職黎光，魏航信

(西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065)

現(xiàn)代石油機(jī)械的設(shè)計及制造是西安石油大學(xué)機(jī)械設(shè)計制造及自動化專業(yè)教學(xué)與科研的重點(diǎn)任務(wù)，也是石油院校的一個具有特色的專業(yè)方向。為滿足教學(xué)和科研方面的需要，學(xué)校機(jī)械工程學(xué)院自主研制了新的石油鉆機(jī)綜合性測試實驗裝置和配套測試儀器。既滿足了本專業(yè)本科生和研究生有關(guān)的實驗教學(xué)，又成為一個功能較為齊全的科研平臺，為更好設(shè)計和檢測各種不同類型石油鉆機(jī)的井架結(jié)構(gòu)與鉆機(jī)自動送鉆方面提供了有效的方法和措施。

1 實驗裝置介紹

我們在ZJ－32 鉆機(jī)1∶8 的模型基礎(chǔ)上，增加了一套由計算機(jī)控制的電液伺服自動加載裝置和由計算機(jī)控制的電液伺服自動送鉆裝置、交流變頻自動送鉆裝置各一套，以及若干套配套測試儀器。使用時通過自行編制的系統(tǒng)軟件在計算機(jī)上進(jìn)行操作，數(shù)字化測試，可實時顯示數(shù)據(jù)和曲線，測試數(shù)據(jù)既可以顯示為數(shù)據(jù)列表，也可以顯示為圖形，并具有存儲打印等功能。

該鉆機(jī)實驗裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 鉆機(jī)實驗裝置總體結(jié)構(gòu)簡圖

由圖1 可知，該實驗裝置是以一臺可整體起升的塔形井架為主體并配備有動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、自動送鉆系統(tǒng)和底座所構(gòu)成的綜合實驗裝置。

2 實驗裝置的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

2.1 加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)的主要功能是為實驗臺提供模擬的大鉤載荷。由于實際鉆機(jī)大鉤載荷隨不同鉆井工況而變，為了更好地模擬實際鉆井工況，加載系統(tǒng)采用計算機(jī)控制電液伺服系統(tǒng)，系統(tǒng)工作原理如圖2 所示。

圖2 加載系統(tǒng)工作原理圖

系統(tǒng)主要由計算機(jī)、D/A(A/D)轉(zhuǎn)化板、伺服控制器、伺服閥、伺服液壓缸、拉力傳感器、液壓油源和鋼繩滑輪組成。

系統(tǒng)的工作原理為:通過計算機(jī)輸入給定的加載信號，D/A 轉(zhuǎn)化板將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬的電壓信號輸入伺服控制器，伺服控制器將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號以控制電液伺服閥閥芯的動作，進(jìn)而控制伺服液壓缸活塞桿的運(yùn)動，牽引鋼繩對鉆機(jī)大鉤加載。安裝在伺服液壓缸活塞桿與鋼繩間的拉力傳感器把拉力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，利用A/D 板轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)串行通信口送入計算機(jī)，與給定的加載信號相比較，按一定的控制算法計算后調(diào)節(jié)控制信號的輸出值，構(gòu)成閉環(huán)控制，使大鉤上的載荷與給定的加載信號一致。而加載信號的形式可根據(jù)需要隨時變化，如恒定載荷、階躍式載荷、正弦式載荷等多種形式。這樣可以更真實地模擬鉆井工況。為實時監(jiān)控大鉤載荷的變化，由數(shù)字顯示器及時顯示大鉤載荷數(shù)值。

2.2 自動送鉆系統(tǒng)

自動送鉆系統(tǒng)有兩種類型:(1)由計算機(jī)控制的電液伺服自動送鉆裝置;(2)交流變頻自動送鉆裝置。受篇幅所限，只介紹類型(1)，類型(2)見文獻(xiàn)［1］。

電液伺服自動送鉆裝置安裝在鉆機(jī)絞車滾筒軸端的剎車機(jī)構(gòu)上，剎車杠桿的運(yùn)動受伺服液壓缸的控制，系統(tǒng)工作原理如圖3 所示。

圖3 自動送鉆系統(tǒng)工作原理圖

系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)與加載系統(tǒng)相同。信號采集由拉力傳感器和稱重儀組成，稱重儀將拉力傳感器采集到的大鉤拉力信號，利用A/D 板轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，一路通過串行通信口送入計算機(jī)，作為系統(tǒng)的反饋信號，另一路送到數(shù)字顯示表，直接顯示拉力值。電液控制部分由計算機(jī)、D/A 轉(zhuǎn)換板、伺服控制器、伺服閥和伺服液壓缸組成。

系統(tǒng)的工作原理為:當(dāng)加載系統(tǒng)產(chǎn)生拉力載荷模擬井下鉆柱載荷時，計算機(jī)將輸入送鉆信號與拉力傳感器采集的拉力載荷相比較，按一定控制算法得出控制值，經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換板輸入伺服控制器，伺服控制器將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號以控制電液伺服閥閥芯的動作，進(jìn)而控制伺服液壓缸活塞桿的運(yùn)動，拉動剎車杠桿，控制絞車滾筒的轉(zhuǎn)動速度，使鉆機(jī)在給定的送鉆載荷下實現(xiàn)自動送鉆［2］。

3 實驗項目開發(fā)

3.1 井架強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性測試與分析實驗

在鉆機(jī)井架主要部件如底座、大腿、立柱、橫梁、拉桿上貼應(yīng)變片，選擇不同加載型式對鉆機(jī)加載，測出各點(diǎn)的動靜態(tài)應(yīng)力值，并分析不同載荷與井架強(qiáng)度、剛度之間的關(guān)系，驗證理論計算和有限元計算的準(zhǔn)確性，為鉆機(jī)井架設(shè)計提供理論依據(jù)［3－7］。

3.2 井架整體起升應(yīng)力測試

在鉆機(jī)井架主要部件如底座、大腿、立柱、橫梁、拉桿上貼應(yīng)變片，將鉆機(jī)井架整體放倒，用絞車起升將井架豎起，在起升和下放的過程中測出各點(diǎn)的動態(tài)應(yīng)力值，驗證理論計算和有限元計算的準(zhǔn)確性，搞清井架起升過程桿件內(nèi)力變化的規(guī)律。

3.3 鉆機(jī)自動送鉆控制實驗

1)應(yīng)用加載系統(tǒng):掌握加載系統(tǒng)工作原理，了解加載系統(tǒng)的控制軟件編制方法和控制算法的原理，能準(zhǔn)確將不同類型、不同大小的力施加到鉆機(jī)大鉤上。測試加載載荷變化數(shù)據(jù)，驗證加載系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2)應(yīng)用自動送鉆系統(tǒng):掌握自動送鉆系統(tǒng)工作原理，了解自動送鉆系統(tǒng)的控制軟件編制方法和控制算法的原理［8－9］，正確操作自動送鉆系統(tǒng)，測試自動送鉆系統(tǒng)輸出載荷變化數(shù)據(jù)，驗證自動送鉆系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

4 實驗測試與效果

本文以鉆機(jī)自動送鉆控制實驗為例，將整臺實驗裝置各個系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行。首先，啟動自動送鉆系統(tǒng)，用送鉆伺服液壓缸制動剎車機(jī)構(gòu)，使絞車不能轉(zhuǎn)動，再啟動加載系統(tǒng)對鉆機(jī)大鉤加載，產(chǎn)生模擬的鉆柱載荷;然后輸入希望的鉆壓值;同時，計算機(jī)開始采樣，采樣周期1 ms，控制算法根據(jù)偏差和偏差變化率輸出控制量，使系統(tǒng)進(jìn)行自動送鉆實驗。

實驗加載載荷為20 kN 恒壓形式，送鉆載荷要求穩(wěn)定在15 kN，進(jìn)行送鉆實驗。同時為了比較不同控制算法對自動送鉆的控制效果，分別進(jìn)行一般模糊控制、自組織模糊控制算法的實驗研究，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 自動送鉆實驗載荷曲線

實驗結(jié)果表明，模擬實驗系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能模擬實際自動送鉆過程。一般模糊控制(曲線1)效果較差，最大超調(diào)24.7，最大穩(wěn)態(tài)誤差8.2，難以達(dá)到送鉆要求。自組織模糊控制(曲線2)最大超調(diào)14.2，最大穩(wěn)態(tài)誤差3.8，峰值時間和動態(tài)調(diào)整時間分別為0.78 s 和2.7 s. 顯然后者可滿足自動送鉆要求。完成這組實驗后，實驗人員可輸入不同參數(shù)進(jìn)行測試，檢驗自動送鉆系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

5 結(jié)束語

通過研制“石油鉆機(jī)綜合性測試實驗裝置”，改善了學(xué)校的實驗教學(xué)和科研環(huán)境，經(jīng)過幾年的實驗教學(xué)和科研實踐，在該實驗裝置基礎(chǔ)上不斷開發(fā)出新的實驗項目如“鉆機(jī)振動測試及故障診斷”“各種拉壓傳感器、位移傳感器應(yīng)用實驗”“電液自動控制實驗”“交流變頻器的應(yīng)用實驗”等［10－11］。并且開發(fā)出一種新型的“鉆機(jī)變頻控制裝置”，已投入到油田使用，收到較好效果。

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