gòu)，機(jī)體承載能力強(qiáng)；②后夾頭調(diào)整由步進(jìn)移動(dòng)系統(tǒng)拖動(dòng)橫梁、并采用插銷方式完成；③液壓源采用無泄漏和靜音技術(shù)壓力輸出平穩(wěn)、無波動(dòng)、低噪聲、散熱效果好、過濾精度高、壓力超載自動(dòng)保護(hù)；④系統(tǒng)響應(yīng)速度快、控制精度高、抗污染能力強(qiáng)、可靠性高；⑤試驗(yàn)機(jī)安全保護(hù)功能包括控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)過載保護(hù)、移動(dòng)橫梁及油缸極限位置保護(hù)、電機(jī)過熱和電路短路保護(hù)、油溫保護(hù)、油路堵塞保護(hù)、試樣拉伸試驗(yàn)時(shí)安全網(wǎng)保護(hù)、試驗(yàn)結(jié)束自動(dòng)停機(jī)保護(hù)；⑥具有手動(dòng)和自動(dòng)加載功能，試驗(yàn)負(fù)荷、加載速度、保壓時(shí)間可以調(diào)整。

3 結(jié)語

本專用功能12 000 kN 臥式拉力試驗(yàn)機(jī)于2018 年生產(chǎn)制造完成并成功投入使用，微機(jī)控制伺服系統(tǒng)經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)測(cè)試軟件及PLC 控制程序進(jìn)行了調(diào)整，完全可以滿足現(xiàn)場(chǎng)全自動(dòng)控制的要求，系統(tǒng)得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。可實(shí)現(xiàn)根據(jù)試件設(shè)備測(cè)試要求進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)定，自動(dòng)緩慢加載，滑動(dòng)小車帶夾具可自動(dòng)/手動(dòng)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)裝卡，測(cè)試過程中加載拉力實(shí)時(shí)顯示，測(cè)試件變形量、測(cè)試?yán)Α⒒钊灰萍皽y(cè)試過程閉環(huán)管理。采用伺服控制系統(tǒng)，測(cè)試過程具有等速應(yīng)變、等速應(yīng)力、等速位移、等速拉力及等速拉力保持、等速位移保持功能；可繪制力/位移、力/時(shí)間、應(yīng)力/應(yīng)變等測(cè)試曲線，所有曲線視圖可自動(dòng)確定零點(diǎn)；整個(gè)過程的測(cè)試時(shí)間、測(cè)試速度、保持時(shí)間均可根據(jù)測(cè)試件要求提前設(shè)定（也可臨時(shí)更改）；真正實(shí)現(xiàn)了微機(jī)控制，機(jī)、電、液全自動(dòng)完成測(cè)試過程及數(shù)據(jù)記錄處理，完全達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)功能。