Стенд для исследования компенсатора с квазинулевой жесткостью
STAND FOR RESEARCH OF COMPENSATOR WITH QUASI-ZERO STIFFNESS

Изобретение относится к области гидромашиностроения, а именно к лабораторно - испытательной технике, конкретно к устройствам вспомогательного учебного оборудования, т.е. к стендам для проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях, и может быть использовано для исследования динамики испытуемого объекта при действии продольных вибрационных нагрузок, в частности, для моделирования процессов, происходящих в нефтяных скважинах, оборудованных электропогружными центробежными насосами (ЭЦН), и осложненных механическими примесями и свободным газом.
Стенд создан для проведения экспериментальных исследований компенсатора с квазинулевой жесткостью для оценки адекватности теоретических результатов.
Известен вибрационный стенд (А.с. СССР №187369, кл. G01M 7/00, 04.01.1965 г.), включающий основание, пневматическое разгружающее устройство с направляющими и электродвигатель, стол консольного типа, колебательные движения которому передает электродвигатель через кривошипно-шатунный механизм.
Наиболее близким к изобретению является стенд для вибрационных испытаний (А.с. СССР №538263, кл. G01M 7/00, 05.12.1976 г.), содержащий основание, расположенные на нем неподвижную раму и вибратор, и грузы, закрепляемые на испытуемом объекте. Стенд снабжен пружинами и может быть использован для исследования динамических характеристик объектов различного назначения. Система груз-пружина, используемая для воспроизведения воздействия элемента реальной конструкции на сопрягаемый с ним испытуемый объект, недостаточно точна. Вследствие этого при испытании на частотах, близких к резонансным частотам испытуемого объекта, точность моделирования реакции реальной конструкции на сопрягаемый с ней испытуемый объект снижается, что является недостатком этого стенда.
Недостатком вибрационного стенда (аналога) и стенда для вибрационных испытаний (прототипа) является так же отсутствие возможности исследования компенсатора с квазинулевой жесткостью в качестве испытуемого объекта.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии условию патентоспособности «новизна».
Целью изобретения является создание стенда для проведения экспериментальных исследований компенсатора с квазинулевой жесткостью для подтверждения полученных теоретических результатов, что достигается созданием вибрации испытываемого поршня цилиндра со штоком и набором грузов, моделирующих поведение компенсатора в составе установки электропогружного центробежного насоса в нефтяной скважине, и оценкой возможности виброгашения с помощью пакета последовательно соединенных тарельчатых пружин и газа под давлением в подпоршневой области цилиндра, имеющих такую силовую характеристику, что при параллельном соединении с поршнем цилиндра создается результирующая восстанавливающая сила с рабочим участком заданной малой (квазинулевой) жесткости.
Пакет последовательно соединенных тарельчатых пружин входит в состав конструкции компенсатора с квазинулевой жесткостью и совместно с газом под давлением в подпоршневой области цилиндра выполняют основную функцию по компенсации (сглаживанию) воздействия низкочастотных колебаний установки ЭЦН.
Поставленная цель решается предлагаемым стендом, содержащим неподвижную раму, источник вибрации, набор грузов, электродвигатель, насаженный эксцентричный груз, обеспечивающим возникновение вибрации испытываемых элементов, моделирующих поведение компенсатора с квазинулевой жесткостью в составе установки ЭЦН в нефтяной скважине.
Новым является то, что на неподвижной раме установлен цилиндр с набором насадок, имеющий поршень со штоком с набором грузов, на верхнем торце которых расположен источник вибрации в виде электродвигателя с насаженным эксцентричным грузом, на кабельной линии, соединяющей источник питания с электродвигателем, установлен резистор переменного тока, на штоке установлены датчик вибрации и измеритель амплитуды колебаний, выполненный в виде металлической пластины, закрепленной на диэлектрической основе, со свободно перемещающимся, вдоль оси упомянутой металлической пластины с постоянным контактом, подпружиненным бегунком, соединенным со штоком цилиндра, связанные с вычислительным блоком, а в подпоршневой области цилиндра размещается пакет последовательно соединенных тарельчатых пружин, установленных друг над другом и разделенных металлическими шайбами, имеющими отверстия для циркуляции газа под давлением в подпоршневой области цилиндра, а цилиндр в нижней части через кран пневматически связан с манометром и компрессором.
Новым является и то, что цилиндр имеет набор насадок: насадка для определения сухого трения и параметров пружины и для проведения испытаний, насадка для определения сухого трения и параметров пружины имеет небольшие упоры, позволяющие установить пакет последовательно соединенных тарельчатых пружин, однако не препятствующих выходу газообразной среды, находящейся под давлением в подпоршневой области цилиндра, на насадке для проведения испытаний имеется резьбовое соединение, позволяющее плотно соединить его с системой «кран-манометр-компрессор», для соединений насадок и цилиндра между собой используется резьба на цилиндре и насадках соответственно, для фиксации цилиндра на неподвижной раме на нем выполнены расточки под кронштейн.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 приведена схема стенда для исследования компенсатора с квазинулевой жесткостью;
- на фиг. 2 представлен цилиндр с набором насадок;
- на фиг. 3 представлен измеритель амплитуды колебаний.
Стенд для исследования компенсатора с квазинулевой жесткостью (фиг. 1) смонтирован на неподвижной раме 1, оснащенной вертикальным штативом 2, на котором при помощи креплений 4 установлен цилиндр 5. В цилиндре 5 расположен поршень 6, соединенный со штоком 7, а крепление 3 служит центратором, направляющей и ограничителем хода для штока 7. В подпоршневой области 13 под поршнем 6 размещены тарельчатые пружины 14 с расположенными между ними шайбами 15. На верхнем торце штока 7 установлен набор грузов 8, на которых расположен вибратор в виде электродвигателя 9 с насаженным эксцентричным грузом 10. На линии между источником питания 11 и электродвигателем 9 установлен резистор переменного тока 12. В верхней части штока 7 установлены датчик вибрации 20 и измеритель амплитуды колебаний 24. Данные с датчика вибрации 20 поступают на обработку в вычислительный блок 21 по кабельной линии 22. На металлической пластине 28 измерителя амплитуды колебаний 24 и свободно перемещающемся подпружиненном бегунке 32 имеются контакты 30 и 31 для подключения проводной линии 29. Проводная линия 29 замкнута на источник питания 27 и измеритель сопротивления 26. Данные с измерителя амплитуды колебаний 24 поступают на обработку в вычислительный блок 21 по проводной линии 29. Свободно перемещающийся подпружиненный бегунок 32 соединен со штоком 7 креплением 25. Для защиты от вылета поршня 6 из цилиндра 5 под действием давления газа в подпоршневой области 13 на штоке 7 имеется упор 23. Нижняя часть цилиндра 5 соединена с краном 16, манометром 17 и компрессором 18 резьбовыми соединениями. Компрессор 18 получает электропитание от источника питания 19.
Цилиндр 5 (фиг. 2) имеет набор насадок: насадка для определения сухого трения и параметров пружины 35 и насадка для проведения испытаний 33. Насадка для определения сухого трения и параметров пружины 35 имеет небольшие упоры (на фиг. не обозначены), позволяющие установить на них пакет последовательно соединенных тарельчатых пружин с шайбами, не препятствующие выходу газообразной среды, находящейся под давлением в подпоршневой области 13 цилиндра 5. На насадке для проведения испытаний 33 имеется резьбовое соединение 39, позволяющее плотно соединить ее с системой «кран 16 - манометр 17 - компрессор 18». Для соединений насадки для определения сухого трения и параметров пружины 35 и насадки для проведения испытаний 33 и цилиндра 5 между собой используется наружная резьба 36 и внутренняя резьба 37. Для фиксации в креплениях на вертикальном штативе 2 неподвижной рамы 1 стенда на цилиндре 5 выполнены расточки 38 под кронштейн (на фиг. не указан).
Измеритель амплитуды колебаний (фиг. 3) включает в себя металлическую пластину 28, закрепленную на диэлектрической основе 41 винтами 34. На металлической пластине 28 находится свободно перемещающийся подпружиненный бегунок 32, находящийся с ней в постоянном контакте, соединенный с креплением 25. На упомянутой диэлектрической основе 41 имеются магнитные крепления 40.
Стенд для исследования компенсатора с квазинулевой жесткостью работает следующим образом.
Стенд для исследования компенсатора с квазинулевой жесткостью смонтирован на неподвижной раме 1. Для создания необходимого давления газа в подпоршневой области 13 предусмотрен компрессор 18, установленный под цилиндром 5, который работает от источника питания 19. В цилиндре 5 в подпоршневой области 13 расположен пакет последовательно соединенных тарельчатых пружин, установленных друг над другом и разделенных металлическими шайбами 15, имеющих расчетные силовые характеристики. Тарельчатые пружины 14 расположены последовательно, так как показано на фиг. 1, и подпирают поршень 6. Давление газа, создаваемое в подпоршневой области 13 компрессором 18, измеряется манометром 17. Для получения заданного давления газа в подпоршневой области 13 между компрессором 18 и цилиндром 5 установлен кран 16. Тарельчатые пружины 14 при сжатии увеличивают свой диаметр, поэтому их наружный диаметр без нагрузки меньше внутреннего диаметра цилиндра 5. Для нормальной работы пакета последовательно соединенных тарельчатых пружин между тарельчатыми пружинами 14 расположены шайбы 15. Для создания силовой характеристики имеется набор грузов 8. Вращение вала электродвигателя 9 с насаженным эксцентричным грузом 10 вызывает вибрацию системы, частота вибрации регулируется резистором переменного тока 12, изменяющим силу тока, полученного из источника питания 11, и, следовательно, число оборотов вала электродвигателя 9. Вибросигнал, полученный от датчика вибрации 20, передается по кабельной линии 22 на обработку в вычислительный блок 21, туда же передается вибросигнал, полученный с измерителя амплитуды колебаний 24, по проводной линии 29. При изменении давления газа в подпоршневой области 13 цилиндра 5 поршень 6 со штоком 7 совершают возвратно-поступательное движение, передавая его свободно перемещающемуся подпружиненному бегунку 32, присоединенному к штоку 7 за счет крепления 25. Свободно перемещающийся подпружиненный бегунок 32, двигаясь по металлической пластине 28, увеличивает или уменьшает длину проводника электрической цепи на размер амплитуды колебания за счет изменения расстояния между контактом 30, расположенном на винтах 34 металлической пластины 28, и контактом 31, расположенном на свободно перемещающемся подпружиненном бегунке 32, тем самым увеличивая или уменьшая сопротивление цепи, которое фиксируется измерителем сопротивления 26.
На основе полученных результатов по моделированию процессов, происходящих в нефтяных скважинах, осложненных механическими примесями и свободным газом, могут быть даны рекомендации по сглаживанию воздействия низкочастотных колебаний установки ЭЦН.
Преимущества предлагаемого стенда состоят в том, что он позволяет:
- моделировать поведение компенсатора в составе установки электропогружного центробежного насоса в нефтяной скважине, и тем самым получить новые знания о формировании вибрационных процессов и разработать методы компенсации этих колебаний;
- сократить время и снизить расходы благодаря возможности проводить исследования с соблюдением штатных условий во время лабораторных экспериментов, а также периодически контролировать основные параметры;
- расширить функциональные возможности стенда, т.е. исследования могут быть проведены с различными рабочими характеристиками компенсаторов.
Благодаря использованию стенда повышается точность замеряемых параметров за счет создания условий испытания компенсаторов в режимах, аналогичных действующим в установках ЭЦН в нефтяных скважинах.
Повышается надежность за счет исключения аварийных ситуаций в процессе испытаний в результате контроля работы стенда при широком диапазоне давлений.