石油钻采设备气动元件自动测控试验台.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 l 2期 石油钻采设备气动元件自动测控试验台 周连 俭 江苏师范大学 ， 江苏 徐州2 2 1 1 1 6 摘要 该文 针对 目前 气动元件试验存在的问题 ， 综合石 油钻 采设 备气 动元 件行业标准中各气动元件试验 回路 ， 设计 了石油钻采设备 气动元件试验气压系统 ， 开发 了基于工业控制计算机的 自动试验测控系统 ， 采用多线程和 中断技术对试验过程进行实 时控制 ， 实现 了 行业标准要 求的各项 出厂性能试验 。工业性试验结果表 明， 试 验台性能稳定 、 工作可靠 。 关键词 气动元件 ； 试验 台； 自动测试 中图分类号 T H1 3 8 ； T E 9 2 7 ； T E 9 3 7 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 1 1 - 0 0 3 2 0 4 Aut o ma t i c M e a s u r e me nt a n d Co n t r o l Te s t Be nc h f o r Pne u m a t i c Co mpo ne n t s o f Pe t r o l e u m Dr S l l i n g a nd P r o d u c t i o n Eq u i p m e nt ZHOU Li a nqu a r t J i a n g s u N o r ma l U n i v e r s i t y ， X u z h o u 2 2 1 1 1 6 ， C h i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f t h e c u r r e n t e x i s t i n g p r o b l e ms i n t h e p n e u ma t i c c o mp o n e n t s t e s t ， t h i s a r t i c l e i n t e g r a t e d t h e p n e u ma t i c c o mp o n e n t s t e s t c i r c u i t s i n i n d u s t r y s t a n d a r d o f p e t r o l e u m d ril l i n g a n d p r o d u c t i o n e q u i p me n t ， d e s i g n p n e u ma t i c t e s t s y s t e m f o r p n e u ma t i c c o mp o n e n t s o f p e tr o l e u m d ri l l i n g a n d p rod u c t i o n e q u i p me n t ， b a s e d o n i n d u s t ria l c o n t r o l c o mp u t e r d e v e l o p e d me a s u r e me n t a n d c o n t r o l s y s t e m， r e a l - t i me c o n t r o l l e d t h e t e s t p r o c e s s u s i n g t h e t h r e a d s a n d i n t e r r u p t t e c h n o l o g y ， r e a l i z e d t h e p e r f o r man c e t e s t o f t h e f a c t o r y ． I n d u s t ri al t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e t e s t b e n c h c a n wo r k s t a b l y a n d r e l i a b l y ． Ke y wo r d s p n e u ma t i c c o mp o n e n t s ；t e s t b e n c h ；a u t o ma t i c t e s t 0 前言 目前气压传动技术的应用范围非常广泛， 在工业 各领域， 如机械 、 电子 、 钢铁 、 运输车辆及 制造 、 橡胶 、 纺织 、 化工、 食品、 包装 、 印刷和烟草领域等， 气压传动 技术 已成为基本组成部分。在尖端技术领域如核工业 和宇航中， 气压传动技术也 占据着重要的地位f 1 1 。 在石 油钻采设备中存在大量气动 回路 。 国产气动元 件和 国外相 比，气动企业产品样本上 的数据也存在两个 突出的问题 ， 一是完整性 ， 大部分企 业不知道气动元件有哪些完整 的检测项 目，更没有做 过完整 的产品性能试验 ； 二是可信度问题 ， 要么不提供 产品性能参数 ， 要么照抄 国外同类产品数据 ． 从没真正 做过试实验[ 2 1 。所以需要研制气动元件试验台对气动元 件进行功能和性能检测 。 目前气动元件生产厂和修理厂使用的气动元件检 测设备存在诸多缺点『 3 卅 试验项 目与标准不符 ， 无法判 收稿 日期 2 0 1 2 0 4 1 1 作者简介 周连俭 1 9 6 6 一 ， 男 ， 河南鹿 邑人 ， 教授 ， 高级 工程师 ， 博 士 ， 主 要 从事液压和气动伺 服控制 、 智 能控制 、 嵌入式 实时控制等方 面的教学 和科研工作 。 32 断试验结果的有效性 只能对气动元件 的部分功能和 性能检测 ； 试验过程无法监督 ． 随意性大 ， 不能保证所 有项 目做 了试验 ， 试验数据手工抄录 ， 可信度差 ， 试验 数据不利于管理 ； 试验压力大部分 由机械表显示 ， 由于 压力量程 大 ， 压差和压 降分辨率低 ； 试验报表不规范 ， 不符合标准要求 。 我们研制的石油钻采设备气动元件 自动测控试验 台的特点是 可对石油钻采设备中的各种气动元件按 石油天然气行业标准进行 出厂试验 ；试验项 目严格按 标准要求进行 ； 试验过程全部 由计算机 自动控制完成 ； 试验数据 由高精度 的传感器测量 ，检测精度达到标准 要求 ； 计算机绘制多种试验曲线 ； 试验报表按标准要求 设计 ； 试验数据可存贮和管理。 l 设计依据和技术参数 1 ． 1 依 据标 准 试验台设计依据 中华人 民共和国石油天然气行业 标准 S Y ／ rI 1 5 0 2 7 2 0 0 6 石油钻采设备气动元件 标准 要求 ， 完成相关气动元件参数测定和出厂性能试验。 1 ． 2试 验项 目[5 1 根据标 准要求 。拟定 气动元 件试 验项 目如表 1 所示 。 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a t s ／ NO ． 1 2 ． 2 0 1 2 表 1 气动元件试验项 目 元件 试验项目 换向阀 单流阀 快速排气阀 梭阀 调压阀 顺序阀 节流阀 单向节流阀 气 缸 旋转导气街头 泄漏量、外观质量、有效截面积、正常换向 泄漏量、外观质量、 自由流道额定流量 泄漏量 、外观质量、有效截面积、最低工作压力 泄漏量、外观质量、有效截面积、正常换向、 l s 厂 _ ． ． 最低 工作 压力 ◇ 寺 泄漏量 、外观质量、调节特性 泄漏量、外观质量、开闭压力 泄漏量、外观质量、节流流道额定流量 泄漏量、外观质量、 自由流道额定流量、 节流流道额定流量 泄漏量、外观质量、空载性能、换向时间 泄漏量、外观质量、有效截面积、正常运转 1 ． 3技术参数 根据油井设备 中气压元件的类 型和参数及标准要 求 ， 确定试验系统的设计参数如下 1 气源压力为 1 ． 0 MP a ； 2 输出压力精度为 0 ． 5 ％； 3 试验台气源入 口过滤装置精度为 1 5 1 m； 4 使用环境湿度 1 0 ％～ 9 0 ％R H， 使用环境温度 0 ～ 5 0o C 5 压 力传感 器相对 精度 0 ． 2 5 ％F S ， 采集 绝对精 度 0 ． 0 1 MP a ； 6 压力表精度 1 ． 5级 ； 7 电源 A C 2 2 0 2 0 V， 5 0 H z 。 2 设计方 案 2 ． 1 气 压 系统设 计 气压 系统原理如 图 1所示 。此 系统综合 了标 准 S Y ／ T 5 0 2 7 2 0 6 石油钻采设备气动元件 中要求 的所 有气动元件 出厂试验回路。 气源站 1 供给的压缩空气经节流 、 调压和过滤后 ， 供气压试验系统使用 ，图中 8 1是气动 阀试 验通道电 磁阀 ， 当进行各种气动 阀试验 时， 开启此阀给被试件供 气 。8 2和 8 4是大小气瓶充气 阀． 8 3和一 5是大小气 瓶放气 阀， 在测试被试阀有效截面积时使用。 节流阀 1 6 用来对被试压力控制阀出 口加载。调压阀 1 5用来调节 控制 口的输 出压力 ， 当控制 口不用时 ， 关闭截止阀 7， 防 止系统漏气 。 8 - 6是气缸试验通道电磁阀， 电磁 阀 1 3 用 来控制被试气缸换 向，单向节流阀 1 4 1和 l 4 2控制 气缸运动速度。 2 ． 2试 验原 理描 述 1 泄漏 量试 验 1 阀泄漏量试验 将被试气动 阀连接到气压操作 9 - 4 1 1 5 上 K 1 7 6 -3 々巧] 4 6 - 4 3 - 2 l I 1 4 一 - 1 ． E 。广_ 1 6 r r 5 - 3 s 晰 1 一 气 源站2 一 三联件3 一 温度传感器4 一 系统流量传感器5 一 节流 阀 6 一 消声器7 一 截 止阀8 - Z位二通电磁换向阀9 一 压力传感器 1 0 一 压力表1 1 - 小气 瓶组1 2 一 大气瓶组1 3 一 两位 四通 电磁换 向阀 1 4 一 单 向节流 阀 1 5 一 调压阀 l 6 一 节流阀 l 7 一 泄漏流量传感器 A 一阀试验进气 13 B 一 系统流量 测试 13 C 一 阀试验加载 17 I D一 泄漏 流量测试 13 K 一 控制气压 口 S - 被试气 动元件 图 1 试验台气压 系统原理 图 台上 ， 进气 口与 A相通 ， 泄漏 出口与 D E l 相连 ， 调节系 统压力使 A口压力为被试 阀标称压力 ，用微流量计 l 7 测量 或用水盆和量筒收集 泄漏量 ； 2 气缸泄漏量试验 将被试气缸连接到气压操作 台上 ，加压 腔 与 E或 F口相通 。泄漏 腔 出 口与 D 口相 连 ，调节系统压力为被试缸标称压力 ，用微流量计 1 7 测量 泄 漏量 。 2 有效截面积试验 将被试气动元件试验通道进气 口与 A相连 ，试验 通道出 口与 B口相连 ， 打开 电磁阀 8 2或 8 4 由被试 阀通径确定 ， 见标准中的表 2 3 ， 给气瓶充气 ， 当压力达 到 0 ． 5 3 MP a 后 ，关闭充气 阀并稳定 l mi n ，打开排气阀 8 3或 8 5 ，使稳定后 的气罐压力通过被试 阀排 人大 气 ， 计录 出口压力 由压力表 1 O 一 3显示 从 0 ． 5 MP a降 到 0 ． 2 MP a的排气时间 ， 此试验做三次 ； 卸掉被试 阀， 使 A口与 B口直接相连 ，重复以上过程做三次 ；按标准 7 ． 6 ． 2 ． 5中的公式计算有效截面积 S值 。 3 流道额定流量试验 将被试阀测试通道进气 口与 A 口相连 ， 测试通道出 气 口与 B口相连 ， 调节系统压力使 A口压力为 0 ． 3 MP a 。 并保持此试验压力。待 B口流量稳定后由系统流量计 4 测量流量值 。以上试验做三次 ， 取算术平均流量。 4 最低工作压力试验 将被试 阀进气 口与 A口相连 ，出气 口与 D 口和 C 口相连 ， 关闭节流 阀 1 6 ， 开电磁 阀 8 1 ， 打开节流阀 5 3 ～ 纬 r●●●●●●●●●●●●L ● ● ● r 7 f ～ 液 压 气 动 与 密 ／ 2 0 1 2年 第 1 2期 调节系统压力使 A口压力缓慢上升 ，当被试阀的出口 有 压力输 出 压力表 1 0 3显示 ， 最大泄漏量 由微 流 量计 1 7记录 不大于规定值时 ，记录被试 阀进 口 A V I 的压力值 压力表 1 O 一 2显示 。以上试验做三次 ， 取 算术平均流量 。 5 调 压特 性试验 调压阀做此项试验。 将被试阀进气 口与 A 口相连 。 出气 口与 C口相连 ， 开电磁 阀 8 1 ， 调节系统压力为被 试 阀的标称压力 ， 调节节流 阀 1 6 ， 使被试阀出口能建立 起来压力 ，均匀 、连续的调节被试 阀，使标称压力为 0 ． 8 MP a的被试阀出口压力在 0 ． 0 5 ～ 0 ． 6 3 MP a 标称压力 为 1 ． 0 MP a的被试阀出口压力在 0 ． 0 5 ～ 0 ． 8 MP a 范围内 变化 ， 观察压力升降情况。 。以上试验做三次。 6 开 闭压 力试验 顺序阀做此项试验。 将被试阀进气 口与 A口相连 ， 出气 口与 C口相连 ， 开 电磁 阀 8 1 ， 调节节 流阀 1 6 ， 使 被试 阀出口能建立起来压力 ，调节系统压力 由低到高 缓慢增加 ， 当工作 口有压力输出 压力表 1 0 3显示 且 等于输入压力时 ，记录输入 压力值 压力表 1 0 2显 示 。重复以上试验三次 ， 取其算术平均值作为开启压 力值 。 调节系统压力 由高到低缓慢降低 ，当工作 口压力 压力表 1 O 一 3显示 降到零时 ， 记 录输入压力值 压力 表 l 0 2显示 。重复以上试验三次 ， 取其算术平均值作 为关闭压力值 。 7 空 载性 能试验 气缸做此项试验。将被气缸 的两腔分别与系统 的 E、 F V I 相连 ， 给被试气缸输入试验压力 ， 使其往复运动 数次。交替 向气缸 的无杆腔及有杆腔通入标称压力 的 压缩空气 ，调节输入端的单 向节流 阀将气缸的速度控 制在 1 0 0 m m ／ s 。观察气缸是否运动平稳、 无爬行现象。 8 流量性能试验 调压阀做此项试验。 将被试阀进气 V I 与 A 口相连 ， 出气 口与 C口相连 ． 关闭截止 阀 7 ， 给被试件的气源 口 通入压缩空气 ， 并在试验过程 中保持压力恒定。调节被 试件使出口压力为 0 ． 5 MP a 。并使用出 口流量逐渐增大 到规定值 。绘制出口压力与流量之间的关系曲线。 2 ． 3计算机测控系统 图 2为试验台计算机测控系统硬件框 图， 4路压力 传感器、 2路温度传感器和 2路流量传感器将被气动系 统的压力 、 温度和流量转换成 4 ～ 2 0 m A电流信号 ， 经过 信号调理转化为 0 ～ 1 0 V的电压信号 ，由数据采集模块 模数转换后经 U S B V I 送入计算机。计算机发出的电磁 阀控制信号经继电器端子板放大后驱动电磁阀。 3 4 电磁阀 8 压力传感器 4 温度传感器 2 流量传感器 2 _ _ 1 皇 堂 堡 4 0 2 0 mA 信号调理板 A 1 - I Vl 6 B 工业控制计 图 2计 算 机 测 控 系统 框 图 在 Wi n d o w s X P下采用C 语言开发 了{ 贝 9 控系统 ， 可对换 向阀、 单向阀、 快速排气阀、 梭阀、 调压阀、 顺序阀、 节流阀、 单 向节流阀、 气缸 、 旋转导气接头进行有关性能 检测 。 换向阀试验界面如图 3所示。 在此界面可对换向阀 的泄漏量 、 外观质量、 有效截面积、 正常换 向性能进行试 验。 试验时计算机 自动控制电磁阀动作 ， 开启或关闭气动 回路 。 为被试件营造试验工况 ， 自动采集相应的压力、 流 量、 温度等数据。 计算机对测试的数据进行处理和分析 。 完成所有试验项 目后 自动形成试验报告 ， 如图4所示。 图 3换 向阀试验界面 换向 试验报告 翌 巫 量 苎 墼 竺 墨 j 防镑钢处理 √ 防护层无缺陷帆 许撮合面错位量 2 ． 0 试验值 1 2 错位置结果 4 允 图 4换向阀试验报告 3结论 本试验 台由工控机 自动控制各 电磁阀动作 ，自动 Hy d r a ul i c s Pne umat i c s＆ Se a l s ／ No ． 1 2． 201 2 液压起竖系统载荷仿真研究 周大星 ， 瞿 军 1 ． 海军航空工程学院 研究生管理大队， 山东 烟台 ， 2 6 4 0 0 1 ； 2 ． 海军航空工程学院 飞行器工程系 ， 山东 烟台 ， 2 6 4 0 0 1 摘要 针对某特种车辆的液压起竖系统 ， 根据其运 动状态 和运动方程 ， 分别建立 了起竖液压缸活塞杆位移 和流量计算模型 、 液压负载 力矩计算模型 和液压缸起竖力计算模型 。基于 A ME S i m 软件 建立起液压起竖系统及载荷 的仿真模型 ， 并进行 了动态仿真 ， 得到了液压 缸 活塞杆 的位 移和速度 、 液压缸无杆腔 的压力与流量 、 液压负载力 矩和起竖力等参量的曲线。 分析各个参数动态特性 ， 对 与负载相关 的 参量有 了定量 的认识 。研究结果 可为起竖 系统 的结构优化设计 、 故障诊断提供参考 。 关键 词 起竖系统 ； 载荷 ； A ME S i m； 仿 真 中图分 类号 T H1 3 7 ． 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 1 2 0 0 3 5 0 4 Lo a d S i mu l a t i o n S t ud y o f Hy d r a u l i c Er e c t i on S y s t e m Z HO U D a - x i n g 1 ， Qu J u n 1 ． N a v a l A e r o n a u t i c a l a n d As t r o n a u t i c a l U n i v e r s i t y G r a d u a t e S t u d e n t s ’ B ri g a d e ， Y a n t a i 2 6 4 0 0 1 ， C h i n a ； 2 ． N a v a l A e r o n a u t i c a l a n d As t r o n a u t i c al U n i v e r s i t y De p a r t m e n t o f Ae r o c r a f t E n g i n e e ri n g ， Y a n t a i 2 6 4 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e c o mp u t a t i o n a l mo d e l s o f t h e c y l i n d e r ’ S r o d d i s p l a c e me n t a n d fl o w r a t e ， t h e h y d r a u l i c l o a d mo me n t a n d t h e e r e c t i o n f o r c e o f t h e c y l i n d e r i n h y d r a u l i c e r e c t i o n s y s t e m o f t h e s p e c i a l v e h i c l e w e r e b u i l d u p ， a c c o r d i n g t o t h e mo t i o n s t a t e s a n d e q u a t i o n ． Ba s e d o n AMES i m s o f t ， s i mu l a t i o n mo d e l s o f h y d r a u l i c e r e c t i o n s y s t e m a n d i t s l o a d w e r e s e t u p ． D y n a mi c s i mu l a t i o n wa s c o mp l e t e d t o g e t s i mu l a t i o n c u r v e s o f p a r a me t e r s i n t e r r e l a t e d l o a d ， s u c h a s t h e c y l i n d e r ’ S r o d d i s p l a c e me n t a n d v e l o c i t y ， p r e s s u r e a n d fl o w r a t e i n t h e c y l i n d e r v o l u me wi t h o u t r o d ， t h e h y d r a u l i c l o a d mo me n t a n d t h e e r e c t i o n f o r c e ． Af t e r a n a l y s i s o f t h e p a r a me t e r s ’ d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c ， q u a n t i f i e a t i o n a l a c q u a i n t a n c e s h i p wa s g o t ． T h e r e s e arc h c o n c l u s i o n s c a n o ff e r r e f e r e n c e s f o r o p t i mi z i n g d e s i g n a n d ma l f u n c t i o n d i a g n o s i s ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c e r e c t i o n s y s t e m ； l o a d； AMES i m ； s i mu l a t i o n O 引言 起竖系统是将导弹由水平运输状态起 竖成倾斜发 射状态 的机构。在某特种车辆上 。 液压起竖系统结构为 三铰点式 ， 主要包括起竖液压缸、 起落架和起竖耳轴口 2 1 ， 如 图 1 所示 。 工作时 ， 液压力作用于起竖液压缸 ， 活塞杆 伸出或收回， 支撑装载导弹发射筒的起落架围绕 回转耳 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 2 5 作者简 介 周大 星 1 9 8 5 一 ， 男 ， 河北灵 寿人 ， 硕 士研究生 ， 研究方 向为兵 器发射理论与技术 。 图 1 液压起竖系统示意图 轴转动 ， 完成起竖和回平动作。 在此过程中， 起竖系统的 载荷在不断变化 ， 其受力情 况 比较复杂 ， 影响液压系统 的稳定性与可靠性 ， 因此 ， 有必要对起竖过程中的载荷 进行分析 ， 研究载荷变化对液压 系统参数 的影响 ， 增进 完成气动元件的各项功能和性能试验 。采用多线程技 术采样压力 、 流量 和温度信号 ， 并绘制测试 曲线 、 生成 试验报表。经工业性试验和现场使用表明 ， 试验 台工作 可靠 、 性能稳定 ， 各项指标达到 了设计要求。 参考文 献 [ 1 】1 杨 天兴 ． 气 动 技 术 的发展 现状 及 其应 用 前 景[ J ] ． 实用 技 术， 2 0 1 2 ， 4 3 9 - 4 1 ． -● 一- - [ 2 】 路波， 江爱青， 等． 气动元件质量检测标准及评判[ J ] ． 液压气动 与密封 ． 2 0 1 2 ， f 2 7 7 ～ 8 1 ． 【 3 】 张冬明． 基 于模 块化气动元件性能 测试 平台开发【 D ] ． 杭 州 浙 江大学． 2 0 1 1 ． [ 4 ] 温济全 ， 张国贤 ， 等． 多功 能气 动元件测试 台的开发[ J ] ． 液压气 动 与密 封， 1 9 9 9 ， 4 1 3 9 ～ 4 1 ． [ 5 】 S Y ／ T 5 0 2 7 2 0 0 6 ， 石油钻采设备用气动元件[ s ] ． 3 5