СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
TEST BENCH FOR HYDRAULIC DOWNHOLE MOTORS

Изобретение относится к области нефтегазового машиностроения, а именно к оборудованию для испытаний гидравлических забойных двигателей, по существу, героторных винтовых многозаходных двигателей и турбобуров для бурения нефтяных и газовых скважин.
Известны горизонтальные динамические стенды фирмы "Griffith" (Канада), включающие установочную базу с зажимными устройствами, тормозное устройство, два насоса стенда, приемную емкость, систему измерения параметров забойных двигателей, пульт управления (Griffith drilling motor test stend. NATIONAL OILWELL DOWNHOLE TOOLS CATALOG, 1998-99, стр.73).
В стенде Testmaster для создания тормозного момента используется дисковый гидравлический тормоз, а тормозной момент создается в результате создания сил трения между трущимися поверхностями дисков.
В стенде Hydramaster в качестве тормозного устройства используется объемный гидравлический тормоз, а тормозной момент создается в результате циркуляции жидкости в тормозной муфте.
В каждом из известных стендов содержится датчик крутящего момента, состоящий из измерительного вала, оборудованного тензометрической мостовой схемой, который располагается между приводом и нагрузкой. Этот датчик основан на измерении упругой деформации при торсионном скручивании вала под действием крутящего момента.
Недостатком известных стендов Testmaster и Hydramaster фирмы "Griffith" является неполная возможность снижения динамического воздействия на трансмиссию тормозного устройства (снижения максимальной амплитуды скоростей смещений) и повышения точности измерения тормозного момента гидравлических забойных двигателей вследствие использования вращающегося датчика крутящего (торсионного) момента, калибровка которого осуществляется при помощи калибровочных образцов или собственного веса, а также неполная возможность повышения надежности и эффективности эксплуатации стендов.
Нагрузка датчика крутящего (торсионного) момента происходит за счет отрегулированных рычагов, где крутящий момент равен силе, умноженной на расстояние. Ошибки в "косинусах" плеча рычага устраняются как источник ошибки путем изменения положения плеча рычага в горизонтальное положение по мере того, как происходит очередное увеличение или уменьшение нагрузки.
Недостатки вращающегося датчика крутящего момента объясняются тем, что он является составной частью цепи трансмиссии, требует установки муфты, компенсирующей перекос и несоосность валов, требует шлифования торцов вала и трансмиссии, выполнения точных пазов на торцах вала и трансмиссии, а также заземления корпуса датчика.
При этом посадка муфт на валах должна быть с натягом, чтобы механический переход с одного вала на другой был без демпфирования или деформации, что необходимо, когда крутильные колебания являются частью измерения, а максимальный крутящий момент может во много раз превышать величину статического момента.
Высокая стоимость вращающегося датчика крутящего момента, его тарировки, сертификации и поверки, а также неполная возможность повышения точности измерения тормозных моментов гидравлических забойных двигателей не обеспечивают повышения надежности и эффективности эксплуатации стендов.
Недостатком известных горизонтальных динамических стендов Testmaster и Hydramaster фирмы "Griffith" является также невозможность использования одного из стендов для обкатки и испытаний всего диапазона известных героторных винтовых гидравлических двигателей и турбобуров.
Стенд Testmaster предназначен для проведения обкатки и испытаний героторных винтовых гидравлических двигателей и турбобуров диаметром 121…286 мм, а тормозной момент составляет 2040÷26400 Н·м.
Стенд Hydramaster предназначен для проведения обкатки и испытаний героторных винтовых гидравлических двигателей диаметром 43÷121 мм, а максимальный тормозной момент составляет 2040 Н·м.
Другим недостатком горизонтальных стендов Testmaster и Hydramaster фирмы "Griffith" также является необходимость применения промежуточного насоса. Вода в процессе испытаний подается насосом под давлением из приемной емкости в гидравлический забойный двигатель (ГЗД), протекает через него, сливается и собирается в приемной емкости. Так как приемная емкость установлена на пол производственного помещения, для ее заполнения водой, прокаченной через ГЗД, необходим дополнительный насос, сопоставимый по расходу с основным насосом стенда, что усложняет конструкцию стенда.
Известен стенд для обкатки и испытаний гидравлических забойных двигателей (ГЗД), содержащий установочную базу, зажимные приспособления для закрепления ГЗД, емкость для сбора энергетической жидкости, насос, гидроотбойник, датчик оборотов двигателя, датчик тормозного момента, электромагнитный порошковый тормоз, при этом стенд дополнительно снабжен тормозным дисковым устройством, расположенным на установочной базе на одной оси со стендом с возможностью перемещения от этой оси в сторону, состоящим из планшайбы, установленной на подшипнике вала с возможностью вращения и воздействия одним концом на нажимную опору датчика давления, двух тормозных суппортов с цилиндрами, расположенных диаметрально на планшайбе, тормозным диском, установленным между тормозными цилиндрами суппортов, жестко связанным с валом, получающим вращение от шпинделя (RU 2234691 C1, 20.08.2004).
В известном стенде используется датчик тормозного момента, состоящий из измерительного вала, оборудованного тензометрической мостовой схемой, который располагается между приводом и нагрузкой. Этот датчик основан на измерении упругой деформации при торсионном скручивании вала под действием крутящего момента.
Недостатком известного стенда является неполная возможность снижения динамического воздействия на трансмиссию тормозного устройства (снижения максимальной амплитуды скоростей смещений) и неполная возможность повышения точности измерения тормозного момента гидравлических забойных двигателей вследствие использования вращающегося датчика крутящего (торсионного) момента, калибровка которого осуществляется при помощи калибровочных образцов или собственного веса, а также неполная возможность повышения надежности и эффективности эксплуатации стенда.
Недостатки известного стенда объясняются использованием вращающегося датчика крутящего момента, который является составной частью цепи трансмиссии, требует установки муфты, компенсирующей перекос и несоосность валов, требует шлифования торцов вала и трансмиссии, выполнения точных пазов на торцах вала и трансмиссии, а также заземления корпуса датчика.
При этом посадка муфт на валах должна быть с натягом, чтобы механический переход с одного вала на другой был без демпфирования или деформации, что необходимо, когда крутильные колебания являются частью измерения, а максимальный крутящий момент может во много раз превышать величину статического момента.
Высокая стоимость вращающегося датчика крутящего момента, его тарировки, сертификации и поверки, а также неполная возможность повышения точности измерения тормозных моментов гидравлических забойных двигателей не обеспечивают повышения надежности и эффективности эксплуатации стенда.
Другим недостатком известного стенда является невозможность обкатки и испытаний героторных винтовых гидравлических двигателей и турбобуров, максимальный нагрузочный момент которых превышает 5000 Н·м, а также всего диапазона выпускаемых в России героторных винтовых гидравлических двигателей и турбобуров в режиме от минимальной до максимальной мощности, по существу, в диапазоне крутящего момента в пределах от 250 Н·м до 15000 Н·м.
При этом проведение испытаний ГЗД диаметром от 85 до 240 мм в известном стенде возможно только в режиме частичной мощности, по существу, до величины максимального нагрузочного момента, составляющего 30% нагрузочного момента в режиме максимальной мощности.
Кроме того, такое выполнение стенда для испытаний гидравлических забойных двигателей не обеспечивает точности измерения крутящего момента ГЗД в режиме холостого хода (измерение крутящего момента от "нуля") вследствие невозможности отключения электромагнитных порошковых тормозов (ПТ-250М1), обладающих остаточной намагниченностью, величина погрешности которых составляет до 10% максимального нагрузочного момента.
Например, винтовые забойные двигатели производства ПФ ВНИИБТ: ДР3-127, ДО3-127, ДГР3-127, Д3-176, Д4-176, ДВР3-176, Д3-195М, ДГ3-195, ДР-195, Д4-195М, ДВ3-195М, Д1-240М, ДР-240 имеют момент силы на выходном валу в режиме максимальной мощности, превышающий 5000 Н·м, по существу, от 5500 Н·м до 14000 Н·м (Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, 9/2003, с.8).
Винтовые забойные двигатели производства ООО "Фирма "Радиус-Сервис": RS055, Д-60РС, ДРУ-63РС, ДРУ-75РС, ДОТ-75РС, ДОТ-75РС, ДРК-98РС, Д1-105РС, ДРУ120-РС, ДРУ2-127РС, Д-172РС, ДРУ3-172РС, ДРУ-240РС имеют момент силы на выходном валу, в режиме от минимальной до максимальной мощности, по существу, от 250 Н·м до 14000 Н·м (от 25 до 1400 кгс·м).
Наиболее близким к заявляемой конструкции является стенд для испытаний гидравлических забойных двигателей, содержащий раму с устройствами для закрепления корпуса двигателя, основной бак рабочей жидкости, насос подачи рабочей жидкости в двигатель, первый и второй, последовательно установленные тормозные механизмы, соединенные с валом двигателя, каждый из которых выполнен, например, в виде электромагнитного порошкового тормоза, а также систему измерения параметров забойных двигателей, например давления и расхода рабочей жидкости, частоты вращения и крутящего момента, при этом стенд снабжен дополнительным баком рабочей жидкости, кожухом для приема выходящей из двигателя рабочей жидкости, установленным между основным и дополнительным баками, а также откачивающим насосом и установленным перед тормозными механизмами мультипликатором с зубчатыми колесами и двухскоростным механизмом переключения передач, при этом в механизме переключения передач первая передача передает крутящий момент от двигателя через мультипликатор к валу первого тормозного механизма, а вторая передача передает напрямую крутящий момент от двигателя к валу первого тормозного механизма (RU 2325556 C1, 27.05.2008).
В известном стенде используется датчик (K-T10FM-020R-SU2-S-1-S) частоты вращения и крутящего момента, состоящий из измерительного вала, оборудованного мостовой схемой на базе фольговых тензорезисторов, предназначенных для измерения крутящего момента, передаваемого через измерительный вал. Этот датчик основан на измерении упругой деформации при торсионном скручивании вала под действием крутящего момента.
Недостатком известного стенда является неполная возможность снижения динамического воздействия на трансмиссию тормозного устройства (снижения максимальной амплитуды скоростей смещений) и повышения точности измерения крутящих моментов гидравлических забойных двигателей вследствие использования вращающегося датчика крутящего момента, который является составной частью цепи трансмиссии, требует установки муфты, компенсирующей перекос и несоосность валов, требует шлифования торцов вала и трансмиссии, выполнения точных пазов на торцах вала и трансмиссии, а также заземления корпуса датчика.
При этом посадка муфты на валах должна быть с натягом, чтобы механический переход с одного вала на другой был без демпфирования или деформации, что необходимо, когда крутильные колебания являются частью измерения, а максимальный крутящий момент может во много раз превышать величину статического момента.
Высокая стоимость вращающегося датчика крутящего момента, его тарировки, сертификации и поверки, а также неполная возможность повышения точности измерения крутящих моментов гидравлических забойных двигателей не обеспечивают повышения надежности и эффективности эксплуатации известного стенда.
Недостатком известного стенда является также неполная возможность повышения точности измерения крутящих моментов гидравлических забойных двигателей с моментом силы на выходном валу в режиме от минимальной до максимальной мощности от 250 Н·м до 15000 Н·м, снижения динамического воздействия на трансмиссию тормозного устройства (снижения максимальной амплитуды скоростей смещений), невозможность быстрого задания требуемого тормозного момента при помощи мультипликатора с зубчатыми колесами, а также тормозных механизмов, выполненных в виде электромагнитных порошковых тормозов, недостаточная точность измерения крутящего момента, в том числе максимального тормозного момента гидравлических забойных двигателей, вследствие остаточной намагниченности электромагнитных порошковых тормозов, величина погрешности которых составляет до 10% максимального нагрузочного момента.
Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, - уменьшение динамического воздействия на трансмиссию тормозного устройства (снижение максимальной амплитуды скоростей смещений), повышение точности измерения крутящих моментов гидравлических забойных двигателей с моментом силы на выходном валу в режиме от минимальной до максимальной мощности от 250 Н·м до 15000 Н·м, повышение надежности и эффективности эксплуатации стенда за счет того, что содержит тормозной вал, установленный в опорах вращения, расположенных по краям тормозного вала и закрепленных на раме соосно валу двигателя, рычажный корпус с радиально расположенным относительно оси вращения тормозного вала рычагом, установленный на тормозном валу в собственных опорах вращения, расположенных между опор вращения тормозного вала, при этом тормозной вал размещен внутри тормозного устройства и рычажного корпуса с радиально расположенным относительно оси вращения тормозного вала рычагом, а тормозное устройство и рычажный корпус с радиально расположенным относительно оси вращения тормозного вала рычагом скреплены между собой и размещены между опор вращения тормозного вала, а также содержит собственный датчик силы с электрическим выходным сигналом, предназначенный для измерения тангенциальной силы от действия вращающего момента вала двигателя, установленный между радиально расположенным относительно оси вращения тормозного вала рычагом и рамой на фиксированном радиальном расстоянии от оси вращения тормозного вала.
Другая техническая задача, на решение которой направлено изобретение, - возможность быстрого и точного задания диапазона тормозного момента за счет тормозного устройства, скрепленного с рычажным корпусом, выполненного в виде пневматического цилиндра с рядом тормозных дисков, соединенных с тормозным валом с возможностью создания тормозного момента, и содержащего регулятор давления воздуха, соединенный с блоком управления.
Другая техническая задача, на решение которой направлено изобретение, - возможность прокрутки вала тестируемого двигателя, соединенного с тормозным валом, при продувке после испытаний для удаления рабочей жидкости из винтовых камер героторных винтовых двигателей за счет установки на раме электрического мотора-редуктора, карданного вала и обгонной муфты, соединенной с тормозным валом.
Другая техническая задача, на решение которой направлено изобретение, - возможность эксплуатации стенда в районах, имеющих дефицит электроэнергии, за счет использования дизельного двигателя с гидромеханической коробкой передач для привода насоса подачи рабочей жидкости в тестируемый двигатель.
Сущность технического решения заключается в том, что стенд для испытаний гидравлических забойных двигателей, содержащий раму с устройствами для закрепления корпуса двигателя, основной и дополнительный баки рабочей жидкости, насос подачи рабочей жидкости в двигатель, откачивающий насос, кожух для приема выходящей из двигателя рабочей жидкости, тормозное устройство, установленное соосно валу двигателя, а также систему измерения параметров двигателя, например, давления и расхода рабочей жидкости, частоты вращения и вращающего момента, согласно изобретению содержит тормозной вал, установленный в опорах вращения, расположенных по краям тормозного вала и закрепленных на раме соосно валу двигателя, рычажный корпус с радиально расположенным относительно оси вращения тормозного вала рычагом, установленный на тормозном валу в собственных опорах вращения, расположенных между опор вращения тормозного вала, при этом тормозной вал размещен внутри тормозного устройства и рычажного корпуса с радиально расположенным относительно оси вращения тормозного вала рычагом, а тормозное устройство и рычажный корпус с радиально расположенным относительно оси вращения тормозного вала рычагом скреплены между собой и размещены между опор вращения тормозного вала, а также содержит собственный датчик силы с электрическим выходным сигналом, предназначенный для измерения тангенциальной силы от действия вращающего момента вала двигателя, установленный между радиально расположенным относительно оси вращения тормозного вала рычагом и рамой на фиксированном радиальном расстоянии от оси вращения тормозного вала, снабжен устройством для вращения тормозного вала, соединенного с валом двигателя, а также содержит блок управления с электрическими выходными сигналами параметров двигателя и стенда, соединенный с компьютером.
Собственный датчик силы с электрическим выходным сигналом, предназначенный для измерения тангенциальной силы от действия вращающего момента вала двигателя, выполнен в виде тензорезисторного S-образного датчика силы растяжения-сжатия, соединенного с блоком управления.
Тормозное устройство, установленное соосно валу двигателя и скрепленное с рычажным корпусом, выполнено в виде пневматического цилиндра с рядом тормозных дисков, соединенных с тормозным валом с возможностью создания тормозного момента, и содержит регулятор давления воздуха, соединенный с блоком управления.
Устройство для вращения тормозного вала, соединенного с валом двигателя, содержит закрепленный на раме электрический мотор-редуктор, карданный вал и обгонную муфту, соединенную с тормозным валом, при этом электрический мотор-редуктор соединен с блоком управления.
Стенд содержит собственный силовой агрегат, предпочтительно дизельный двигатель с гидромеханической коробкой передач, предназначенный для привода насоса подачи рабочей жидкости, а также содержит блок управления дизельным двигателем, соединенный с компьютером.
Выполнение стенда для испытаний гидравлических забойных двигателей таким образом, что он содержит тормозной вал, установленный в опорах вращения, расположенных по краям тормозного вала и закрепленных на раме соосно валу двигателя, рычажный корпус с радиально расположенным относительно оси вращения тормозного вала рычагом, установленный на тормозном валу в собственных опорах вращения, расположенных между опор вращения тормозного вала, при этом тормозной вал размещен внутри тормозного устройства и рычажного корпуса с радиально расположенным относительно оси вращения тормозного вала рычагом, а тормозное устройство и рычажный корпус с радиально расположенным относительно оси вращения тормозного вала рычагом скреплены между собой и размещены между опор вращения тормозного вала, а также содержит собственный датчик силы с электрическим выходным сигналом, предназначенный для измерения тангенциальной силы от действия вращающего момента вала двигателя, установленный между радиально расположенным относительно оси вращения тормозного вала рычагом и рамой на фиксированном радиальном расстоянии от оси вращения тормозного вала, снабжен устройством для вращения тормозного вала, соединенного с валом двигателя, а также содержит блок управления с электрическими выходными сигналами параметров двигателя и стенда, соединенный с компьютером, уменьшает динамическое воздействие на трансмиссию тормозного устройства (снижает максимальную амплитуду скоростей смещений) и повышает точность измерения крутящих моментов гидравлических забойных двигателей с моментом силы на выходном валу в режиме от минимальной до максимальной мощности от 250 Н·м до 15000 Н·м, повышает надежность и эффективность эксплуатации стенда.
Например, в заявляемом изобретении максимальное измеренное значение вибрационного воздействия (2,7 мм/с) на трансмиссию тормозного устройства и раму стенда в 10÷15 раз меньше максимального измеренного значения вибрационного воздействия (27÷45 мм/с) как у стенда-прототипа.
Такое выполнение стенда для испытаний гидравлических забойных двигателей обеспечивает возможность быстрого и точного задания диапазона тормозного момента при помощи тормозного устройства, установленного соосно валу двигателя и скрепленного с рычажным корпусом, выполненного в виде пневматического цилиндра с рядом тормозных дисков и содержащего регулятор давления воздуха, соединенный с блоком управления и компьютером.
Выполнение стенда для испытаний гидравлических забойных двигателей таким образом, что собственный датчик силы с электрическим выходным сигналом, предназначенный для измерения тангенциальной силы от действия вращающего момента вала двигателя, выполнен в виде тензорезисторного S-образного датчика силы растяжения-сжатия, соединенного с блоком управления, снижает динамическое воздействие на трансмиссию тормозного устройства, раму стенда и фундамент (снижает максимальную амплитуду скоростей смещений), повышает точность измерения крутящих моментов гидравлических забойных двигателей с моментом силы на выходном валу в режиме от минимальной до максимальной мощности от 250 Н·м до 15000 Н·м, а также в режиме максимального тормозного момента и сброса давления рабочей жидкости из винтовых камер гидравлических винтовых героторных двигателей, повышает надежность и эффективность эксплуатации стенда.
В известном стенде используется датчик (K-T10FM-020R-SU2-S-1-S) частоты вращения и крутящего момента, состоящий из измерительного вала, оборудованного мостовой схемой на базе фольговых тензорезисторов, предназначенных для измерения крутящего момента, передаваемого через измерительный вал. Этот датчик основан на измерении упругой деформации при торсионном скручивании вала под действием крутящего момента. Стоимость известного датчика крутящего момента составляет 656000 руб.
В заявляемом изобретении собственный датчик силы с электрическим выходным сигналом, предназначенный для измерения тангенциальной силы от действия вращающего момента вала двигателя, выполнен в виде тензорезисторного S-образного датчика силы растяжения-сжатия, предпочтительно используется датчик S-образный растяжения-сжатия С2 ГОСТ 30129, М03М Р60 на нагрузку от 500 до 20000 кг, соединенный с блоком управления, используется также нормирующий усилитель НУ-420DC (ЗАО "ТЕНЗО-М").
В связи с отсутствием датчика крутящего момента упрощается трансмиссия тормозного устройства, отсутствуют промежуточный вал и соединительные зубчатые муфты, используемые в известном стенде, при этом стоимость тензорезисторного S-образного датчика С2 силы растяжения - сжатия составляет 9100 руб., что повышает надежность и эффективность эксплуатации стенда, снижает стоимость стенда, а также уменьшает стоимость тарировки, сертификации и поверки тензорезисторного S-образного датчика и блока управления стендом.
Выполнение стенда для испытаний гидравлических забойных двигателей таким образом, что тормозное устройство, установленное соосно валу двигателя и скрепленное с рычажным корпусом, выполнено в виде пневматического цилиндра с рядом тормозных дисков, соединенных с тормозным валом с возможностью создания тормозного момента, и содержит регулятор давления воздуха, соединенный с блоком управления, обеспечивает возможность быстрого и точного задания диапазона тормозного момента, при этом упрощается трансмиссия тормозного устройства, снижается максимальное измеренное значение вибрационного воздействия на раму стенда в режиме от минимальной до максимальной мощности от 250 Н·м до 15000 Н·м, а также в режиме максимального тормозного момента и сброса давления рабочей жидкости из винтовых камер гидравлических винтовых героторных двигателей, повышается надежность и эффективность эксплуатации стенда.
Выполнение стенда для испытаний гидравлических забойных двигателей таким образом, что он снабжен устройством для вращения тормозного вала, соединенного с валом двигателя, которое содержит закрепленный на раме электрический мотор-редуктор, карданный вал и обгонную муфту, соединенную с тормозным валом, при этом электрический мотор-редуктор соединен с блоком управления, обеспечивает возможность прокрутки вала тестируемого двигателя, соединенного с тормозным валом, при продувке после испытаний для удаления рабочей жидкости из винтовых (шлюзовых) камер героторных винтовых двигателей, что необходимо для консервации и хранения двигателей при отрицательных температурах.
Выполнение стенда для испытаний гидравлических забойных двигателей таким образом, что он содержит собственный силовой агрегат, предпочтительно дизельный двигатель с гидромеханической коробкой передач, предназначенный для привода насоса подачи рабочей жидкости в тестируемый двигатель, а также содержит блок управления дизельным двигателем, соединенный с компьютером, обеспечивает возможность эксплуатации в районах, имеющих дефицит электроэнергии, а также не требует дополнительного трансформатора при использовании электромотора для привода насоса подачи рабочей жидкости.
Ниже представлен лучший вариант стенда СГИ-1200РС для испытаний гидравлических забойных двигателей, например героторных винтовых многозаходных двигателей и турбобуров для бурения нефтяных и газовых скважин.
На фиг.1 показан общий вид стенда для испытаний гидравлических забойных двигателей (ГЗД).
На фиг.2 показана система подачи рабочей жидкости, включающая дизельный двигатель с коробкой передач, насос подачи рабочей жидкости в тестируемый двигатель, блок управления дизельным двигателем, основной бак, трубопроводы, распределительные устройства, вентили и рукава.
На фиг.3 показан элемент I на фиг.1, включающий раму, кожух для приема выходящей из двигателя рабочей жидкости, тормозной вал, установленный в опорах вращения, рычажный корпус с рычагом, пневматический тормоз, датчик силы, устройство для вращения тормозного вала, а также соединительные муфты и карданные валы.
На фиг.4 показан вид А на фиг.3, включающий раму, кожух для приема выходящей из двигателя рабочей жидкости, тормозной вал, рычажный корпус с рычагом, пневматический тормоз, датчик силы, установленный между радиально расположенным относительно оси вращения тормозного вала рычагом рычажного корпуса и рамой.
На фиг.5 показан элемент II на фиг.4 датчика силы, установленного в шарнирных сферических подшипниках между рычагом рычажного корпуса и рамой.
На фиг.6 показан элемент III на фиг.3 пневматического цилиндра с двумя тормозными дисками, предназначенного для установки на рычажном корпусе с рычагом соосно тормозному валу.
На фиг.7 показана виброизолирующая опора для рамы, выполненная в виде тарельчатого корпуса с модулем из эластомера.
На фиг.8 показано устройство резьбовых элементов, пружинных устройств и ограничителей хода виброизолирующей опоры для рамы.
3
Стенд для испытаний гидравлических забойных двигателей, максимальные размеры которых: длина - 14 метров, диаметр - 240 мм, содержит раму 1 с двумя гидравлическими устройствами 2 для закрепления (в вертикальной плоскости), а также с гидравлическим устройством 3 для закрепления (в горизонтальной плоскости) корпуса 4 двигателя, основной бак 5, объем которого составляет 10 м рабочей жидкости 6 (воды), насос 7 (СИН-31) подачи рабочей жидкости 6 в тестируемый двигатель, тормозное устройство 8, соединенное с валом 9 двигателя, компьютерную систему измерения (не показанную) параметров забойных двигателей, включающую датчики давления и расхода рабочей жидкости (не показанные), а также датчик 10 частоты вращения (тахометр МР-981), показано на фиг.1, 2, 3.
3
Стенд снабжен дополнительным баком 11, объем которого составляет 1,6 м рабочей жидкости 6, кожухом 12, выполненным в виде разъемного короба, управляемого гидроцилиндром 13, при этом кожух 12 предназначен для приема выходящей из двигателя рабочей жидкости 6 и установлен между основным и дополнительным баками, соответственно 5 и 11, а также снабжен откачивающим насосом 14 (АНС-130), показано на фиг.1, 3, 4.
Стенд содержит тормозной вал 15, установленный в опорах вращения (роликовых двухрядных подшипниках) 16 и 17, расположенных по краям 18 и 19 тормозного вала 15 и закрепленных на раме 1 в опорных корпусах 20 и 21 соосно валу 9 двигателя, показано на фиг.3.
Стенд содержит рычажный корпус 22 с радиально расположенным относительно оси 23 вращения тормозного вала 15 рычагом 24, установленный на тормозном валу 15 в собственных опорах вращения 25 и 26, расположенных между опор 16 и 17 вращения тормозного вала 15, показано на фиг.3, 4.
Тормозной вал 15 размещен внутри тормозного устройства 8 и рычажного корпуса 22 с радиально расположенным относительно оси 23 вращения тормозного вала 15 рычагом 24, а тормозное устройство 8 и рычажный корпус 22 с радиально расположенным относительно оси 23 вращения тормозного вала 15 рычагом 24 скреплены между собой болтами 27 и размещены между опор 16 и 17 вращения тормозного вала 15, показано на фиг.3, 4.
Стенд содержит собственный датчик 28 силы с электрическим выходным сигналом, предназначенный для измерения тангенциальной силы от действия вращающего момента вала двигателя, установленный между радиально расположенным относительно оси 23 вращения тормозного вала 15 рычагом 24 и рамой 1 (кронштейном) на фиксированном радиальном расстоянии 25 от оси 23 вращения тормозного вала 15 при помощи тяг 29, осей 30 в шарнирных сферических подшипниках 31, поз.32 - кабельный переходник, показано на фиг.3, 4.
Собственный датчик 28 силы с электрическим выходным сигналом, предназначенный для измерения тангенциальной силы от действия вращающего момента вала 9 двигателя, выполнен в виде тензорезисторного S-образного датчика силы растяжения-сжатия, предпочтительно используется датчик S-образный растяжения-сжатия С2 ГОСТ 30129, М03М Р60 на нагрузку от 500 до 20000 кг, соединенный с блоком 33 управления датчиком 28 силы растяжения-сжатия, при этом в блоке 33 управления используется нормирующий усилитель НУ-420DC (ЗАО "ТЕНЗО-М"), показано на фиг.4, 5.
Стенд содержит блок 34 управления с электрическими выходными сигналами параметров двигателя и стенда, соединенный с компьютером 35, показано на фиг.1.
Тормозное устройство 8, установленное соосно валу 9 двигателя и скрепленное с рычажным корпусом 22, выполнено в виде пневматического цилиндра 36, нажимного поршня 37 с уплотнениями 38, 39 из эластомера, при этом поз.40, 41, 42 показаны фигурные фланцы, в которых выполнены герметичные камеры, соответственно, 43, 44, 45 для прокачки охлаждающей жидкости 46, а также содержит тормозные диски 47, 48, причем тормозные диски 47, 48 соединены с тормозным валом 15 (не показанным) с возможностью создания тормозного момента, например, при помощи тормозной втулки 49 с прямоугольными шлицами 50 для соединения с ответными прямоугольными шлицами (не показанными) во внутренних отверстиях тормозных дисков 47, 48, при этом тормозная втулка 49 соединена с возможностью создания крутящего момента при помощи шпоночного паза 51 и шпонки 52, показано на фиг.3, 6.
Стенд содержит регулятор 53 давления воздуха, соединенный с блоком 34 управления с электрическими выходными сигналами параметров двигателя и стенда, соединенный с компьютером 35, показано на фиг.1.
2
2
2
Пневматический цилиндр 36 обеспечивает тормозной момент 12000 Н·м при давлении в пневматической системе 6 кгс/см, при давлении 8 кгс/см тормозной момент составляет 15000 Н·м, по существу, при давлении в пневматической системе 3÷8 кгс/см обеспечивается тормозной момент для испытаний всех выпускаемых в России героторных винтовых гидравлических двигателей и турбобуров в режиме от минимальной до максимальной мощности, в диапазоне крутящего момента ГЗД в пределах от 250 Н·м до 15000 Н·м (от 25 до 1400 кгс·м).
Стенд снабжен устройством 54 для вращения (прокрутки) тормозного вала 15, соединенного с валом 9 двигателя, показано на фиг.1, 3.
Устройство 54 для вращения тормозного вала 15, соединенного с валом 9 двигателя, содержит закрепленный на раме 1 электрический мотор-редуктор 55, карданный вал 56 и обгонную муфту 57, соединенную с тормозным валом 15, при этом электрический мотор-редуктор 55 соединен с блоком 34 управления с электрическими выходными сигналами параметров двигателя и стенда, поз.58 - защитный кожух устройства 54 для вращения тормозного вала 15, показано на фиг.1, 3.
Стенд содержит собственный силовой агрегат 59, предпочтительно дизельный двигатель ЯМЗ Э8502 (RU) мощностью 597 кВт (800 л.с.) с гидромеханической коробкой передач 60, предназначенный для механического привода насоса 7 подачи рабочей жидкости 6 в тестируемый двигатель, а также содержит блок 61 управления дизельным двигателем 59, соединенный с компьютером 35, показано на фиг.1, 2.
Стенд содержит насос 62 для подачи охлаждающей жидкости 46 в пневматический цилиндр 36 (который нагревается при торможении тормозных дисков 47, 48), а также два бака 63 для охлаждающей жидкости 46 и радиатор 64 для охлаждающей жидкости 46 с двумя вентиляторами 65 для охлаждения воздухом радиатора 64, показано на фиг.2.
Рама 1 стенда с устройствами 2, 3 для закрепления корпуса 4 двигателя содержит множество виброизолирующих опор 66, каждая из которых выполнена в виде тарельчатого корпуса 67 с модулем 68 из эластомера, размещенного в полости 69 тарельчатого корпуса 67, поз.70 показаны фиксаторы для рамы 1 на чугунных плитах 71 в испытательном цехе, показано на фиг.1, 7.
Рама 1 стенда с устройствами 2, 3 для закрепления корпуса 4 двигателя содержит также множество резьбовых элементов 72, пружинных устройств 73 и ограничителей 74 хода пружинных устройств 56, показано на фиг.1, 8.
Кроме того, на фиг.3 показано: тормозной вал 15 соединен с возможностью создания тормозного момента с карданным валом 75, переводником 76 и выходным валом 9 двигателя.
Кроме того, на фиг.1 показано: поз.77 - входной переводник ГЗД, поз.78 - гибкий напорный (буровой) рукав.
Стенд предназначен для проверки качества сборки ГЗД, определения работоспособности ГЗД после отработки, проверки качества ремонта, снятия характеристик ГЗД, проведения длительных испытаний вновь разрабатываемых ГЗД.
Стенд содержит автоматизированную систему управления (АСУ), предназначенную для управления системами стенда, защиты технологического оборудования и его агрегатов при угрозе аварии, обеспечения персонала достаточной, достоверной и своевременной информацией о ходе процесса испытания, включая аварийную и предупредительную сигнализацию, вывод и хранение результатов испытаний. Технические характеристики стенда указаны в таблице 1.
Таблица 1
1.1
Диапазон диаметров испытываемых ГЗД, мм
40÷240
1.2
Максимальная длина испытываемых ГЗД, м
14
1.3
Мощность электродвигателя насоса подачи рабочей жидкости, кВт
560
1.3.1
Мощность дизельного двигателя для привода насоса подачи рабочей жидкости, кВт (л.с.)
597 (800)
1.4
Расходы рабочей жидкости при коэффициенте заполнения 1, л/с
5…30
1.5
Максимальное давление рабочей жидкости при расходе 7…25 л/с, кгс/см<sup>2</sup>
150
1.6
Максимальное давление рабочей жидкости при расходе 25…30 л/с, кгс/см<sup>2</sup>
130
1.7
Максимальная частота вращения вала ГЗД, об/мин
950
1.8
Максимальный момент торможения, кгс·м
1500
1.9
Номинальное давление воздуха в системе управления пневмотормозом, кгс/см<sup>2</sup>
3-8
1.10
Максимальное давление воздуха в системе управления пневмотормозом, кгс/см<sup>2</sup>
10
1.11
Установленная мощность электропотребителей стенда, кВт
590
1.12
Габаритные размеры стенда, м, длина×ширина×высота
18×1,8×1,7
1.13
Габаритные размеры насоса подачи рабочей жидкости с основным баком и дизельным двигателем, м, длина×ширина×высота
11,6×4,5×3,7
Героторный винтовой многозаходный гидравлический двигатель закрепляют на раме 1 гидравлическими устройствами 2 (в вертикальной плоскости) корпуса 4 двигателя, гидравлическим устройством 3 (в горизонтальной плоскости) корпуса 4 двигателя, при этом выходной вал 9 двигателя соединяют при помощи переводника 76 с карданным валом 75 и тормозным валом 15. К входному переводнику 77 ГЗД подсоединяют гибкий напорный (буровой) рукав 78.
Выполняют запуск насоса 7 (СИН-31) подачи рабочей жидкости 6 в двигатель и выводят его на минимальный режим работы. После введения в автоматизированную систему управления (АСУ) команды начала испытаний запускают насос 62 для подачи охлаждающей жидкости 46 для охлаждения пневматического цилиндра 36, нажимного поршня 37 с уплотнениями 38, 39 из эластомера, фигурных фланцев 40, 41, 42, в которых выполнены герметичные камеры, соответственно, 43, 44, 45 для прокачки охлаждающей жидкости 46.
Рабочая жидкость 6 от насоса 7 может быть направлена как через тестируемый ГЗД, так и в два бака 63 жидкости 46 для охлаждения тормозного устройства 8 (пневматического цилиндра 36), соединенного с валом 9 двигателя, при проведении регламентных работ по насосной установке.
Переключение распределителя для рабочей жидкости 6 и охлаждающей жидкости 46 производят при отсутствии давления в гибком напорном (буровом) рукаве 78.
Блок 34 управления с электрическими выходными сигналами параметров двигателя и стенда, соединенный с компьютером 35, нагружает тормозным моментом с определенным шагом нажимной поршень 37 с уплотнениями 38, 39 из эластомера пневматического цилиндра 36, при этом блок 34 управления поддерживает заданный расход рабочей жидкости 6.
Рабочую жидкость 6 насосом 7 (СИН-31) подают в героторный винтовой гидравлический двигатель с определенным давлением и расходом. Под действием перепада давления рабочей жидкости 6 ротор двигателя совершает планетарное движение внутри корпуса 4 двигателя, обкатываясь винтовыми зубьями по винтовым зубьям обкладки из эластомера, закрепленной в корпусе 4, при этом центральная ось ротора совершает вращение вокруг центральной оси обкладки из эластомера, закрепленной в корпусе 4, а сам ротор поворачивается вокруг своей центральной оси в направлении, противоположном направлению планетарного движения, образуя крутящий момент, который используется для вращения долота в скважине и бурения горных пород.
Увеличением числа оборотов электродвигателя насоса 7 (СИН-31) подачи рабочей жидкости 6 в двигатель (или увеличением числа оборотов дизельного двигателя с гидромеханической коробкой передач) устанавливают расход, необходимый по условиям испытаний.
Снимают характеристики ГЗД, для чего с помощью пневматического цилиндра 36 вал 9 ГЗД нагружают тормозным моментом с определенным шагом, при этом поддерживают заданный расход рабочей жидкости 6 через тестируемый двигатель.
Расход и давление в напорной линии насоса 7 (СИН-31) подачи рабочей жидкости 6 в двигатель замеряют датчиками, например датчиком расхода НОРД-М-65-16,0 и датчиком давления МИДА-ДИ-13ПК, частоту вращения замеряют датчиком 10 частоты вращения (тахометром МР-981).
Тормозной момент замеряют датчиком 28 силы с электрическим выходным сигналом, предназначенным для измерения тангенциальной силы от действия вращающего момента вала двигателя, установленным между радиально расположенным относительно оси 23 вращения тормозного вала 15 рычагом 24 и рамой 1 (кронштейном) на фиксированном радиальном расстоянии 25 от оси 23 вращения тормозного вала 15 при помощи тяг 29, осей 30 в шарнирных сферических подшипниках 31.
Датчик 28 силы с электрическим выходным сигналом, предназначенный для измерения тангенциальной силы от действия вращающего момента вала 9 двигателя, выполнен в виде тензорезисторного S-образного датчика силы растяжения-сжатия, предпочтительно используется датчик S-образный растяжения-сжатия С2 ГОСТ 30129, М03М Р60 на нагрузку от 500 до 20000 кг (работает на сжатие), соединенный с блоком 33 управления датчиком 28 силы растяжения-сжатия, при этом в блоке 33 управления используется нормирующий усилитель НУ-420DC.
При этом максимальное измеренное значение вибрационного воздействия (2,7 мм/с) на трансмиссию тормозного устройства и раму стенда в 10÷15 раз меньше максимального измеренного значения вибрационного воздействия (27÷45 мм/с) как у стенда-прототипа.
Точность измерения перечисленных датчиков составляет:
- по измерению крутящего момента ±0,4%;
- по измерению давления рабочей жидкости ±0,2%;
- по измерению расхода рабочей жидкости ±0,5%;
- по измерению оборотов вала ГЗД ±0,2%;
- по измерению температуры рабочей жидкости ±0,5%.
Снимаемые параметры характеристик обрабатываются компьютером 35.
2
Завершением снятия характеристик ГЗД является достижение одного из следующих параметров: достижение максимального нагрузочного (тормозного) момента (1500 кгс·м); достижение максимального давления рабочей жидкости 6, заданного оператором (не более 150 кгс/см); остановка вращения вала 9 ГЗД.
Во время проведения испытаний производится сохранение в памяти компьютера следующих параметров: расхода рабочей жидкости 6 через ГЗД, тормозного момента на валу 9 ГЗД, скорости вращения вала 9 ГЗД, давления и температуры рабочей жидкости 6.
Рабочая жидкость 6, прокачиваемая через тестируемый ГЗД, поступает в дополнительный бак 11. Периодически, по командам сигнализатора уровня, рабочая жидкость 6 откачивается насосом 14 из бака 11 в бак 5, находящийся в отдельном помещении.
После снятия характеристик ГЗД АСУ выдает команду на снятие нагрузки в тормозной системе, при этом насос 7 (СИН-31) подачи рабочей жидкости 6 в тестируемый двигатель не выключается, число оборотов насоса 7 уменьшается до минимальных. По решению оператора проводится повторное испытание ГЗД или выполняется остановка стенда.
Производят прокрутку выходного вала 9 двигателя при продувке тестируемого двигателя после испытаний для удаления рабочей жидкости из винтовых (шлюзовых) камер героторного винтового двигателя (что необходимо для консервации и хранения двигателей при отрицательных температурах) при помощи устройства 54 для вращения тормозного вала 15, которое содержит закрепленный на раме 1 электрический мотор-редуктор 55, карданный вал 56 и обгонную муфту 57, соединенную с тормозным валом 15, при этом электрический мотор-редуктор 55 также управляется при помощи блока 34 управления и компьютера 35.
По результатам испытаний АСУ выдается следующая информация:
- частота вращения вала ГЗД, давление в напорной магистрали, дифференциальный перепад давления (разность между давлением в напорной магистрали и давлением холостого хода ГЗД), расход рабочей жидкости, полезная мощность, КПД, нагрузочный момент, температура рабочей жидкости, частота вращения насоса подачи рабочей жидкости в табличном виде;
- зависимость частоты вращения вала ГЗД, давления в напорной магистрали, полезной мощности, КПД от нагрузочного момента в виде графика;
- зависимость частоты вращения вала ГЗД, нагрузочного момента, полезной мощности, КПД от дифференциального перепада давления в виде графика;
- параметры в характерных точках (в режиме холостого хода, максимального КПД, максимальной мощности, при тормозном режиме или при максимально достигнутом нагрузочном моменте).
Стенд для испытаний гидравлических забойных двигателей уменьшает динамическое воздействие на трансмиссию тормозного устройства (снижает максимальную амплитуду скоростей смещений), повышает точность измерения крутящих моментов гидравлических забойных двигателей с моментом силы на выходном валу в режиме от минимальной до максимальной мощности, повышает надежность работы, обеспечивает возможность быстрого задания диапазона тормозного момента при помощи пневматического тормоза, управляемого компьютером, повышает точность измерения крутящего момента и максимального тормозного момента, а также в режиме полного торможения и сброса давления рабочей жидкости из замкнутых винтовых камер героторных винтовых двигателей всего диапазона используемых в России гидравлических забойных двигателей, по существу, диапазона крутящего момента ГЗД в пределах 250÷15000 Н·м.