旋转冲击试验（共7篇）
旋转冲击试验 篇1
0 引言
简支梁冲击试验机适用于各种非金属材料和农业物料的冲击韧性测试,是科研机构、大专院校、相关厂矿进行质量检验和农业原料性能研究测试的常用设备。传统简支梁冲击试验机的测量结果数据一般采用刻度盘指针式显示。这种刻度盘是通过机械式转换方式进行显示,受摩擦力和人为读取数据等因素影响,易造成测量数据误差和读数误差。
为了解决以上问题,本文根据旋转编码器、PLC高速计数器的工作原理和扩展功能,对冲击试验机的数据测量系统进行改进,以提高测量结果的准确性。旋转编码器通过光电转换,可将输出轴的角位移、角速度等物理量转换成相应的电脉冲以数字量输出,其在精密定位、速度、长度、加速度、振动等方面得到广泛的应用,特别是在数控机床的精密定位方面使用较多[1]。可编程序控制器(简称为PLC),是一种具有数字运算操作功能的电子装置。它采用可以编程的存储器,执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作指令,通过高速脉冲计数功能,可以连接编码器脉冲信号并进行处理,是当代工业自动化过程中的主要控制装置之一[2]。
1 冲击试验机测量原理
根据国标[3]对能量指示装置的要求,冲击试验机既可以用升角标度,也可以用吸收的冲击能量标度,二者的关系式如下:
式中:W—冲击能量,单位为焦耳(J);MH—摆锤的水平力矩,单位为牛顿米(Nm);α0—起始角,单位为度(0);αR—升角,单位为度(0)。
由公式(1)可以看出,冲击能量与摆锤的水平力矩、起始角和升角三者有关。对于合格出厂的冲击试验机来说,摆锤的水平力矩,起始角出厂时都已给定,是一定值,故冲击能量只与升角有关,如果能精确测量升角值,就能准确计算冲击能量。
2 增量式旋转编码器及在冲击测量中的应用
旋转编码器是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置,它具有分辨率及精度高、结构简单、使用可靠、性价比高等优点,广泛应用于工业领域的速度或角度(位置)的检测[4]。增量式光电编码器是旋转编码器的一种,主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成。增量式光电编码器输出A、B两相互差90度电度角的脉冲信号(即所谓的两组正交输出信号),根据正交信号的先后顺序,可方便地判断出旋转方向。
增量编码器是一种将角位移转换为一连串数字脉冲信号的旋转式传感器,其中角位移的转换采用光电扫描原理,其转换系统以由交替的透光窗口和不透光窗口构成的径向分度盘(码盘)的旋转为依据,同时被一个红外光源垂直照射,光把码盘的图像投射到表面覆盖着一层衍射光栅,并具有和码盘相同的窗口宽度接收器表面上。
利用以上特点,在冲击试验中,当锤转轴带动编码器码盘转轴同轴转动时,接收器感受码盘转动所产生的变化,然后将光变化转换成相应的电变化,并通过电子电路处理后以高、低电平交替的形式输出标准方形脉冲信号。为提高测量系统的稳定性,输出信号传输采用差分方式,有效消除了干扰,可精确记录摆锤的角度。增量编码器输出的正交信号可分为A、B两通道,其中一个通道给出与转速相关的信息,同时,通过两个通道信号进行顺序对比,得到旋转方向的信息[5]。
3 PLC CPU 224的高速计数器及在冲击测量中的应用
西门子公司的S7-200系列可编程序控制器(PLC)具有模拟量处理、通讯联网、系统诊断、中断处理和高速计数等功能。CPU 224是S7-200系列PLC中的典型产品,其具有13KB程序和数据存储空间;基本单元有14点输入和10点输出,最大扩展到168路数字量I/O点或35路模拟量I/O;6个独立的30KHz高速计数器,支持×1方式的正交脉冲(AB相)输入,支持×4方式的正交脉冲(AB相)输入,支持具有内/外部方向控制的单相输入及具有两个时钟输入的双相输入等12种模式的计数功能;具有1个RS-485通信/编程口,是S7-200系列中应用最广的产品[6]。
高速计数器常用于对CPU扫描速度无法控制的高速事件进行计数。每次旋转的指定计数脉冲,作为高速计数器的输入,故在工程上,通常把高速计数器与增量式编码器结合用于角度(位置)的测量[7]。
在进行冲击试验时,用编码器提供标准方形脉冲信号,高速计数器对脉冲信号计数,通过相关程序计算出能量值,并显示在TD200文本显示器上。
4 应用设计
运用旋转编码器和PLC高速计数器对传统机械刻度盘指示冲击试验机进行数字化改造,可分为硬件电路设计及高速计数器等相关程序的设计。
4.1 硬件电路设计
硬件系统组成方框图,如图1所示,编码器使用PLC提供的24V直流电源,其输出信号可不经脉冲信号放大直接接入PLC的高速计数器输入端子进行处理。处理后的数据TD200文本显示设备,直接显示冲击后的能量值。
4.2 程序设计
4.2.1 程序框图(如图2所示)
4.2.2 程序代码及注释
(1)把转存的最大冲击角度值计算为能量值
5 结论
在简支梁冲击试验机上应用增量式旋转编码器和高速计数器,把编码器提供的转轴脉冲作为高速计数器的输入信号,充分利用了编码器的时间、角度高分辨率特性和高速计数器的时效性,避免了刻度盘指针式读数对测量结果带来的误差,从而实现了冲击试验机冲击能量的高精度测量。本设计进一步扩展了增量式旋转编码器和高速计数器的应用领域,为简支梁冲击试验机冲击测试系统设计及工程实验方法提供了实用的参考。
摘要：传统的简支梁冲击试验机的测量数据一般采用刻度盘指针式显示,易造成读数误差、操作不便等缺点。本设计将旋转编码器和PLC高速计数器等电控装置及其功能应用于冲击试验机的测量系统中,分别对硬件电路和控制程序进行设计和编程,使试验机冲击测量结果由刻度盘的指针显示转化为数字显示,从而达到提高冲击试验机测量精度和使用方便性之目的。
关键词：冲击试验机,旋转编码器,PLC高速计数器
参考文献
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冲击旋转钻井技术研究 篇2
随着石油及天然气勘探钻采项目发展趋势的纵深化, 在实际勘探及钻采过程中遇到硬质地层逐渐增多, 这种地层的岩石随着硬度的增加, 可钻性较差。冲击旋转钻井技术, 又称冲击回转钻井技术, 由于其近年来广泛用于解决硬质岩层、大斜度地层等复杂矿层的钻采难题, 已经成为各国矿区、井场广泛关注的钻探硬地层的独门武器, 并深受钻探领域专家的广泛关注。
2 冲旋钻井技术的原理及技术指标
2.1 工作原理
冲击旋转钻井技术的原理可以简单叙述成是一个冲击钻进与旋转转进合二为一的破岩过程, 其核心技术是装配在钻头上部的旋冲接头, 即冲击器。在井下一定钻压的作用下, 井底钻头旋转钻进的同时还受到来自其顶部冲击器的高频冲击应力, 钻头是在连续钻进的旋转力矩和单次钻进的冲击应力下共同完成破岩作用。冲击旋转钻井技术的钻进过程在学术上通常被描述为:井下呈不规则状态排列的岩层由于不断受到钻压的压持作用, 当作用力超过岩石所能承受的最大载荷时, 与钻头接触的岩石开始产生弹性形变, 当迅速增大钻压时, 钻头下部的岩层表面会呈现出微裂纹, 随着作用力的不断增加, 微小的条状裂纹逐渐形成放射状裂纹, 岩石中两个主要的裂纹融合后会形成一个长而窄的破碎区, 当岩石的破碎区扩展到一定程度时, 其表面会突然破裂, 出现许多贝壳状的破碎。然后, 随着作用力增加速度的不断衰减, 钻头的钻进及岩层的崩落不断的吃入和排除两侧产生的剪切体, 当钻压继续下降时, 就会在岩石表面形成一个具有一定体积的破碎坑, 在旋转作用下, 相邻两个破碎坑之间的脊部会被逐渐剪切掉, 最终导致岩石的体积破碎。旋转钻进的同时, 钻头上部联接的冲击器会在井下产生连续的高频冲击应力, 一个齿压入岩石后, 在井底平面内周向移动时, 连续完成多次冲击, 且在一定静压力作用下, 以应力波形式传递的冲击力能有效作用到岩石上, 冲击点密度较大, 两相邻点的冲击波相互重叠, 破碎区相连, 齿面下的岩石易产生体积破碎, 从而大幅度提高岩石破碎量。
2.2 技术指标
2.2.1 冲击功
冲旋钻井技术中所涉及的冲击功指标通常指的是冲击器的冲击功, 其数值应根据矿层岩石的力学性能进行确定和核算, 在实际应用过程中, 根据不同矿区, 不同矿层岩石的特性, 通常选择冲击器的冲击功在250-350J之间。但从理论上分析, 为了达到理想的破岩效果, 冲击器的冲击功应选择在600J以上。
2.2.2 冲击频率
与冲击功相同, 冲旋钻井技术中所涉及的冲击频率通常指的是冲击器的冲击频率, 其数值应根据矿层岩石的力学性能及相关的实验结果进行确定, 在实际应用过程中, 根据不同矿区, 不同矿层岩石的特性, 通常选择冲击器的冲击频率在30Hz左右。
2.2.3 钻压
为了确保钻头在受到冲击器所产生的冲击应力的情况下不产生跳钻现象, 钻压应控制在常规旋转钻井设计钻压的2/3以上。
2.2.4 排量
排量的选取应以满足冲击器所需排量的大小为基础, 可以结合现场钻井的实际要求, 采用25-45L/S的正常钻井排量。
2.2.5 转速
转速与频率存在着一定的数学对应关系, 为了使钻井过程中达到最佳的破岩效果, 应根据不同矿区, 不同岩层的岩石性质, 对转速与频率进行合理的匹配, 增加钻井过程的一次剪切破碎率, 避免使井底产生重复破碎。
3 冲旋钻井技术的优势
3.1 大幅提升钻井速度
实践证明, 相同矿层的岩石钻进速度, 冲旋钻井技术的速率可比传统的旋转钻井工艺提升30%以上, 尤其对于高软和硬质地层, 钻进效果更为明显和突出。
3.2 大幅降低钻井成本
传统的旋转钻井工艺是使用钻压破碎岩石, 钻具的寿命通常与钻压成反比, 即钻进过程中加大钻压会缩短钻具的使用寿命。而旋冲钻井工艺中, 钻压被列为次要因素, 钻进过程中, 钻压的作用只是用于钻头的压持。由于冲击器产生的高频冲击应力的冲程极短, 单次作用时间小, 能够在轻钻压的条件下配合旋转钻进完成频繁的锤击作用, 从而减慢钻头磨损速率, 增加钻头寿命, 提升破碎效率。而且, 由于冲击器组装在钻头与钻铤之间, 即使冲击器在使用过程中出现故障而不工作, 可以迅速转换为旋转工艺钻井, 不用进行起井操作, 因此采用旋冲钻井技术不会增加企业的生产成本。
3.3 提升井身质量
常规的旋转钻井工艺是通过加大钻压或提高钻具转速加大钻进的, 这种工艺极易产生井斜, 而且会对钻具造成极大的损耗。在实际操作过程中, 旋转钻井工艺的钻压与转速是相互抑制的关系即高钻压、高载荷和与岩石接触时间不可兼得, 而冲旋钻井工艺可以解决这一矛盾, 通过高频锤击弥补低钻压的缺陷, 达到低钻压、低损耗, 高质量, 避免高钻压钻柱的弯曲和井斜现象的产生, 大幅的提升了井身的质量。
4 冲旋钻井技术的发展现状
石油冲旋钻井技术的设想始于欧洲, 美国和日本也于上世纪的60年代、70年代先后加入到了冲旋钻井技术的研究领域。而我国早在上世纪50年代末期就开始进行冲旋钻井技术的研究和应用。冲旋钻井技术的核心是冲击器, 因此冲击器的水平直接体现了该项技术先进程度, 从1995年至今, 国内的德州石油钻井机械所, 长庆石油管理局钻采工艺研究院, 四川石油管理局川南矿区科研所及北京石油大学等多家企业和院校纷纷投入到冲击器的研究领域, 先后研发出一批具有自主知识产权的国际领先水平的冲击器。目前, 国内各大油田和矿山都在大力的推广冲旋钻井技术, 国家相关部委也通过技术研讨会的方式, 邀请钻井技术领域的专家对冲旋钻井技术的先进性进行对比和讨论。近年来, 冲旋钻井技术在油田钻井领域所取得累累硕果再一次证明了该项技术是钻井领域的一项重大的工艺变革。
5 结论
冲击旋转钻井技术由于其原理及结构简单、优点突出、操作方便已经广泛应用于地质勘探、石油天然气钻井、矿山等多个领域。同时, 通过与多种钻井工艺的融合, 攻克了大量存在于钻井过程中的技术难题。因此, 我们应重视对冲击旋转钻井技术的研发与推广, 使该项技术能够得到长足的发展。
摘要：冲击旋转钻井技术是一种目前广泛应用于硬岩层、软硬交错等复杂地层的石油钻探技术, 其主要依靠冲击钻进与旋转钻进联合破岩。本文从冲击旋转钻井技术的原理和技术指标入手, 同时论述了冲旋钻井技术的优势和发展现状。
关键词：冲击钻井,冲击钻进,旋转钻进,原理,技术指标,优势,发展现状
参考文献
[1]刘世新.旋转冲击钻井基础, 北京:石油工业出版社.1999.8.1[1]刘世新.旋转冲击钻井基础, 北京:石油工业出版社.1999.8.1
旋转冲击试验 篇3
1 完善石油开采技术的重要性
石油资源是世界上最主要的资源之一。随着社会经济的发展, 石油的供应已成为满足社会经济发展的基本条件。我国油气资源虽然比较丰富, 但在我国经济发展上仍不能满足其需要。其存在的问题主要包括三个方面:一是我国石油资源储存量不多;二是我国油气资源不均匀分布;三是由于石油开采过程中难度较大这些因素造成了我国石油能源供应量不足[l]。所以要满足我国对能源的需求, 就必须开采更多、更好的石油资源, 那么完善石油开采技术已成为工作的重点, 只有充分利用先进的石油开采技术, 才有利于石油的开采。
2 传统钻井技术所存在的不足
目前, 虽然比较传统的钻井技术能为勘探人员的施工提供极大的方便, 但在技术上仍存在一定的不足, 其主要体现在钻井费用较高、大量耗费人力物力等, 除此之外, 由于传统钻井机械的承载力及钻头冲击力较低, 钻头使用寿命短, 不仅不利于勘探工作, 还增加了勘探成本, 极大地影响了石油的勘探和开采工作。
3 液动冲击旋转钻井技术的原理
液动冲击旋转钻井技术是新开发的一种新型钻井技术, 该技术主要是通过综合了传统旋转钻井技术, 并在传统旋转钻井技术上进行了完善。更直白的说, 在传统的旋转钻井技术上增加了一个强有力的冲击器也就形成了这种新型的液动冲击旋转技术。这种冲击器具有非常强大的动力, 其主要是依靠钻井液的能力来推动活塞冲锤上下运动, 以此来撞击钻头。因冲击器具有巨大撞击力, 再加上钻头本身具有非常强大的动力, 这样一来加大了钻头的力量, 从而能更好更快地将岩石钻碎。钻井液或高压水是液动冲击旋转钻井技术的主要动力介质, 该技术主要是在旋转钻井基础上发展起来。在冲击器安装好之后, 结合了旋转钻与冲击钻, 大大增加了其动力。液动冲击旋转钻井技术强大的动力来源主要为液动冲击钻具, 同时由于钻井泵功率较大的原因, 进一步增强了钻井的冲击力, 不仅使钻头变得更加结实、耐磨, 还使钻井速度加快, 这样一来, 工作效率得到保障的同时也大大节省了成本支出。
4 液动冲击旋转钻井技术的优点
与传统的钻井技术相比较, 液动冲击旋转钻井技术是一个很大的完善, 在钻井工作中起着非常重要的作用。其技术特点主要包括以下两个方面:
(1) 液动冲击旋转钻井技术有更好的性能和耐磨性。与传统的钻井技术相比, 液动冲击旋转钻井技术性能增加, 耐磨性更好, 在勘探过程中, 由于井底的岩石分布是不规则的, 再加上极不平整, 这给勘探工作增加了很大的难度, 针对这一问题, 采用液动冲击旋转钻井技术可以得到很好的解决, 使用液动冲击旋转钻井技术在向下发生作用力时, 对于井底分布不规则的岩石该技术的静压力能将春很好的压持住, 并且作用力会增大[2]。在岩石开始发生破碎或松动时, 这股作用力还会不断增加, 最终使岩石都破碎。待岩石破碎之后, 液动冲击旋转钻井的作用力度会逐渐减小, 在这时两侧的剪切体会发生作用, 它能及时排除和修整钻头周围的碎裂岩石, 从而在剪切体的作用下破碎坑会比较完整。在这种冲击岩石的方式下钻头的力量就会完全作用在岩石上, 作用力增大时岩石就变得不堪一击, 这样钻井开采难度极大地减少了。
(2) 液动冲击旋转钻井技术有了更高的冲击载荷。液动冲击旋转钻井技术的冲击力更强大, 其冲击载荷高于静载荷, 更容易将井底坚硬且不规测的岩石击碎。在钻头接触到岩石的那一瞬间, 其接触应力可以达到最大值, 然后将其全部动力作用在岩石上, 这种情况下, 能将岩石轻易击碎。
随着勘探的不断深入, 液动冲击旋转钻井技术在钻头不断向下转动时, 岩石便会受到轴向压力的作用, 而这种情况下钻头上的硬齿就会长时间接触到岩石, 在高频冲击作用下, 岩石就很容易被击碎。
根据上述液动冲击旋转钻井技术的优点来分析, 比其他的钻井技术相比, 其能量更大, 工作效率更高, 而且在勘探工作不断深入的情况下其能量不会随之衰减。与此同时, 对于碎石头给钻头带来的阻力问题液动冲击旋转钻井技术也能很好地解决, 可以将井底碎裂的岩石很好地进行修整和排除, 从而为石油开采工作打下了一个很好的基础。
5 液动冲击旋转技术参数设定
(1) 冲击功参数选择。针对冲击器的冲击功参数, 主要根据岩石的特性来选择, 当前冲击功参数根据岩石冲击过程的经验研究确定为200~300J之间, 经实践证明, 要使破岩效果达到最好, 必须确保冲击功在600J以上, 但会对钻具轴承及头部产生较大的负荷, 从而容易缩短其寿命[3]。
(2) 冲击频率参数选择。通常情况下, 要确保冲击器顺利工作, 应将冲击频率设定在20Hz左右。
(3) 钻压参数选择。由于钻具的损坏速度、钻井速度以及钻井成本都会受到钻压的影响, 从各个方面考虑, 通常在设定钻压时都应使其比常规钻井设计的钻压大2/3, 这样以来, 能确保不重新起钻, 极大的提高了钻井效率。
总之, 要满足我国对石油能源的需求, 就必须不断提高钻探石油技术, 使用液动冲击旋转钻井技术能更好地满足我国石油资源开采的需要, 不仅能有效弥补传统钻井技术中所存在的不足, 还有利于在勘探过程中勘探人员寻找更丰富的能源, 从而进一步满足了我国对石油能源的需求。
参考文献
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旋转冲击试验 篇4
随着现代国防工业和民用工业的飞速发展,铝合金结构的应用日趋广泛,其中LD10铝合金因具有良好的物理性能和力学性能,比强度高,而被广泛用于航空航天结构中[1,2]。但由于LD10的热膨胀系数大,在焊接加工时,热裂倾向大[3],同时薄板焊接件在焊后存在严重的焊接变形问题,带来诸如焊接结构尺寸不稳定、易产生焊接裂纹等问题,限制了这种材料的进一步推广应用[4,5]。
为了减小LD10焊接结构的焊接残余应力和变形,通常采用焊后矫正措施,这些措施包括焊缝滚压法[6]、锤击法[7]、机械拉伸法[8]和局部加热法[9]等。这些方法虽然能在一定程度上减小焊接残余应力和变形,但是增加了生产工时和额外的矫正费用,且无法控制焊接热裂纹。随焊冲击碾压法[10,11]虽然可以减小焊接变形及控制焊接热裂纹,但是随焊冲击碾压法作为一种新方法,在冲击碾压塑性变形理论研究的深度和不同生产条件下的应用方面还不够完善。对于焊接热裂纹的控制研究,大多是从冶金手段入手,但由于引入了与母材异质的焊丝,往往会导致牺牲接头的部分力学性能或结晶裂纹转化为更难防治的液化裂纹。
本文采用随焊冲击旋转挤压法来消除残余应力与变形,控制焊接热裂纹,通过冲击旋转挤压系统以适当的旋转速度带动一定形状的冲击旋转挤压压头对焊缝及近缝区施加冲击旋转挤压作用,迫使这部分金属沿着确定的方向发生塑性变形,达到减小变形、调制残余应力、防止焊接热裂纹的目的。
1 试验研究
1.1 钨极氩弧焊工艺
两块LD10铝合金焊接工件的尺寸为300mm×150mm×3mm,连接形式为TIG平板对焊的方式,一次焊透,未添加焊接材料。LD10铝合金属于热处理强化材料,虽然经热处理后抗拉强度得到了提高,但焊接性较差,在焊接时产生焊接热裂纹的倾向较大,同时由于焊接局部热源的加热使得焊接接头的力学性能下降。
采用交流的钨极氩弧焊,在焊前用丙酮擦拭工件表面以清除油污杂质,然后用钢丝刷清理工件表面的氧化膜,将工件送入工装夹具中。焊接过程中采用的工艺参数为:焊接电流230A,焊接速度6mm/s,保护气流量10L/min,钨极直径4mm。
1.2 随焊冲击旋转挤压装置
随焊冲击旋转挤压机构的实物结构如图1所示。随焊冲击旋转挤压系统包括动力源、传力机构和执行机构。动力源提供驱动力,驱动力通过传力机构传递给执行机构,最终作用到焊接工件上,从而起到防止热裂纹与控制残余应力变形的目的。固定导向夹持机构的作用一是固定传力机构及执行机构,同时起到定位与导向的作用,二是将整个装置与外部支架连接在一起。
随焊冲击旋转挤压过程中,冲击旋转挤压头与焊接过程中具有一定温度的焊缝及近缝区发生接触,这将在挤压头与工件间产生接触应力。在冲击的过程中同时有旋转的作用,这提供了剪切力,对产生焊缝及近缝区的塑性变形起到了促进作用,所以冲击头表面应保持一定的粗糙度。压头主要选取圆平底刚性压头,该形式的挤压头便于加工。为了保证冲击旋转挤压过程的顺利进行,在外圆面加工一定大小的倒角,由于冲击旋转挤压过程将产生一定量的塑性变形,将导致冲击杆作用区域和未作用区域之间的高度发生变化,如果不采取一定形式的圆滑过渡,就会在冲击旋转挤压过称中产生过量的切削,这将对变形的协调性和均匀性产生较大的影响,如金属表面起皱等,因此在冲击杆的边缘加工一定大小的倒角。
1.3 冲击旋转挤压过程的实时测量
随焊冲击旋转挤压力是随焊旋转挤压过程中的一个非常重要的参数,其大小直接决定控制焊接残余应力和变形、消除热裂纹的效果,因此有必要对其大小进行测量,测算出其具体的数值范围。本试验采用动态应变仪对随焊冲击旋转挤压力进行测量。
随焊冲击旋转挤压力的大小是由冲击旋转挤压压头的控制电压决定的,旋转挤压压力值与控制电压一一对应。进行冲击旋转挤压力的测量,需要加工出一个特定形状的钢质承压件。测量前,在承压件上承受冲击旋转挤压力的面上粘贴应变片,并将粘贴好的应变片与动态应变仪的通道相连。测量时,在冲击旋转挤压压头冲击作用下,利用动态应变测量仪测出承压件的变形量,进而计算出冲击旋转挤压力。为了找到在冲击旋转挤压力作用下承压件变形随时间的变化规律,需要测出多组数据进行验证。图2为输入电压为150V时,冲击载荷作用下动态应变仪采集到的整体波形界面图。
得出随焊冲击旋转挤压过程不同时刻不同控制电压下承压件的应变量和冲击旋转挤压周期后,进而得出冲击旋转挤压力和冲击旋转挤压频率。不同控制电压下承压件的应变量、冲击旋转挤压周期和频率如表1所示。
2 试验结果及分析
2.1 焊接变形及残余应力
在钨极氩弧焊过程中,应用了随焊冲击旋转挤压工艺对热裂纹进行控制,在焊接件中未出现热裂纹。图3为焊接残余变形的对比测量图。由图3知,常规焊接件焊接残余变形量较大,有7～9mm,相比较来说,经过随焊冲击旋转挤压工艺处理的焊接件焊接残余变形量大幅减小,为0～1mm。说明经过随焊冲击旋转挤压,焊接残余变形得到了有效控制。
采用切条法测量纵向焊接残余应力的分布,因为焊接残余应力是对称分布的,所以测量残余应力在焊件的一半宽度的分布。由图4所示的焊接件纵向残余应力可知,与常规焊接件相比,经过随焊冲击旋转挤压作用,焊接件的残余应力分布发生了显著的变化。焊缝处残余应力由拉应力转变为压应力,而与其相平衡的残余压应力也随之减小。试验结果表明,随焊冲击旋转挤压能够有效减小焊接件焊接残余应力,改善LD10环缝对接焊件中焊接残余应力的分布状态,从而实现了对焊接残余变形的调整与控制。
2.2 焊接接头硬度
截取试样进行硬度测试,以熔合线为基准进行硬度的测量,测量点间距为1mm,测量点的选取为焊缝区3个、熔合区1个、热影响区4个,测量结果见表2。
由硬度测量结果知,在焊缝区,常规焊接件和随焊冲击旋转挤压件的硬度大体相当,而在熔合区和热影响区,随焊冲击旋转挤压接头的硬度值要高于常规焊接头的硬度值。焊缝区硬度大体相同是由于随焊冲击旋转挤压过程作用于焊缝时焊缝温度较高,焊缝金属抵御塑性变形的能力较弱,冲击旋转挤压作用大部分转变为焊缝金属的塑性变形,产生了动态再结晶,动态再结晶过程使其硬度值基本不变;在熔合区和热影响区,随焊冲击旋转挤压接头的硬度值要高于常规焊接头的硬度值是由于这些区域受到冲击旋转挤压作用时,这些区域已经下降到较低温度,在冲击旋转挤压作用下,这些区域出现了加工硬化现象。
2.3 拉伸试验及断口
为了研究随焊冲击旋转挤压工艺对工件拉伸性能的影响,分别取随焊冲击旋转挤压件、常规焊接件进行拉伸试验,试件取与焊缝的方向垂直的方向。拉伸件长度为110mm,宽度为5mm,厚度为3mm。试验结果如表3所示。
由表3可知,随焊冲击旋转挤压件的屈服强度高于常规焊接件,随焊冲击旋转挤压件的塑性低于常规焊接件,这是由于冲击旋转挤压的作用产生了强化。但两者的抗拉强度相近,常规焊接件和随焊冲击旋转挤压件均断裂于焊接热影响区部位。
将经过拉伸试验的试件进行适当的处理(在制备断口试件时要将其保护起来,防止受到污染)制成断口试件,超声清洗后进行断口分析。由焊件的断口SEM照片(图5)和拉伸试验可知,焊件断裂位置为焊接热影响区,随焊冲击旋转挤压件和常规焊接件断口上有大量的塑性变形,形成大量韧窝。
2.4 金相组织
为了了解随焊旋转挤压对接头组织的影响,对常规焊接件和随焊冲击旋转挤压件进行组织的对比观察,金相如图6所示。
3 结论
(1)随焊旋转冲击作用在焊缝及近缝区使得作用区域产生延展塑性变形,从而抵消了焊接过程产生的压缩塑性变形,减小焊后的残余应力峰值,可将焊接残余变形控制在常规焊接的10%以下,并且随焊冲击旋转挤压运动可消除焊接热裂纹。
(2)LD10焊接件存在由于热循环过程所导致的过时效软化区,而LD10随焊冲击旋转挤压件因冲击旋转运动所导致的加工硬化效应使得过时效软化区消失。焊缝部位由于动态回复及再结晶的作用导致加工硬化效应被降低,因此试件硬度均较低。
(3)常规焊接件的屈服强度低于随焊冲击旋转挤压件,其塑性高于随焊冲击旋转挤压件,但二者的抗拉强度相近。常规焊接件和随焊冲击旋转挤压件断裂位置均为焊接热影响区部位,断口处为韧窝断裂状。
(4)随焊冲击旋转挤压运动过程中产生冲击振动,该振动使得熔池处的晶粒破碎,使晶粒产生细化。
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多功能旋转试验架设计 篇5
多功能旋转试验架主要由液力拆装系统、旋转拉拔系统、液压系统、试验数据采集系统等组成。
1) 液力拆装系统:扭矩主要由液动力传给冲扣液缸, 液压作用在活塞面积上产生一定的力, 两冲扣缸间的距离为力臂, 其冲扣缸的上、下运动产生上、卸扣扭矩, 其承受扭矩构件是活动钳及冲扣钳上各六个夹紧油缸、勾板、底座等, 最薄弱处是夹紧缸, 所以拆装系统的强度计算应在此处;2) 旋转拉拔系统:此系统的旋转运动是靠旋转马达带动齿轮箱旋转, 再传递到主轴及拉拔工装接头, 其所产生的扭矩及推拉力施加给运动主体, 使之产生0t~30 t的推拉力及7 760N·m, 的转矩, 其承受推、拉力的件有轴承、主轴及拉拔工装接头, 按其几何尺寸最薄弱件是拉拔工装接头, 所以要对其承载力进行校核, 再有承载的尾架轨道其强度也应校核;3) 液压系统:按要求将架体及尾架旋转分为两个液压系统, 根据上扣扭矩115k N·m, 卸扣扭矩168k N·m、及尾架推拉的最大吨位等计算架体部份的泵及电机, 尾架旋转部份要根据在60r/min转速的情况下达到7 760N·m扭矩时马达所需要的流量及电机的功率。
2 多功能旋转试验架的计算
2.1 夹紧缸缸杆承扭校核
所校核参数:缸杆工作直径90mm, 所夹工作外径245mm, 工作是的最大扭矩为卸扣扭矩168k N·m, 材料40Cr Mn Mo的σmax=980MPa, 受力为三对力偶, 当卸扣扭矩达到168k N·m时, 工件要受六缸夹紧来克服这一扭矩, 这样就形成三个扭矩组, 其力臂为工件直径245mm,
因受力点到作用点之间距离为L=178.5mm, 这样缸杆所受扭矩M
由此可见此缸杆强度能够满足要求。
2.2 工装接头承载校核
所校核参数:工装接头最薄弱处的工作外径为φ115mm, 结构需要中间交叉加工两个φ55mm孔, 材料40Cr Mn Mo的σs=780MPa, 当拉30t时校核强度如下:
此轴所能承受力F=1321.9×40kg/mm2=52.88t (安全系数n=2)
所以此轴在推、拉力为30t的工况下是安全的。
2.3 推拉轨道强度校核
尾架轨道采用400×400H型钢及两条16厚的Q235A钢板焊接而成,
在拉或压3 0 t时承受扭矩为ΣM=F×L=1015×30000=30450000
其最大正应力为
所以尾加轨道强度可行。
2.4 试验架液压系统设计计算
根据多功能旋转试验架技术指标和参数要求, 在设计方案中采用液压传动来实现各部的工作要求, 按设计要求拆装和尾架旋转采用两套液压系统。
试验架尾架旋转液压系统设计计算:
液压系统的工作压力要能满足有效负载的要求, 合理利用能量, 提高系统效率, 减少发热。
试验架执行元件的运动参数:尾架旋转载荷:7 760N·m (60r/min) 最高转速:80r/min。
1) 根据结构设计应用两个马达所以其单个马达的扭矩应大于7760÷2=3880N·m考滤到马达的效率, 选用球形马达, 型号为1QJM32-1.6其排量q=1649ml/r, 额定压力20MPa, 转速2r/min~200r/min额定输出扭矩4 881N·m
工作流量:Qm=q.n.10-3/ηv=1649×80×10-3/0.95=138.86升/分
两个马达所需流量:138.86升/分×2=277.7升/分
最大扭矩时的压力:
所以系统的最大工作压力为17MPa
在最大工作压力下马达的输出扭矩为
=3937N.m×2=7874N·m2在最大扭矩时且速度为60r/min时所需功率
所以电机选为75k W转速为1500转/分。
3) 泵的选择:
按两个马达所需最大工作流量为277.7升/分及最高工作压力为17MPa
泵应选CY14-1B (G) 轴向柱塞泵, 其最大流量为414L/min输出压力为31.5MPa。
摘要：多功能旋转试验架是钻井工具的设计部门做膨胀管试验用的专用设备, 用于拆卸、装配、维修各类石油、地质用钻具、管柱和井下工具螺纹连接的重要设备, 同时因具备高吨位旋转式尾架推拉, 配备相应固定装置后可做膨胀管地面试验。本文将论述多功能旋转试验架的结构、工作原理及主要受力机构的强度计算.
三维旋转声阵列定向静态试验研究 篇6
1 运动声阵列定向系统动态模型
如图1为运动声阵列声传感器布置图,图2为运动声阵列对二维声目标信号检测图。假设阵列与目标之间的距离远远大于阵列及目标的几何尺寸,因此,可将声阵列及目标等效为点目标,如图1所示,s1、s2、s3、s4为四个声传感器组成的阵列。假设运动声阵列的运动状态为:,XB分别表示运动声阵列在x、y、z方向的位置和速度。目标的运动状态设为,XT分别表示目标在平面运动中的位置、速度及加速度。因此两者之间的相对运动状态方程为:X(k)=XT(k)-XB(k)。在惯性坐标系下,分析运动声阵列系统对二维目标的定向情况可知,系统的状态方程为线性方程,而观测方程为非线性方程[12]。
在惯性坐标系中,动态系统在有色噪声环境中离散状态方程为:
式(1)中,X(k)∈Rn是k时刻目标相对于运动声阵列的相对状态向量;F(k)∈Rn是状态转移矩阵;ξ1(k)是系统状态有色噪声,且有ξ1(k)=D1(k)ξ1(k-1)+v(k);v(k)∈Rn是均值为零、协方差为Q(k)的白噪声。采用扩展状态变量的方法将有色动态系统噪声转化为白噪声来处理。设Xa(k)为扩维后状态变量,则有:
在惯性坐标系中,动态系统在有色噪声环境中观测方程为:
式中,为零均值有色噪声,且有ξ2(k)=D2(k)ξ2(k-1)+w(k);w(k)∈Rn是均值为零、协方差为R(k)的白噪声。则有:
因此,式(2)、式(4)构成了运动声阵列定向系统在有色噪声环境中的状态方程和观测方程。由式(4)可知,运动声阵列定向系统的观测方程为非线性方程。
2 静态试验硬件组成
静态声阵列定向半实物仿真试验装置包括:传声器组、调理放大电路、数据采集卡、可调结构的声阵列装置、滤波电路、数据采集卡、A/D转换器和记录仪。半实物仿真流程如图3所示。
声阵列观测到模拟声源发出的声波,并以电压信号的形式被接收,经过可调节放大倍数的放大电路后形成放大信号,利用低通滤波电路对多路电压信号进行滤波处理,此后,信号经A/D转换并存储于记录仪内,半实物仿真信号处理流程(图4)。
信号调理器的作用是实现电荷量信号到电压量信号的转换和放大,将传声器输出信号进行线性化。与信号滤波器相同的一个功能是可以对信号进行滤波。在测量系统中,传感器输出信号一般都比较小,不能直接用来显示、记录、控制或进行A/D转换。高精度的测量系统中必须采用信号调理器,本系统中采用的是数据放大器。由于运算放大器的输出阻抗远远小于反馈阻抗,所以予以忽略。图5为实验过程所用信号调理器,其中1、2、3、4分别为四个传声器接头,5为电池,6为实验信号调理器。
PXI信号采集仪可以对信号进行频谱分析及相关分析。如图6所示,为PXI信号采集仪及其中两通道信号的互相关效果。
3 静态试验分析
为了验证不同布局方式下旋转声阵列静态定向的影响,采用高保真音箱播放行驶过程中的噪声来模拟目标声源。由于音箱体积较小,因此,在近距离时可以认为声源是球形声源,设计了可变结构的声阵列装置,并安装在三轴转台上,用于模拟阵列随载体做三维运动的姿态。A、B、C、D四个传声器安装在同一平面上。载体平面均匀分成12份,夹角为30°,如图中的1、2、3、…、12,图7为四元声阵列安装在三轴转台试验平台。
图8为试验布置示意图,四个传声器1、2、3、4布置在直径为1 m的圆盘上,以声源为坐标原点,建立系统坐标系,声阵列离地面的高度2.3 m,声源离地面高度1 m,声阵列观测中心到声源的真实仰角为20°,试验中四元传声器布局分为四种(本文只考虑在给定阵元半径下的四元传感器布局问题),即为:
(1)相邻传感器之间的夹角为90°,传感器均匀分布;
(2)θAB=60°,θBC=120°,θCD=90°,θDA=90°;
(3)θAB=90°,θBC=120°,θCD=90°,θDA=60°;
(4)θAB=120°,θBC=120°,θCD=60°,θDA=60°
试验条件为:传声器型号为HY205,灵敏度为50 m V/Pa,采样频率为312.5 k Hz,声阵列半径为0.5 m,室内声速为341.5 m/s。
采用三角定向算法对声源的方位角进行了估算,试验结果如图9所示,四种布局方案估计数据统计如表1所示。
4 总结
本文从理论上建立了运动声阵列定向系统在有色噪声环境中的状态方程和观测方程,得到了运动声阵列的动态模型。基于四种布局下的静态半实物仿真试验分析,布局(1)的定向相对误差在2.74%,而布局(4)的定向相对误差为11.62%,从定向精度上考虑,布局(1)的定向精度高。
摘要：为了提高三维旋转声阵列的定向精度,开展了三位旋转声阵列定向静态试验研究。建立了运动声阵列定向系统在有色噪声环境中的状态方程和观测方程,给出了运动声阵列的动态模型;构建了包含传声器组、调理放大电路、数据采集卡、可调结构的声阵列装置、滤波电路、数据采集卡、A/D转换器和记录仪等模块的静态声阵列定向半实物仿真试验装置。开展了四种布局下的三维旋转声阵列定向静态试验,以三角定向理论为基础,分析了试验数据,为进一步开展动态试验研究奠定了理论基础。
关键词：旋转声阵列,有色噪声,半实物仿真,静态定向
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旋转冲击试验 篇7
关键词：旋转机械,状态监测,试验,安装
随着旋转机械状态监测与故障诊断在科学研究及工业生产领域变得越来越重要, 应用也越来越广泛, 它可以监控旋转机械运行状态, 及时准确的找出故障并进行诊断, 实施有效控制和预报决策, 保证设备安全运行。目前, 关于状态监测系统工作原理的论文较多, 而关于其试验与安装方法的论文相对较少, 本文将结合本特利内华达公司的状态监测系统, 简述旋转机械状态监测仪的试验及安装过程。
一、监测系统的组成
监测系统核心是TK3-2E综合校验仪, 具有对机械连续监测、越限报警的功能, 并提供工作电压, 接收回馈信号。另外配备监测元件有测温元件、绝对热膨胀传感器及轴振动、轴位移、轴转速探头, 并与延伸同轴电缆和前置放大器共同完成监测任务。
二、测温元件的试验与安装
(一) 试验。
测温元件通常应作导通和绝缘试验。然后用标准电阻箱在现场加电阻信号, 先校对零点和满度值, 准确度为±0.5%, 后校对报警精度误差是否在±0.5%之内。
(二) 安装。
安装前应先进行机组轴瓦测温埋藏点预留孔实测实量, 看其能否达到实物就位的要求, 其引出线的预留槽及引出线固定、引出口的密封能否达到设计要求。安装过程按设计意图进行布线, 避免使热敏元件的引线有断线、破损、短路等现象。
三、绝对热膨胀测量元件的试验与安装
(一) 试验。
试验是把机械位移转换成电流信号。量程范围一般为0～100毫米, 输出4～20毫安直流电流信号。试验过程比较简单, 只要用手按示值刻度推动测量棒, 输出就能得到相应电流信号, 准确度为±1%。
(二) 安装。
机组安装完毕并在冷态状况下安装测量元件支架, 支架距固定点的距离应根据传感器大小而定, 安装牢固。利用微调螺丝调整传感器的零点, 看其零点输出变化不超出该仪表准确度的一半, 即为合格。
四、轴振动、轴位移、转速探头的试验与安装
(一) 试验目的。
一是确定探头定位安装间距以及在静态安装间距下所对应的电压值。二是检验探头监测功能是否完好。试验方法是探头的静态与动态特性试验。
(二) 探头的静态特性试验。
调好千分尺的零点刻度, 探头端面与千分尺端面轻轻接触, 固定在校验仪上。连接好试验装置。系统连接好后接通电源 (电源电压18VDC) , 记下此时电压输出值, 再以距离每增加0.1毫米, 做一次电压记录, 直至距离增加到前置放大器的输出电压值不变为止。然后, 用校验记录坐标纸上的纵坐标 (前置放大器的电压输出值) 和横坐标 (探头端面与千分尺端面之间的距离) 的对应关系绘制出静态特性曲线。得到静态特性曲线形状如右图所示。从图中看出它的线性区域基本在0.5～2.4毫米之间。如果我们取它们中间值来作为探头安装间隙电压参考值, 那么安装探头间隙电压应为-8V～-11V, 两者端面的距离应在1～1.4毫米之间。
(三) 探头的动态特性试验。
动态特性试验主要验证监测仪的示值、报警等功能。它包含轴振动探头、轴位移探头、转速探头动态特性试验, 试验过程相对复杂, 可参阅其他书籍。
(四) 轴振动、轴位移、转速探头的安装:
1. 轴振动探头的安装:
探头安装的方法有两种, 直接定位安装法和间接定位安装法。直接定位安装法适用于机组盖可以打开, 且探头安装螺纹孔在机器的机体上, 测量探头端面与轴表面的距离很方便, 可用塞尺或其他量具直接测量间距。探头端面与轴表面的距离一般在1～1.4毫米之间。间接定位安装法适用于不可能进行直接进行测量的场合。利用探头静态特性, 探头端面与轴表面距离和前置放大器输出所对应电压, 来确定探头端面与轴表面的距离。间接定位安装法的一般安装间隙电压为-9～-11V。
2. 轴位移探头的安装:
安装方式也有两种, 直接定位安装法和间接定位安装法, 但以间接定位安装法较为方便。机组安装结束后, 要求机组钳工来回推动被测轴, 同时测出轴向可动范围 (俗称轴窜量) , 一般轴窜量在0.4～0.6毫米之间。简捷方法是:可以在已知轴窜量值的前提下, 将轴向探头安装孔方向推动, 直至止推盘与止推瓦接触为止。接好监测系统, 以轴窜量值一半的数值, 将探头端面与轴表面的安装距离, 在监测仪示值零点上半部的对应位置安装固定。然后, 再来回推动被测轴看监测仪示值, 是否在以零点为中心对称的示值内变化, 否则须重新调整安装。
3. 转速探头的安装:
根据探头的技术特性, 使探头工作在线性范围内, 探头端面与轴表面 (凸起部分的最高点) 之间安装距离, 一般为1～2毫米。安装时可以目测, 只要间距在允许范围内即可。
参考文献