機(jī)械系統(tǒng)與信號(hào)處理

機(jī)械系統(tǒng)與信號(hào)處理往復(fù)泵的閥運(yùn)動(dòng)特性摘要在往復(fù)泵的研究中，很少有關(guān)于往復(fù)泵的狀態(tài)、行為模擬或經(jīng)驗(yàn)分析的報(bào)道。本文以三缸單作用往復(fù)泵為研究對(duì)象。作為研究對(duì)象，我們建立了一個(gè)測(cè)試閥瓣運(yùn)動(dòng)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以直接獲取閥瓣的運(yùn)動(dòng)參數(shù)(加速度、速度和位移)。)在實(shí)際情況下。并將試驗(yàn)結(jié)果與U.Adolph理論和近似理論的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。在近似理論中，閥盤(pán)議案沒(méi)有得到充分考慮，因而與實(shí)際情況有很大的偏差。與近似理論相比，U.Adolph理論更適合于確定Valv值閥瓣在不同沖程下的運(yùn)動(dòng)參數(shù)可以很好地解釋閥的跳躍和滯后現(xiàn)象。提出了一種新的泵測(cè)試方法和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。為閥門(mén)設(shè)計(jì)理論、閥瓣損傷機(jī)理和泵故障診斷提供了一種新的研究方法。1.介紹往復(fù)泵是石油鉆機(jī)的心臟。閥瓣也是往復(fù)泵液壓端的關(guān)鍵部件，其主要作用是使抽油閥和排出閥發(fā)生變化。在液壓缸中連接或分離，從而控制鉆井液的單向流動(dòng)。泵閥閥瓣也是一個(gè)磨損部件。為了提高工作績(jī)效并對(duì)泵的工作條件、延長(zhǎng)其使用壽命、往復(fù)泵閥動(dòng)力學(xué)及其損壞機(jī)理進(jìn)行了廣泛的研究[1-6]。國(guó)內(nèi)外研究往復(fù)閥閥瓣運(yùn)動(dòng)主要集中在數(shù)值計(jì)算和仿真上。研究了往復(fù)泵閥瓣的運(yùn)動(dòng)特性及各種參數(shù)的影響。通過(guò)數(shù)學(xué)模型模擬往復(fù)泵閥的運(yùn)動(dòng)研究[7，8]。建立了數(shù)學(xué)模型和有限元模型[9-13]，然后對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析。閥盤(pán)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是根據(jù)U.Adolph運(yùn)動(dòng)微分方程[14，15]進(jìn)行的。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究主要涉及磨損零件的故障診斷和信號(hào)處理。往復(fù)泵[16-19]。泵的參數(shù)通常由安裝在泵吸入或排放管上的壓力表和流量傳感器以及安裝在泵閥外的加速度傳感器獲得。到目前為止，閥瓣的運(yùn)動(dòng)參數(shù)還沒(méi)有被直接實(shí)驗(yàn)檢測(cè)出來(lái)。理論分析還沒(méi)有結(jié)合實(shí)際的泵試驗(yàn)參數(shù)來(lái)研究其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。各種理論的準(zhǔn)確性理論計(jì)算仍然是未知的。本文提出了一種新的往復(fù)泵閥瓣運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)試方法。在新的方法中，壓電加速度計(jì)和電感頻率-在液壓作用下，在閥盤(pán)上安裝了調(diào)制式位移傳感器。此外，還建立了閥瓣運(yùn)動(dòng)參數(shù)(加速度和加速度)的測(cè)試系統(tǒng)。在不同的工作條件下，實(shí)時(shí)地進(jìn)行置換。然后，我們比較了近似理論[20，21]和U.Adolph理論得到的閥盤(pán)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算結(jié)果，得出了t的結(jié)論。為進(jìn)一步研究往復(fù)泵的設(shè)計(jì)、閥門(mén)損壞機(jī)理和故障診斷提供了依據(jù)。泵閥閥瓣運(yùn)動(dòng)理論展示了往復(fù)泵閥的運(yùn)動(dòng)原理。以排放閥為例，假設(shè)活塞位于排放閥的右側(cè)。當(dāng)排放過(guò)程開(kāi)始，活塞開(kāi)始從右向左排出液體。然后液壓缸內(nèi)的液體推動(dòng)排出閥盤(pán)上升。則排放閥打開(kāi),液體經(jīng)由閥盤(pán)和閥座之間的間隙流入排出腔。在卸料過(guò)程結(jié)束時(shí),該盤(pán)從某一高度(H)下降到其在A下的閥座,它本身的重量、彈簧的彈性力和液體壓力(Pjp1P2J)。這樣，排放閥就關(guān)閉了，活塞室與排放卡分離了。姆伯。最后，完成了排氣閥的開(kāi)閉過(guò)程。近似理論和U.Adolph理論在往復(fù)泵閥的計(jì)算和設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。這兩種理論分別描述如下。2.1。近似理論近似理論是建立在以下假設(shè)之上的。首先，閥瓣是無(wú)質(zhì)量的。其次，彈簧力(R)保持不變。第三，流體是不可壓縮的。泵是無(wú)彈性的。第四，在閥盤(pán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，液壓缸充滿(mǎn)了連續(xù)的液體。根據(jù)伯努利方程,閥盤(pán)位移最大值、速度和加速度可表示如下[22]：hmax?Frωe1Tμπdvp???????????2gHvsinθvmax?Frω2?hmaxωe2Tμπdvp???????????2gHvsinθamax?Frω3?hmaxω2e3Tμπdvp???????????2gHvsinθHv?GtRe4fvγ其中f是活塞的工作區(qū)域，m2，r是曲柄半徑，m，ω是曲柄角速度，rad=s，μ是閥流量系數(shù)，θ是錐形閥盤(pán)的錐角(如圖所示)。n如圖所示。1)dg，dV是閥瓣的直徑，m，fv是閥瓣的截面積，m2，G是重力，N和γ是液體的比重，N=m3。2.2。U.Adolph理論在實(shí)際情況下，應(yīng)考慮閥瓣的慣性力、閥瓣質(zhì)量、彈簧力(R)和氣門(mén)間隙內(nèi)流速的變化。1968，德國(guó)學(xué)者U.Adolph考慮了上述參數(shù)的變化，推導(dǎo)了閥盤(pán)運(yùn)動(dòng)的二階非線(xiàn)性常微分方程UAdolph理論，具體如下：T2h2h″th3tAh2εBfe?T2tεCfe?Th0εDh02?0e5TfeφT?esinφ7λ=2Usin2φTe6TT2m;AGtR;B??ξρFfr;?KK2Klvsin2θC?ξρFfv2rωD?ξρfv3;Kl2sin2θ2Kl2sin2θvv其中R0是彈簧預(yù)載，N，K是彈簧常數(shù)，n=m，m是閥瓣的重量，公斤，Lv是氣門(mén)間隙周?chē)拈L(zhǎng)度，和F（φ）以一個(gè)積極的跡象的桿端排出閥的吸入閥和負(fù)標(biāo)志。在活塞桿的另一面，符號(hào)與上述結(jié)果相反。每個(gè)泵閥行程的起始點(diǎn)設(shè)置為φ0。通常，閥盤(pán)運(yùn)動(dòng)的近似理論適用于低速往復(fù)泵(低于120次/min)。高速往復(fù)泵(200次/min以上)的計(jì)算近似理論的誤差太大。因此，有必要采用精確微分方程U.Adolph理論來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題[12，17，18]。這兩位IES在泵的設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。一些學(xué)者通過(guò)仿真和計(jì)算研究了這些理論的正確性，但對(duì)這些理論的正確性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法很少進(jìn)行研究。本文建立了閥盤(pán)運(yùn)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，以獲得閥瓣的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。本文將理論分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，以達(dá)到以下目的：獲得更準(zhǔn)確的泵閥閥瓣運(yùn)動(dòng)描述。閥門(mén)閥瓣運(yùn)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的組成采用BW-250型水平三缸單作用往復(fù)泵作為試驗(yàn)泵。該泵具有兩缸直徑和四檔泵，其工作原理和結(jié)構(gòu)參數(shù)均符合要求。與油田中廣泛使用的普通三缸單作用往復(fù)泵相同。2.給出了閥瓣運(yùn)動(dòng)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)。加速度與離散利用加速度傳感器和電感調(diào)頻位移傳感器分別實(shí)時(shí)測(cè)量水泥信號(hào).這兩個(gè)傳感器是防水壓縮型和安裝INS。閥室的位移信號(hào)和加速度信號(hào)分別通過(guò)位移信號(hào)調(diào)理儀和電荷放大器發(fā)送到數(shù)據(jù)采集卡。實(shí)際是利用閥瓣運(yùn)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，獲得了往復(fù)泵閥瓣的加速度、速度和位移參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行了分析。電感頻率的工作原理Cy調(diào)制式位移傳感器如下.閥桿的前部與閥板直接接觸。當(dāng)閥盤(pán)上下移動(dòng)時(shí)，傳感器可以測(cè)量頻率s。經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后，將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移信號(hào)。這種電感調(diào)頻位移傳感器需要直流電源.。為了排空液體泄漏在泵閥的入口，安裝的傳感器應(yīng)該密封良好。4.閥盤(pán)運(yùn)動(dòng)特性4.1.試驗(yàn)結(jié)果采用LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)的閥盤(pán)運(yùn)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)安裝在泵內(nèi)的傳感器，分別對(duì)加速度和排量信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。采用LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)的閥盤(pán)運(yùn)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)安裝在泵內(nèi)的傳感器，分別對(duì)加速度和排量信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量.對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行去噪和濾波后，得到實(shí)際的運(yùn)動(dòng)參數(shù)(如最大加速度、速度和位移)。加速度和位移數(shù)據(jù)的兩個(gè)傳感器所獲得的。速度數(shù)據(jù)進(jìn)行集成的加速度數(shù)據(jù)采集。圖3顯示的加速度、速度、位移在泵轉(zhuǎn)速為72次/min、液體壓力為1MPa的條件下采集振動(dòng)信號(hào)。如圖3所示加速度、速度和位移波形在72次/min時(shí)的變化具有一定的頻率。閥瓣運(yùn)動(dòng)的完整周期約為0.75s。接受者閥瓣運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的波動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，但在閥瓣開(kāi)閉時(shí)加速度有顯著變化。如圖3所示,加速度、速度和位移波形在72次/min時(shí)的變化具有一定的頻率。閥瓣運(yùn)動(dòng)的完整周期約為0.75s.。閥瓣運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的波動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，但在閥瓣開(kāi)閉時(shí)加速度有顯著變化。如圖(A)和(B)，排放閥的加速度峰值(2.323m/s2)和速度峰值(0.1405m/s)出現(xiàn)在開(kāi)啟時(shí)刻，當(dāng)活塞的死點(diǎn)（排氣閥關(guān)閉）時(shí)加速度和速度值雙重下降到零，這表明，閥盤(pán)在開(kāi)啟時(shí)刻在液壓作用下被推到一定高度，然后在加速度相反的方向迅速下降到閥座上。然后，在完成排氣閥的吸入過(guò)程后，將加速度和速度降到零。在圖3(C)中在整個(gè)循環(huán)中，閥盤(pán)的位移曲線(xiàn)實(shí)質(zhì)上基本上是一個(gè)峰值。在初始0.2秒內(nèi)，閥瓣最大位移(4.288mm)當(dāng)閥瓣落在閥座上時(shí)，閥瓣開(kāi)始彎曲，然后逐漸減小。運(yùn)動(dòng)后，閥瓣進(jìn)入穩(wěn)定階段，這意味著吸入閥工作，排放閥關(guān)閉。按照同樣的方法，閥瓣的運(yùn)動(dòng)對(duì)不同沖程頻率(42次/min、116次/min、200次/min)的閥門(mén)分別進(jìn)行了測(cè)試和比較，得出了相同的變化規(guī)律。4.2。U.Adolph理論的仿真結(jié)果U.Adolph二階非線(xiàn)性微分方程可轉(zhuǎn)化為一階微分方程，具體如下：8dth0dh<dh?εDh02εCfe?Th0εBfe?T2hAe7T:dt?ThThtThTT閥瓣的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和振動(dòng)信號(hào)為72次/min：(A)加速度；(B)速度；(C)位移。BW250往復(fù)泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。泵的運(yùn)動(dòng)參數(shù)分別為：行程頻率72次/min，壓力1MPa，閥瓣開(kāi)啟角151[8]，初始速度和壓力。閥瓣開(kāi)啟時(shí)刻位移為零[12]用Matlab軟件中的四階龍格-庫(kù)塔法求解。如圖4所示。閥盤(pán)開(kāi)啟時(shí)刻，速度在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值，然后逐漸減小，直至閥瓣關(guān)閉。1801年的曲柄角(活塞處于死點(diǎn)位置)由于閥瓣與閥座之間的間隙引起的威斯特現(xiàn)象，滯后高度為0.4mm。Adolph理論模擬曲線(xiàn)和測(cè)試曲線(xiàn)顯示出一致的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。首先，閥盤(pán)速度在開(kāi)啟時(shí)刻達(dá)到最大值，然后逐漸減小直到閥門(mén)閥瓣關(guān)閉。閥盤(pán)位移曲線(xiàn)顯示出峰值形狀，在開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)刻其值較小(接近于零)。最大值出現(xiàn)在閥門(mén)期間。根據(jù)同一方法，對(duì)不同行程頻率(42次/min、116次/min和200次/min)下的閥盤(pán)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試和比較得到相同的變化規(guī)律。5結(jié)果與分析根據(jù)近似理論和U.Adolph理論，采用數(shù)值軟件對(duì)不同沖程頻率(42次/min、72次/min、116次/min、200次/min)下的閥瓣運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行求解。流體壓力為1MPa。給出了72次/min沖程頻率下速度和位移的理論解和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。如圖5（a），近似理論速度曲線(xiàn)像余弦曲線(xiàn)。美國(guó)阿道夫理論速度跳躍在閥瓣開(kāi)啟的時(shí)刻，然后逐漸減小，最大值降到零。然而，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，測(cè)量到的速度躍升到最大值，而不是立即下降。測(cè)量到的速度在運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)中略有變化。EN降低到接近零的值，直到活塞到達(dá)死點(diǎn)(曲柄角在1801)。在不同條件下的位移曲線(xiàn)如圖5(B)。位移曲線(xiàn)用近似理論計(jì)算得到的位移為零，近似為正弦曲線(xiàn)，在開(kāi)合時(shí)刻位移為零。用U.Adolph理論得到的位移曲線(xiàn)也是正弦波曲線(xiàn)。但閥瓣在運(yùn)動(dòng)前以一定的角度開(kāi)啟，在運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)閥瓣的位移不達(dá)到零。這種現(xiàn)象稱(chēng)為閥盤(pán)滯后現(xiàn)象。結(jié)果表明，所測(cè)位移曲線(xiàn)在閥瓣開(kāi)啟前有一個(gè)穩(wěn)定的周期，然后位移值開(kāi)始上升。此更改指示閥門(mén)閥瓣打開(kāi)一定的角度。根據(jù)比較分析(圖5)用U.Adolph理論得到的速度和位移結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近，包括實(shí)際的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象(如閥瓣的跳動(dòng)和滯后。近似理論可以描述閥瓣在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度和位移變化，但其精度低于U.Adolph理論。而且，近似理論不能合理地解釋閥盤(pán)的跳躍和滯后現(xiàn)象。閥盤(pán)運(yùn)動(dòng)的最大值Pa根據(jù)近似理論、U.Adolph理論和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，計(jì)算了不同沖程頻率和1-MPa壓力下的激光測(cè)定儀(表2)。表1泵閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)。Parametersm(kg)dv(mm)K(Nm1)s(mm)F(mm2)θ(deg)fv(mm2)lv(mm)Values1.8136230001005026.5603019195Adolph理論得到的閥盤(pán)速度和位移曲線(xiàn)：(A)速度和(B)位移。Pei等人/機(jī)械系統(tǒng)和信號(hào)處理66-67(2016)657-664不同工況下閥瓣速度和位移的比較曲線(xiàn)：(A)速度和(B)位移表格2ParametersApproximationTheoryU.AdolphTheoryExperimentaltest427211620042721162004272116200amax(m/s2)0.07160.2891.0044.1221.72432.58083.3388.6861.342.3233.1629.53vmax(m/s)0.01630.03850.08260.1970.05150.14050.29760.63930.06320.1690.3240.673hmax(mm)3.75.16.89.42.84.56.49.62.5294.2716.55710.69表2給出了不同參數(shù)值的比較結(jié)果。可以看出，泵轉(zhuǎn)速越高，U.Adolph理論的加速度和速度曲線(xiàn)就越明顯。離子更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果。加速度誤差從22%降低到9.1%，速度誤差從18.5%減小到5%。然而，近似理論的數(shù)據(jù)是有意義的。與U.Adolph理論和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果不同，由于忽略了慣性力和彈簧力效應(yīng)，誤差最小為52.5%。位移計(jì)算D與U.Adolph理論吻合較好，相對(duì)誤差小于10%。雖然用近似理論計(jì)算的位移與計(jì)算結(jié)果一致。用其他兩種方法，其適用性相對(duì)較低。因此，這一理論不能推廣到加速度或速度的計(jì)算中，并顯示出一定的局限性。總之，對(duì)于低速往復(fù)泵(n=1/442，72和116倍/min)，隨著泵速的增加，用近似理論計(jì)算的排量值逐漸接近實(shí)驗(yàn)值。ntal值和誤差從31%減小到3.3%。但是，當(dāng)泵轉(zhuǎn)速提高到200次/min時(shí)，誤差增加到16%。因此，該方法適用于位移計(jì)算。在低速泵上。近似理論得到的速度和加速度值誤差較大，最小誤差達(dá)到52.5%。比較而言，參數(shù)之間的偏差用U.Adolph理論和實(shí)際測(cè)量得到的結(jié)果表明，當(dāng)泵轉(zhuǎn)速增加時(shí)，泵的轉(zhuǎn)速小于10%。以上討論表明，美國(guó)Adolph方法不僅適用于低速泵也是高速泵。Adolph理論是在實(shí)際工作條件下發(fā)展起來(lái)的，可以提供更精