СТЕНД ДЛЯ ОБКАТКИ И ИСПЫТАНИЙ ОДНОВИНТОВЫХ НАСОСОВ
TEST BENCH FOR RUN-IN AND TESTS OF SINGLE-SCREW PUMPS

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, а именно к оборудованию для сервисного обслуживания одновинтовых гидравлических насосов (ОВН), и предназначено для обкатки и проведения испытаний ОВН как новых, так и после проведения ремонта.
Известен стенд-прототип для исследования характеристик одновинтовых гидромашин, включающий расходный бак, шпиндель, регулируемый привод вращения вала шпинделя, редуктор, комплект распределительных рукавов и контрольно-измерительную аппаратуру (Балденко Ф.Д., Дроздов А.Н., Ламбин Д.Н. // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - М.: ВНИИОЭНГ, 2002. - №11).
Недостатком стенда в прототипе является низкий уровень точности снимаемых параметров характеристик ОВН и низкая производительность выполняемых на стенде работ. Частота вращения вала ОВН на стенде устанавливается вручную ручками грубой и точной настройки регулятора напряжения якоря электродвигателя привода вращения и контролируется визуально по тахометру. Давление на выходе из ОВН устанавливается вручную задвижкой. Перепад давления на входе в ОВН и на выходе из него контролируется с помощью секундомера и мерного бака. Обработка данных осуществляется вручную с использованием примитивных средств расчета теоретических формул.
Недостатком стенда в прототипе также является отсутствие замера величины фактического крутящего момента ОВН при определенной частоте вращения, получаемом расходе и перепаде давления.
Движение рабочих органов ОВН, металлического винтового ротора внутри резиновой винтовой обкладки статора сопровождается потерями мощности на механическое трение, а также на преодоление гидравлических сопротивлений течению жидкости в каналах двигателя. Многообразие конструктивных и режимных факторов, влияющих на величину потерь трения в рабочих органах ОВН, затрудняет их определение расчетным путем и приводит к необходимости применения экспериментальных методов. Измерение в процессе экспериментов фактического крутящего момента ОВН дает возможность определения наиболее важных энергетических характеристик ОВН - суммарного гидромеханического кпд и затрат потребляемой мощности электропривода ОВН на гидромеханические потери. Гидродинамический кпд показывает, насколько фактический крутящий момент при данном расходе и перепаде давления ниже теоретического момента, а затраты мощности на гидромеханические потери определяются через разность между теоретическим крутящим моментом и фактическим измеренным моментом на валу ОВН. Измерение фактического крутящего момента в совокупности с измерениями частоты вращения вала ОВН, расхода и перепада давления обеспечивает наиболее полную картину параметров характеристик испытываемого ОВН. Измеренные величины позволяют рассчитать величины эффективной мощности ОВН, подводимой мощности и гидромеханического кпд по формулам:
эф
под
эф
под
N=P·Q/10,2; N=M·n/975; КПД=N·100/N, где:
эф
N - эффективная мощность, КВт
под
N - подводимая мощность, КВт
Р - давление, атм
Q - расход, л/сек
М - крутящий момент, кг·м
n - частота вращения, об/мин.
Технической задачей настоящего изобретения является получение максимально полного набора характеристик ОВН, определяющих его работоспособность, повышение уровня точности снимаемых параметров характеристик ОВН и повышение производительности выполняемых на стенде работ.
Решение поставленной задачи достигается тем, что стенд для обкатки и испытаний одновинтовых насосов (ОВН) содержит расходный бак, шпиндель, регулируемый привод вращения вала шпинделя, редуктор, распределительные рукава и контрольно-измерительную аппаратуру, согласно изобретению контрольно-измерительная аппаратуры стенда включает бесконтактный датчик крутящего момента с опцией измерения частоты вращения, установленный между редуктором и шпинделем, не менее чем два регулирующих клапана высокого давления, установленные параллельно на камеру высокого давления на выходе из насоса, не менее чем два датчика расхода, установленные параллельно в распределительных рукавах, соединяющий расходный бак и камеру высокого давления, и датчик давления, установленный на камеру высокого давления на выходе из насоса, при этом стенд снабжен пультом управления, включающим компьютер с программным комплексом контроля и обработки поступающей с датчиков информации, с возможностью дистанционного управления регулируемым приводом вращения вала шпинделя и регулирующими клапанами высокого давления.
Кроме того, в стенде согласно изобретению регулируемый привод вращения вала шпинделя выполнен в виде частотно-регулируемого привода, состоящего из асинхронного короткозамкнутого электродвигателя и транзисторного преобразователя частоты.
Кроме того, стенд согласно изобретению снабжен зажимами для закрепления насосной секции ОВН и опорой для фиксации места соединения насосной секции ОВН со шпинделем.
Кроме того, в стенде согласно изобретению регулирующие клапаны высокого давления и датчик давления установлены с возможностью перемещения вдоль рамы стенда в зависимости от длины насосной секции ОВН.
На фиг.1 показан вид сверху стенда для обкатки и испытаний одновинтовых насосов.
На фиг.2 - общий вид стенда для обкатки и испытаний одновинтовых насосов.
На фиг.3 - результат обработки компьютером энергетических характеристик насосной секций ОВН ПВП-90.
Показанный на фиг.1, 2 стенд для обкатки и испытаний одновинтовых насосов состоит из установочной базы 1, расходного бака 2 и пульта управления 3 с компьютером и принтером.
Установочная база 1 включает раму 4 и закрепленные на ней электродвигатель 5, редуктор 6, шпиндель 7, зажимы 8 для закрепления испытываемой насосной секции 9 ОВН, опору 10 для фиксации места соединения насосной секции 9 со шпинделем 7 и камеру высокого давления 11. Камера высокого давления 11 установлена на тележку 12 с возможностью перемещения вдоль рамы 4 стенда. Контрольно-измерительная аппаратуры стенда включает два регулирующих клапана высокого давления 13 типа КВДР-Э 701 С 20 0,25РР и КВДР-Э 701 65 10 РР, установленные параллельно на камере высокого давления 11, датчик давления 14 типа МИДА-ДИ-13ПК-0,25/25МПа-01, также установленный на камере высокого давления, бесконтактный датчик крутящего момента с функцией контроля частоты вращения 15 типа K-T10FM производства НВМ Германия, установленный на выходной вал редуктора 6 и вал шпинделя 7 с помощью фланцевых соединений и два датчика расхода 16 (типа расходомер-счетчик-электромагнитный РСЦ-01-015ФО-К-Т3-И1-03), установленные в распределительных рукавах 17, соединяющих камеру высокого давления 11 и расходный бак 2.
Вал электродвигателя 5 и выходной вал редуктора 6 соединены муфтой 18. Шпиндель 7 и камера высокого давления 11 соединены распределительными рукавами 17 с расходным баком 2.
Статоры насосных секций 9 ОВН соединяются с корпусом шпинделя 7 сменными переводниками 19, а с камерой высокого давления 11 сменными переводниками 20 с быстроразъемным соединением 21. Роторы насосных секций 9 соединяются с валом шпинделя 7 сменными переводниками 22.
В конструкции стенда по предлагаемому изобретению в отличие от прототипа в качестве привода вращения вала шпинделя применен частотно-регулируемый привод, состоящий из короткозамкнутого асинхронного электродвигателя 5 и транзисторного преобразователя частоты. Преобразователь частоты установлен с векторным управлением и разомкнутым контуром регулирования скорости, что позволяет применить обычный, более простой, надежный и дешевый асинхронный электродвигатель без специального электромеханического или цифрового датчика обратной связи по скорости, устанавливаемого на валу шпинделя. Для снижения установленной мощности привода, а соответственно весогабаритных и стоимостных показателей, выбор электродвигателя и преобразователя частоты привода произведен с учетом их перегрузочной способности.
В конструкции стенда по предлагаемому изобретению на раму 4 установлен шпиндель 7 ОВН, позволяющий обеспечить присоединение к нему всех существующих типоразмеров насосных секций 9 через сменные переводники 19, 20 и 22. Величина осевой нагрузки может достигать величины в 36000 кг.
В конструкции стенда по предлагаемому изобретению в качестве датчика контроля крутящего момента и частоты вращения вала шпинделя применен бесконтактный датчик крутящего момента 15 с опцией измерения частоты вращения модели K-T10FM производства НВМ Германия. Датчик крутящего момента 15 устанавливается между редуктором 6 и шпинделем 7 на их валы с помощью фланцевого соединения, обеспечивая прямую активную систему измерения крутящего момента и частоты вращения. В процессе проведения испытаний контроль крутящего момента и частоты вращения выполняется непосредственно с вала шпинделя бесконтактным методом без использования промежуточных элементов, например, рычагов или элементов вращения, снижающих точность замера.
В конструкции стенда по предлагаемому изобретению в качестве арматуры для создания на выходе из насоса перепада давления применены два регулирующих клапана высокого давления 13 модели КВДР-Э 701 С 20 0,25 РР и КВДР-Э 701 65 10 РР с электроприводами МЭПЦ 6300, обеспечивающие автоматическое регулирование давления, создаваемого ОВН на выходе из него. Расход, создаваемый существующими в настоящее время конструкциями ОВН в габаритах диаметров от 30 до 240 мм, находится в диапазоне от 0,02 до 14 л/с. Автоматическое регулирование давления в таком диапазоне расхода одним регулирующим клапаном существующих конструкций отечественного и зарубежного производства невозможно. В конструкции стенда применены два регулирующих клапана высокого давления 13, установленные параллельно на камере высокого давления на выходе из ОВН. По этой же причине в распределительных рукавах 17, соединяющих расходный бак 2 и камеру высокого давления 11, параллельно установлены два датчика расхода 16. Управление регулирующими клапанами высокого давления 13 осуществляется дистанционно с пульта управления 3.
В конструкции стенда по предлагаемому изобретению для управления работой стенда и обработки снимаемой информации применен компьютер, оснащенный программным комплексом «Pamp-Stend» разработки ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент». С компьютера в автоматическом режиме включается регулируемый привод вращения вала шпинделя, задается частота его вращения с определенной дискретностью изменения, включаются электроприводы регулирующих клапанов высокого давления, осуществляется контроль расхода, давления, крутящего момента и частоты вращения, производится обработка получаемой информации, расчеты мощности и кпд и печать результатов в виде графиков и таблиц, что совместно с применением современных датчиков съема информации обеспечивает качественно новый уровень точности снимаемых параметров характеристик ОВН и значительное повышение производительности выполняемых на стенде работ по проведению испытаний ОВН.
Работа на стенде осуществляется следующим образом. Расходный бак 2 перед началом испытаний заполняется водой. На статор испытываемой насосной секции 9 ОВН устанавливаются переводники 19 и 20, а на ротор - переводник 22. Насосная секция кран-балкой устанавливается в зажимные приспособления 8, продвигается вдоль оси стенда до соединения переводника 19 с корпусом шпинделя 7, а переводника 22 с валом шпинделя 7. Место соединения статора насосной секции 9 ОВН и корпуса шпинделя 7 укладывается на опору 10 и зажимается откидным хомутом опоры 10 с помощью накидного болта. Камера высокого давления 11, закрепленная на тележке 12, вместе с установленными на ней датчиком давления 14, регулирующими клапанами высокого давления 13 и распределительными рукавами 17 перемещается вдоль оси стенда до подсоединения с переводником 20, установленным на испытываемую насосную секцию 9. Камера высокого давления 11 подсоединяется к переводнику 20 с помощью быстроразъемного соединения 21. Насосная секция закрепляется от проворота откидными хомутами зажимов 8 с помощью накидных болтов.
С компьютера пульта управления 3, по программе, клапаны высокого давления 13 на выходе из насосной секции, с помощью электроприводов, полностью открываются, включается регулируемый привод вращения стенда и устанавливается определенная частота вращения вала шпинделя, например 50 об/мин. Осуществляется управление процессом испытаний в режиме холостого хода без нагрузки (давление в нагнетательной линии Р=0). Вода испытываемой насосной секцией 9 забирается из расходного бака 2, проходит через камеру высокого давления 11 и подается обратно в расходный бак 2. Компьютером фиксируется расход, создаваемый насосной секцией 9 в холостом режиме работы ОВН. В зависимости от габарита насосной секции 9 при установленной частоте вращения вала шпинделя автоматически перекрывается полностью один из регулирующих клапанов высокого давления 13, а второй закрывается постепенно, создавая на выходе из насосной секции 9 давление в определенном диапазоне от 0 МПа, например, до 5 МПа, с контролем точек замера давления, крутящего момента и расхода через 0,5 МПа. Полученные данные обрабатываются компьютером и распечатываются в виде графика (см. фиг.3). В автоматическом режиме регулируемым приводом вращения устанавливается следующая частота вращения вала ОВН и процесс испытаний повторяется. Энергетические характеристики испытываемой насосной секции 9 снимаются в автоматическом режиме управления на четырех-шести частотах вращения вала ОВН.
На фиг.3 показаны результаты испытаний, проведенных на стенде для обкатки и испытаний ОВН, насосной секции НВП-90 при частоте вращения 100 об/мин.
Конструкция стенда по предлагаемому изобретению обеспечивает получение параметров энергетических характеристик ОВН в максимально возможном объеме, увеличивает уровень точности снимаемых параметров характеристик ОВН и значительно повышает производительность выполняемых на стенде работ.
Конструкция стенда по предлагаемому изобретению обладает высокой ремонтопригодностью и простотой обслуживания.