机械系统与信号处理

机械系统与信号处理往复泵的阀运动特性摘要在往复泵的研究中，很少有关于往复泵的状态、行为模拟或经验分析的报道。本文以三缸单作用往复泵为研究对象。作为研究对象，我们建立了一个测试阀瓣运动参数的实验系统，以直接获取阀瓣的运动参数(加速度、速度和位移)。)在实际情况下。并将试验结果与U.Adolph理论和近似理论的计算结果进行了比较。在近似理论中，阀盘议案没有得到充分考虑，因而与实际情况有很大的偏差。与近似理论相比，U.Adolph理论更适合于确定Valv值阀瓣在不同冲程下的运动参数可以很好地解释阀的跳跃和滞后现象。提出了一种新的泵测试方法和实验系统。为阀门设计理论、阀瓣损伤机理和泵故障诊断提供了一种新的研究方法。1.介绍往复泵是石油钻机的心脏。阀瓣也是往复泵液压端的关键部件，其主要作用是使抽油阀和排出阀发生变化。在液压缸中连接或分离，从而控制钻井液的单向流动。泵阀阀瓣也是一个磨损部件。为了提高工作绩效并对泵的工作条件、延长其使用寿命、往复泵阀动力学及其损坏机理进行了广泛的研究[1-6]。国内外研究往复阀阀瓣运动主要集中在数值计算和仿真上。研究了往复泵阀瓣的运动特性及各种参数的影响。通过数学模型模拟往复泵阀的运动研究[7，8]。建立了数学模型和有限元模型[9-13]，然后对它的运动进行了分析。阀盘的运动规律是根据U.Adolph运动微分方程[14，15]进行的。相关的实验研究主要涉及磨损零件的故障诊断和信号处理。往复泵[16-19]。泵的参数通常由安装在泵吸入或排放管上的压力表和流量传感器以及安装在泵阀外的加速度传感器获得。到目前为止，阀瓣的运动参数还没有被直接实验检测出来。理论分析还没有结合实际的泵试验参数来研究其运动规律。各种理论的准确性理论计算仍然是未知的。本文提出了一种新的往复泵阀瓣运动参数测试方法。在新的方法中，压电加速度计和电感频率-在液压作用下，在阀盘上安装了调制式位移传感器。此外，还建立了阀瓣运动参数(加速度和加速度)的测试系统。在不同的工作条件下，实时地进行置换。然后，我们比较了近似理论[20，21]和U.Adolph理论得到的阀盘运动的计算结果，得出了t的结论。为进一步研究往复泵的设计、阀门损坏机理和故障诊断提供了依据。泵阀阀瓣运动理论展示了往复泵阀的运动原理。以排放阀为例，假设活塞位于排放阀的右侧。当排放过程开始，活塞开始从右向左排出液体。然后液压缸内的液体推动排出阀盘上升。则排放阀打开,液体经由阀盘和阀座之间的间隙流入排出腔。在卸料过程结束时,该盘从某一高度(H)下降到其在A下的阀座,它本身的重量、弹簧的弹性力和液体压力(Pjp1P2J)。这样，排放阀就关闭了，活塞室与排放卡分离了。姆伯。最后，完成了排气阀的开闭过程。近似理论和U.Adolph理论在往复泵阀的计算和设计中得到了广泛的应用。这两种理论分别描述如下。2.1。近似理论近似理论是建立在以下假设之上的。首先，阀瓣是无质量的。其次，弹簧力(R)保持不变。第三，流体是不可压缩的。泵是无弹性的。第四，在阀盘运动过程中，液压缸充满了连续的液体。根据伯努利方程,阀盘位移最大值、速度和加速度可表示如下[22]：hmax¼Frωð1Þμπdvpffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi2gHvsinθvmax¼Frω2¼hmaxωð2Þμπdvpffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi2gHvsinθamax¼Frω3¼hmaxω2ð3Þμπdvpffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi2gHvsinθHv¼GþRð4fvγ其中f是活塞的工作区域，m2，r是曲柄半径，m，ω是曲柄角速度，rad=s，μ是阀流量系数，θ是锥形阀盘的锥角(如图所示)。n如图所示。1)dg，dV是阀瓣的直径，m，fv是阀瓣的截面积，m2，G是重力，N和γ是液体的比重，N=m3。2.2。U.Adolph理论在实际情况下，应考虑阀瓣的惯性力、阀瓣质量、弹簧力(R)和气门间隙内流速的变化。1968，德国学者U.Adolph考虑了上述参数的变化，推导了阀盘运动的二阶非线性常微分方程UAdolph理论，具体如下：T2h2h″þh3þAh2εBfðϕÞ2þεCfðϕÞh0εDh02¼0ð5ÞfðφÞ¼ðsinφ7λ=2Usin2φÞð6ÞT2m;AGþR;B¼¼ξρFfr;¼KK2Klvsin2θC¼ξρFfv2rωD¼ξρfv3;Kl2sin2θ2Kl2sin2θvv其中R0是弹簧预载，N，K是弹簧常数，n=m，m是阀瓣的重量，公斤，Lv是气门间隙周围的长度，和F（φ）以一个积极的迹象的杆端排出阀的吸入阀和负标志。在活塞杆的另一面，符号与上述结果相反。每个泵阀行程的起始点设置为φ0。通常，阀盘运动的近似理论适用于低速往复泵(低于120次/min)。高速往复泵(200次/min以上)的计算近似理论的误差太大。因此，有必要采用精确微分方程U.Adolph理论来解决这个问题[12，17，18]。这两位IES在泵的设计中得到了广泛的应用。一些学者通过仿真和计算研究了这些理论的正确性，但对这些理论的正确性的实验验证方法很少进行研究。本文建立了阀盘运动测试系统，以获得阀瓣的运动参数。本文将理论分析与实验研究相结合，以达到以下目的：获得更准确的泵阀阀瓣运动描述。阀门阀瓣运动测试系统的组成采用BW-250型水平三缸单作用往复泵作为试验泵。该泵具有两缸直径和四档泵，其工作原理和结构参数均符合要求。与油田中广泛使用的普通三缸单作用往复泵相同。2.给出了阀瓣运动信号测试系统。加速度与离散利用加速度传感器和电感调频位移传感器分别实时测量水泥信号.这两个传感器是防水压缩型和安装INS。阀室的位移信号和加速度信号分别通过位移信号调理仪和电荷放大器发送到数据采集卡。实际是利用阀瓣运动测试系统，获得了往复泵阀瓣的加速度、速度和位移参数，并对其进行了分析。电感频率的工作原理Cy调制式位移传感器如下.阀杆的前部与阀板直接接触。当阀盘上下移动时，传感器可以测量频率s。经过信号处理后，将频率信号转换为位移信号。这种电感调频位移传感器需要直流电源.。为了排空液体泄漏在泵阀的入口，安装的传感器应该密封良好。4.阀盘运动特性4.1.试验结果采用LabVIEW软件开发的阀盘运动测试系统，通过安装在泵内的传感器，分别对加速度和排量信号进行实时测量。采用LabVIEW软件开发的阀盘运动测试系统，通过安装在泵内的传感器，分别对加速度和排量信号进行实时测量.对原始信号进行去噪和滤波后，得到实际的运动参数(如最大加速度、速度和位移)。加速度和位移数据的两个传感器所获得的。速度数据进行集成的加速度数据采集。图3显示的加速度、速度、位移在泵转速为72次/min、液体压力为1MPa的条件下采集振动信号。如图3所示加速度、速度和位移波形在72次/min时的变化具有一定的频率。阀瓣运动的完整周期约为0.75s。接受者阀瓣运动过程中的波动相对稳定，但在阀瓣开闭时加速度有显著变化。如图3所示,加速度、速度和位移波形在72次/min时的变化具有一定的频率。阀瓣运动的完整周期约为0.75s.。阀瓣运动过程中的波动相对稳定，但在阀瓣开闭时加速度有显著变化。如图(A)和(B)，排放阀的加速度峰值(2.323m/s2)和速度峰值(0.1405m/s)出现在开启时刻，当活塞的死点（排气阀关闭）时加速度和速度值双重下降到零，这表明，阀盘在开启时刻在液压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阀座上。然后，在完成排气阀的吸入过程后，将加速度和速度降到零。在图3(C)中在整个循环中，阀盘的位移曲线实质上基本上是一个峰值。在初始0.2秒内，阀瓣最大位移(4.288mm)当阀瓣落在阀座上时，阀瓣开始弯曲，然后逐渐减小。运动后，阀瓣进入稳定阶段，这意味着吸入阀工作，排放阀关闭。按照同样的方法，阀瓣的运动对不同冲程频率(42次/min、116次/min、200次/min)的阀门分别进行了测试和比较，得出了相同的变化规律。4.2。U.Adolph理论的仿真结果U.Adolph二阶非线性微分方程可转化为一阶微分方程，具体如下：8dth0dh<dh¼εDh02εCfðϕÞh0εBfðϕÞ2hAð7Þ:dt¼ThThþThTT阀瓣的运动参数和振动信号为72次/min：(A)加速度；(B)速度；(C)位移。BW250往复泵的结构参数见表1。泵的运动参数分别为：行程频率72次/min，压力1MPa，阀瓣开启角151[8]，初始速度和压力。阀瓣开启时刻位移为零[12]用Matlab软件中的四阶龙格-库塔法求解。如图4所示。阀盘开启时刻，速度在很短的时间内达到最大值，然后逐渐减小，直至阀瓣关闭。1801年的曲柄角(活塞处于死点位置)由于阀瓣与阀座之间的间隙引起的威斯特现象，滞后高度为0.4mm。Adolph理论模拟曲线和测试曲线显示出一致的运动规律。首先，阀盘速度在开启时刻达到最大值，然后逐渐减小直到阀门阀瓣关闭。阀盘位移曲线显示出峰值形状，在开启或关闭时刻其值较小(接近于零)。最大值出现在阀门期间。根据同一方法，对不同行程频率(42次/min、116次/min和200次/min)下的阀盘运动进行了测试和比较得到相同的变化规律。5结果与分析根据近似理论和U.Adolph理论，采用数值软件对不同冲程频率(42次/min、72次/min、116次/min、200次/min)下的阀瓣运动参数进行求解。流体压力为1MPa。给出了72次/min冲程频率下速度和位移的理论解和实验测量结果。如图5（a），近似理论速度曲线像余弦曲线。美国阿道夫理论速度跳跃在阀瓣开启的时刻，然后逐渐减小，最大值降到零。然而，在运动过程中，测量到的速度跃升到最大值，而不是立即下降。测量到的速度在运动和运动中略有变化。EN降低到接近零的值，直到活塞到达死点(曲柄角在1801)。在不同条件下的位移曲线如图5(B)。位移曲线用近似理论计算得到的位移为零，近似为正弦曲线，在开合时刻位移为零。用U.Adolph理论得到的位移曲线也是正弦波曲线。但阀瓣在运动前以一定的角度开启，在运动结束时阀瓣的位移不达到零。这种现象称为阀盘滞后现象。结果表明，所测位移曲线在阀瓣开启前有一个稳定的周期，然后位移值开始上升。此更改指示阀门阀瓣打开一定的角度。根据比较分析(图5)用U.Adolph理论得到的速度和位移结果与实验结果更接近，包括实际的运动现象(如阀瓣的跳动和滞后。近似理论可以描述阀瓣在运动过程中的速度和位移变化，但其精度低于U.Adolph理论。而且，近似理论不能合理地解释阀盘的跳跃和滞后现象。阀盘运动的最大值Pa根据近似理论、U.Adolph理论和实验测量，计算了不同冲程频率和1-MPa压力下的激光测定仪(表2)。表1泵阀的结构参数。Parametersm(kg)dv(mm)K(Nm1)s(mm)F(mm2)θ(deg)fv(mm2)lv(mm)Values1.8136230001005026.5603019195Adolph理论得到的阀盘速度和位移曲线：(A)速度和(B)位移。Pei等人/机械系统和信号处理66-67(2016)657-664不同工况下阀瓣速度和位移的比较曲线：(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给出了不同参数值的比较结果。可以看出，泵转速越高，U.Adolph理论的加速度和速度曲线就越明显。离子更接近实验结果。加速度误差从22%降低到9.1%，速度误差从18.5%减小到5%。然而，近似理论的数据是有意义的。与U.Adolph理论和实验测量结果不同，由于忽略了惯性力和弹簧力效应，误差最小为52.5%。位移计算D与U.Adolph理论吻合较好，相对误差小于10%。虽然用近似理论计算的位移与计算结果一致。用其他两种方法，其适用性相对较低。因此，这一理论不能推广到加速度或速度的计算中，并显示出一定的局限性。总之，对于低速往复泵(n=1/442，72和116倍/min)，随着泵速的增加，用近似理论计算的排量值逐渐接近实验值。ntal值和误差从31%减小到3.3%。但是，当泵转速提高到200次/min时，误差增加到16%。因此，该方法适用于位移计算。在低速泵上。近似理论得到的速度和加速度值误差较大，最小误差达到52.5%。比较而言，参数之间的偏差用U.Adolph理论和实际测量得到的结果表明，当泵转速增加时，泵的转速小于10%。以上讨论表明，美国Adolph方法不仅适用于低速泵也是高速泵。Adolph理论是在实际工作条件下发展起来的，可以提供更精