一種力臂反推力特性測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及石油行業(yè)工具和儀器、機電系統(tǒng)自動化、非電量電性測量等技術(shù)領(lǐng)域， 尤其涉及一種石油行業(yè)推靠類器材的力臂反推力特性測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 石油被譽為"現(xiàn)代工業(yè)的血液"，驅(qū)動著整個社會的運行。中國作為油氣資源不太 豐富的國家，更好的提高石油開采效率和開采率以及勘探更多的油田是非常有必要的。在 石油勘探與開采中，人們在了解目標(biāo)區(qū)塊的油氣分布、地質(zhì)情況、及對其實際開采的過程 中，需要使用多種石油行業(yè)的特種作業(yè)方式(如鉆井、錄井、測井、固井等）。在以上各種作業(yè) 中都要使用特殊的專用工具及儀器儀表，其中推靠類產(chǎn)品是一類很重要的設(shè)備構(gòu)成。
[0003] 可推靠、收放的機械力臂結(jié)構(gòu)是多數(shù)推靠類產(chǎn)品的重要功能執(zhí)行機構(gòu)，對力臂的 力學(xué)特性檢測，是推靠類產(chǎn)品在設(shè)計上是否滿足設(shè)計技術(shù)要求的重要理論依據(jù)，是推靠類 產(chǎn)品在出廠前質(zhì)量合格的重要檢驗指標(biāo)，是產(chǎn)品在使用中是否維修、保養(yǎng)、延壽的重要狀態(tài) 判別手段。
[0004] 在我國推靠類產(chǎn)品生產(chǎn)廠商中，對力臂的反推力特性還不能實現(xiàn)系統(tǒng)有效的測 量，多數(shù)從業(yè)者甚至對于反推力特性的認(rèn)識還了解的還不夠充分，加之國外同行業(yè)企業(yè)的 技術(shù)封鎖，使得推靠類產(chǎn)品的力臂反推力特性測量的研究在國內(nèi)還處于剛剛起步，測量系 統(tǒng)的產(chǎn)品化更是一個空白。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種力臂反推力特性測量系統(tǒng)，可對推靠類產(chǎn)品的力臂反推力特性實 現(xiàn)自動化測量，并可產(chǎn)品化推廣。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種力臂反推力特性測量系統(tǒng)，包含:控制器，以 及分別與待測儀器的兩個力臂的端部機械連接的兩個同樣的測量組件，控制器通過數(shù)據(jù)輸 出模塊將控制信號發(fā)送給兩個測量組件，使兩個測量組件同步完成對待測儀器兩個力臂的 特性測量，數(shù)據(jù)采集模塊將兩個測量組件檢測到的反推力數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器， 以供控制器對數(shù)據(jù)進行處理。
[0007] 所述的測量組件包含：
[0008] 步進電機驅(qū)動器，其電性連接數(shù)據(jù)輸出模塊，根據(jù)數(shù)據(jù)輸出模塊輸出的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù) 驅(qū)動步進電機；
[0009] 步進電機，其電性連接步進電機驅(qū)動器，在步進電機驅(qū)動器的驅(qū)動下運動；
[0010] 加載機構(gòu)，其一端與步進電機機械連接，另一端與待測儀器中的力臂機械連接，且 該加載機構(gòu)電性連接數(shù)據(jù)輸出模塊，該加載機構(gòu)在步進電機的驅(qū)動下對力臂加載推力，并 將探測得到的反推力數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)輸出模塊；
[0011] 第一編碼器，其電性連接步進電機和數(shù)據(jù)輸出模塊，測量步進電機的旋轉(zhuǎn)角度來 獲取加載機構(gòu)的位移數(shù)據(jù)，并將位移數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)輸出模塊。
[0012] 所述的加載機構(gòu)包含：
[0013] 測頭，其裝夾在力臂的端部；
[0014] 力傳感器，其固定連接測頭，用于測量第一力臂反推力的大??；
[0015] 電動推桿，其機械連接步進電機，在步進電機的驅(qū)動下產(chǎn)生直線運動；
[0016] 直線導(dǎo)軌，其通過直線導(dǎo)軌座與電動推桿連接；
[0017] 直線導(dǎo)軌滑塊，其套設(shè)在直線導(dǎo)軌上，并且通過力傳感器連接塊與力傳感器連接， 當(dāng)步進電機驅(qū)動電動推桿向前移動時，直線導(dǎo)軌滑塊沿直線導(dǎo)軌滑動，測頭和力傳感器也 隨著直線導(dǎo)軌沿軸線滑動。
[0018] 所述的力傳感器采用應(yīng)變片式力傳感器。
[0019] 所述的數(shù)據(jù)采集模塊包含：電性連接的放大調(diào)理電路、脈沖計數(shù)電路和模擬采樣 電路，所述的放大調(diào)理電路將編碼器和力傳感器發(fā)送的微弱信號進行調(diào)理和放大，所述的 脈沖計數(shù)電路采集編碼器輸出的位移數(shù)據(jù)，所述的模擬采樣電路采集力傳感器輸出的反推 力數(shù)據(jù)。
[0020] 所述的力臂反推力特性測量系統(tǒng)還包含：兩個支撐步進電機與加載機構(gòu)支撐臺 架，以及將兩個支撐臺架固定連接在一起的連接機構(gòu)。
[0021] 所述的支撐臺架的高度滿足:可以使加載機構(gòu)的高度與待測儀器的力臂端部的高 度匹配。
[0022] 所述的支撐臺架的底部具有可固定裝置。
[0023] 所述的連接機構(gòu)包含:若干分別固定設(shè)置在兩個支撐臺架上的螺旋壓緊機構(gòu)和連 接螺旋壓緊機構(gòu)的連接件。
[0024]所述的螺旋壓緊機構(gòu)包含：
[0025]壓頭，其固定設(shè)置在支撐臺架上，該壓頭具有通孔，連接件可以穿過該通孔；
[0026]壓緊螺桿，其設(shè)置在壓頭上；
[0027]壓緊頭，其連接壓緊螺桿，在壓緊螺桿的驅(qū)使下壓緊連接件。
[0028]所述的控制器具有以下功能：
[0029] 1、反推力測量:利用調(diào)用庫函數(shù)來調(diào)用數(shù)據(jù)采集模塊中的模擬采樣電路獲取力傳 感器輸出的反推力數(shù)據(jù)；
[0030] 2、位移測量:利用調(diào)用庫函數(shù)來調(diào)用數(shù)據(jù)采集模塊中的脈沖計數(shù)電路獲取編碼器 輸出的位移數(shù)據(jù)；
[0031] 3、控制步進電機:通過數(shù)據(jù)輸出模塊輸出轉(zhuǎn)速控制信號和正反轉(zhuǎn)信號給步進電機 驅(qū)動器，實現(xiàn)對兩個步進電機的同步控制，從而實現(xiàn)對待測儀器兩個力臂的同步加載反推 力；
[0032] 4、對電動推桿限位:當(dāng)電動推桿達(dá)到極限位置時，發(fā)出報警信號；
[0033] 5、數(shù)據(jù)處理和顯示:根據(jù)采集到的反推力數(shù)值和位移數(shù)值，通過最小二乘法擬合 出反推力與位移的曲線；
[0034] 6、數(shù)據(jù)存儲和輸出。
[0035]本發(fā)明可對推靠類產(chǎn)品的力臂反推力特性實現(xiàn)自動化測量，并可產(chǎn)品化推廣。
【附圖說明】
[0036]圖1是某井徑測量儀的力臂結(jié)構(gòu)。
[0037]圖2是圖1中A部的局部放大示意圖。
[0038]圖3是圖2的力臂原理圖。
[0039]圖4是MATLAB繪制的反推力與位移的關(guān)系圖。
[0040]圖5是ADAMS分析得到的反推力與位移的關(guān)系圖。
[0041 ]圖6是非線性度的測量示意圖。
[0042]圖7是端基直線法的示意圖。
[0043]圖8是本發(fā)明提供的一種力臂反推力特性測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0044]圖9是加載機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0045]圖10是步進電機輸出的矩頻特性曲線。
[0046] 圖11是連接機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0047] 以下根據(jù)圖1~圖11，具體說明本發(fā)明的較佳實施例。
[0048]力臂反推力特性測量的原理如下：
[0049]如圖1所示，是某井徑測量儀的力臂結(jié)構(gòu)，該井徑測量儀的四條力臂運動相互獨 立。
[0050] 如圖2所示，中間力臂的結(jié)構(gòu)包含:T型絲杠2的一端連接直流電機1，另一端連接T 型螺母3，T型螺母3連接滑動桿4的一端，滑動桿4的另一端固定銷軸7,彈簧支撐臂5的一端 連接銷軸7，另一端連接力臂6。
[0051] 當(dāng)井徑測量儀處于非工作狀態(tài)時，通過尾部的直流電機1帶動Τ型絲杠2轉(zhuǎn)動，從而 使得Τ型螺母3產(chǎn)生前后的移動，由于力臂6的彈簧支撐臂5連接在中間的滑動桿4上，彈簧支 撐臂5帶動力臂6收回到待測試儀器的殼體中；當(dāng)井徑測量儀處于工作狀態(tài)時，通過直流電 機1帶動中間的滑動桿4向前移動，這樣一方面放松對力臂6的壓縮，另一方面推動彈簧支撐 臂5也向前移動，力臂6在彈簧支撐臂5的支撐下張開，由于直流電機1的轉(zhuǎn)動是通過Τ型螺紋 2來傳遞的，所以測量時彈簧支撐臂5的下端連接部分可以看成是繞固定的銷軸7旋轉(zhuǎn)，不產(chǎn) 生Χ、Υ方向的位移。
[0052]如圖3所示，是簡化的力臂原理圖，圖中L2是可壓縮的彈簧支撐桿，L3和L 4是力臂， L!為兩固定點之間的長度，L^x軸的夾角為γ度，L3與X軸的夾角為α度，C點向X軸運動至某 一點處時，L3與X軸的夾角為a Q，L3與L2的夾角為β度，Li與X軸的夾角為ε，設(shè)L2彈簧的剛度為 k，彈簧支撐桿原始長度為L2Q，彈簧預(yù)緊力為Fo,彈簧的壓力為Fa，C點與X軸的距離為S，則反 推力F Cy與力臂位移SCy之間的關(guān)系如下公式(忽略銷軸的摩擦力以及阻尼對反推力FCy的影 響）。
[0053] FCv =,, ,.- (L. + L4)cos.a (.1) .g.
[0054] Siiliz- 為.+A}. (2)
[0055] = Xf + - 2 x Lt x,Z3. x cos(a： + s) ( 3 )
[0056] β = arca)s(L'；廠-L]) 2'3^2 (4)
[0057 ] FA=k(L2〇_L2)+Fo (5)
[0058] Scy= (L3+L4) X (sina〇-sina) (6)
[0059] S+Scy= (L3+L4)sina〇 (7)
[0060] 根據(jù)儀器的尺寸數(shù)據(jù)，取Li = 72.6mm，L2 = 232.8mm，L3 = 285mm，L4= 178mm，a〇 = 22 · 73°，ε = 16.4°，F(xiàn)〇 = 450N，k = 40N/mm。利用MATLAB繪制反推力Fcy和力臂位移Scy的關(guān)系曲 線圖，如圖4所示，從圖中可看出，在位移從零到最大的過程中，反推力F Cy的變化趨勢是由小 變大然后在變小的過程，反推力FCy的變化與位移SCy的變化是非線性的。
[0061] 考慮到力臂和彈簧支撐臂在轉(zhuǎn)動時，連接銷軸之間會有摩擦力的存在，以及在力 臂轉(zhuǎn)動時由于軸孔之間有潤滑脂，使得力臂在轉(zhuǎn)動時又受到阻尼的影響，這些因素都會影 響測量時力的大小。采用機械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件ADAMS分析反推力F Cy和位移^之間的變