测速发电机测试牙轮转速的试验研究

【前言】测速发电机测试牙轮转速的试验研究由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。牙轮钻头特殊的结构、凹凸不平的井底和不均质的地层等因素，决定了牙轮钻头在实际工作时的运动状态的复杂性和随机性。牙轮不仅绕自轴旋转，而且还绕钻头中心线旋转，同时随钻头体上下移动。直观地看，可把钻头体连同牙爪轴颈的运动，包括转动和纵向移动，看作是牵连运...

摘 要：石油钻井过程中依靠牙轮钻头的牙齿与地层岩石相互作用来破碎岩石，然而在钻头钻进过程中牙轮的转速瞬时变化率非常大，究其主要原因是牙齿与地层接触时产生的动载荷，其取决于加速度和钻头本身及下部钻柱的质量和转动惯量。为了探明钻头在破岩过程中牙轮转速的变化规律，提出了利用万向联轴器连接直流电机和测速发电机的试验装置来测试钻头破岩时牙轮的转速变化规律，试验表明，测速发电机测试牙轮转速是可行性的。

关键词：测速发电机 牙轮钻头 转速 万向联轴器

多年来，国内外钻井界主要研究钻柱的振动及钻头动载问题，其主要是为了解决钻柱疲劳损坏的问题及钻头受异常冲击而损坏的原因[1]，但是对产生钻柱振动和钻头动载根源的钻头研究得很粗糙，往往只是从台架或现场试验测得的钻头和钻柱的振动入手，分析和计算钻柱振动的各种特征量[2，3]。牙轮钻头设计和使用中经常遇到动力学问题，其核心是牙齿与地层接触时的动载荷，而动载荷水平取决于加速度和相关的钻头本身及下部钻柱的质量和转动惯量，当相关的质量和转动惯量不变时，加速度就是关键参数，为研究加速度的变化规律，测量牙轮的角加速度便是试验的关键部分，以往测量牙轮转速试验中都是假设牙轮是匀速转动的，因此多数是采用磁感应原理来测量牙轮的转速[4～6]，但由于牙轮钻头结构的特殊性，如图1考虑使用永磁式低速直流测速发电机来测量牙轮的转速，目的是研究测速发电机是否能响应牙轮的变速运动。

图1 配三牙轮的测速电机试验装置

一、牙轮运动规律分析

牙轮钻头特殊的结构、凹凸不平的井底和不均质的地层等因素，决定了牙轮钻头在实际工作时的运动状态的复杂性和随机性。牙轮不仅绕自轴旋转，而且还绕钻头中心线旋转，同时随钻头体上下移动。直观地看，可把钻头体连同牙爪轴颈的运动，包括转动和纵向移动，看作是牵连运动，牙轮自转当作相对运动，牙轮上某一点的运动自然是一种复合运动。牙轮与岩石的相互作用是十分激烈的，强烈的冲击使得牙轮的转速瞬时变化率很大，且牙轮体有较大的震动。当牙齿与岩石接触时，由于剧烈的冲击使得牙轮的转速迅速减小，随着牙齿与岩石逐渐脱离，牙轮的转速又开始迅速加速，直到下一个牙齿与岩石接触，所以牙轮钻头对岩石的破碎作用与钻头和各牙轮之间的运动有密切的关系，钻头各牙轮的加速度是钻头结构设计、钻头工作力学研究、钻头工作行为仿真中必不可少的参数。

二、万向联轴器试验方法

为了搞清楚牙轮转速的真实模型，考虑到牙轮转速

测试时的实际情况，选用高精度直流测速发电机来测试牙轮转速，但在实际测试前必须考察方案是否可行，因此设计了采用万向连轴器来模拟牙轮转速的变化。由于牙轮的转速大体上是加速减速的周期性变化的，在机械传动中主动轴和从动的平均转速不变，而从动轴的瞬时转速在一转的过程中却有周期性变化的是万向联轴器。根据机械原理，在万向联轴器传动中，从动轴的转速为：

（1）

式中： -主动轴和从动轴之间的安装角

-主动轴的转角； -主动轴的角速度

可见，当主动轴的角速度 和两轴之间的安装角 不变时， 从动轴的角速度 随主动轴的转角 成周期性的变化。图2表示i= / 随主动轴的转角 成周期性的变化的理论计算曲线。

图2 传动比与主动轴转角的理论计算曲线

三、测速试验结果分析

图3和图4是试验后得到的两根被动轴与主动轴传动比的实测曲线与理论计算曲线的对比。主要考察的是测速发电机在较高转速下的响应特性，因此，选定主动轴一端的直流电机转速为n1=800转/分钟。图3、4中的理论曲线是取 =45°、 =30°， 角是从0°～ 180°，每10°取一个点，两图中的系列1是理论曲线，根据公式（2）计算可得；系列2是实测曲线。

（2）

图3 当 =45°时理论计算曲线与实测曲线的对比

图4 当 =30°时理论计算曲线与实测曲线的对比

由图3、4可以看出，实测出的两轴转速比的变化规律与理论曲线是一致的，但是在各个计算点上的具体数值上有差异，或者说是有误差。在图3中最大相对误差是19.2%，图4中的最大相对误差是14.7 % 。根据试验原理及理论分析可，误差可能来自下列几个方面：（1）机械装置的制造和安装误差；（2）测量误差；（3）测试仪器本身固有的误差。虽然存在一定误差，但总体效果比较理想，即采用高精度测速发电机来测试牙轮轴和钻头轴的瞬时角速度的方案是可行的。

四、结论

针对牙轮钻头的特殊结构，本文采用选用高精度直流测速发电机测量牙轮的转速是可行的，验证了测速发电机能正确、快速响应牙轮转速的变化，测速发电机能很好响应快速变化的加速减速的旋转运动，这为进一步研究牙轮转速模型奠定了可靠的基础。

参考文献

[1]赵淑兰，马德坤. 单齿圈牙轮钻头轮体速比的计算机仿真[J].石油机械，1998.26（7）：13～16.

[2]喻开安，邓嵘，杨世良. 单牙轮钻头传动比测试与分析[J].石油机械，1995.23（6）：13～16.

[3]Palashchenko Y A. Pure rolling of bie cones doubles per-formance[J].Oil Gas Journal，2008，106： 40 ～47.

[4]曾英，龙辉，涂能安等. 牙轮钻头不同轮头速比破岩量仿真分析[J].石油机械，2011.40（1）：45～48.

[5]况雨春，钱雯，董宗正等. 牙轮钻头轮头速比理论研究及其仿真模型[J].石油机械，2012.40（5）：12～16.

[6]刘晓波.三牙轮钻头井底运动仿真分析[J].江汉石油科技，2008. 4（18）：45～48.