三轴定向钻进测量振动系统的设计.pdf

基金项目：国家级安全生产监管监察技术支撑能力建设项目（发改投资 ）三轴定向钻进测量振动系统的设计薛琴（中煤科工集团西安研究院有限公司）摘要：三轴定向钻进测量振动系统是煤矿井下特殊环境的随钻定向防爆设备振动测试的验证设备，其可燃混合物浓度、振动性能参数和控制方式对安全性、稳定性和可靠性有着重要影响。该系统硬件利用光电自动对中振动发生系统、振动控制系统、可燃试验槽式水平滑台及辅助滑台联动；软件采用组态监控和过程控制技术进行模块化和分区设计。本文通过验证测量系统的有效性和准确性，实现了随钻定向防爆设备对可燃环境振动测试的安全评估，且振动参数测量重复性较高。关键词：振动性能；可燃安全裕度；重复性 ：，：；前言随着煤矿井下随采随掘技术的更新迭代，爆炸性危险环境中电气设备安全保护等级的需求及高级别抗振动的能力越来越迫切。本质安全型定向钻进测量装置做为防爆电气设备最安全的防爆型式，能将设备内部和暴露于潜在爆炸性环境的连接导线可能产生的电火花能量限制在不能产生点燃的范围内 。目前，市场上的振动试验装置只能在地面环境上进行产品的结构强度测试，对井下特殊环境因振动等原因易产生火花点燃的安全性无法进行评估与考量。为了限制爆炸性危险环境中振动摩擦产生的点燃源，并满足随钻随掘工况产生振动测试的需要，应保证实时采集振动频率与实际工况结果的准确性和一致性。三轴定向钻进测量振动系统主要用于随钻测量装置中探管类及相关配套产品早期的故障测试、模拟实际振动环境和考核结构强度的可靠性振动试验。因此，为了全面评价模拟工况环境的振动效应，应对探管类试件进行振动评定和试验验证。本文根据 石油勘探开发仪器基本环境试验方法 及现场工况需求，针对随钻测量探管类产品试验验证的需求，从优化振动系统结构和提高产品兼容性能出发，设计了一套三轴定 计量与测试技术 年第 卷第 期向钻进测量振动系统。装置及选型设计 装置设计煤炭勘探设备定向随钻测量探管类产品具有细、长、强度不够等特点，三轴定向钻进测量振动系统主要是完成探管试件振动频率测试及结构强度评估，在瓦斯环境模型中，模拟井下爆炸环境探管试件的振动强度。为确保探管试件在随钻过程中表面不会出现点燃危险，提高振动测试的安全性，因此，系统设计主要包括动圈绕组可靠性高、风冷效率高、一阶共振频率高、三轴翻转切换稳定性高四个方面。振动系统定型初期，为了更好的兼容其它产品的测试需求，在垂直轴向设计了电动扩展平台，且轴向和径向通过水平滑台切换方向实现，中间通过工装夹具进行力传递至辅助滑台。三轴定向钻进测量振动系统结构设计图如图 所示。?图 三轴定向钻进测量振动系统结构设计图 试验参数及选型设计为保证该系统处于瓦斯可燃环境中，在垂直滑台防护槽内注入爆炸性气体混合物气体后，对探管试件进行振动试验。其原理类似于扬声器，通电导体在磁场中受电磁力的作用而运动，当振动台磁路中动圈通过交变电流信号时，产生激振力磁路中即可产生振动运动。振动产生所需的激振力是产生激振源的关键参数，本文通过评估探管试件重量、动圈重量及刚性夹具重量，确定试件的最大加速度值为 ，由于安全系数为 倍，因此选型设计所需激振力为 。系统硬件的实现振动系统主要由振动发生装置、开关功率放大器、光电自动对中系统、振动控制系统、可燃试验槽式水平滑台及辅助滑台等组成，可满足仪器的振动可靠性试验要求。振动发生装置振动发生装置由振动发生器及动圈控制装置组成。振动台配备铸造和手动加工的动圈，光电气动负载支持系统和双轴承轴向导向。双轴承导向具有独特功能，在振动试验中，有助于减少轴向的动态交叉和转动，具有优越的耐用性。采用无骨架动圈，活动系统重量轻，空载加速度大，动圈一阶自振频率高，动圈散热好，在安全可靠的运行模式下，能大幅度提高振动系统的工作频率范围。通过软件仿真合理分配动圈骨架各部分的质量与刚度，创新了台面部传力角板的设计，显著提高了动圈骨架台面部刚度 。台体采用全密封结构，环境适应能力强，避免受潮腐蚀；降低高低电位差，有效解决了电化学腐蚀问题。励磁线圈与动圈相互配合，采用双磁路结构、漏磁低，磁场均匀。为了减少发热，延长励磁线圈的使用寿命和节约能源，当振动系统在激振力低于 时，励磁电压可由第一档 切换至第二挡 ，从而大幅度减少励磁线圈的发热，提高励磁线圈的使用寿命。振动发生系统的运动部件的上导向采用复合滚轮导向；下部导向装置采用自主研制成功的高耐磨、自对心直线滑动轴承结构。导向内筒用高耐磨自润滑的复合材料精加工而成，隔振外筒组件用以提供轴线对中的调整量，复合式导向机构结构简单可靠，静压轴承无漏油，水平滑台上承载的试验槽用可燃气体环境安全可靠 。开关功率放大器采用 彩色触摸屏显示控制方式作为人机交互界面，监测、控制、记录等操作均在 上完成，可实现报警记录回放、运行历程记录、无人值守运行状态监测、力限控制等功能。为了稳定输出振动力值，开关功率放大器必须满足安全性、可靠性、稳定性。为了确保试验安全，功率放大器应有：（）电网过压、欠压、缺相、漏电保护；（）逻辑故障、功率模块短路与超温、输出过流过压、外部连锁等保护；（）台体过位移、台体超温、值超差等联动保护功能。为了提高试验的可靠性及数据输出的稳定性，功率放大器使用系统自薛琴：三轴定向钻进测量振动系统的设计检源对 模块、空气断路器、交流接触器、热继电器及各类模拟传感器进行信号采集与优化，并采用 模式并机。试验证明：采用全数字多节点监控调制方式，谐波失真小、均流效果较好，且系统稳定可靠。开关功率放大器工作原理图如图 所示。?图 开关功率放大器工作原理图 自动对中控制系统 自动对中系统是与外载荷空气弹簧配用，对其内部气压进行自动调节和功率放大器产生的直流偏置电流进行自动调节的复合控制系统，可自动保持动圈平衡位置常处于中心平衡位置。自动对中系统是以电涡流传感器为中心位置，将敏感元件的磁悬浮与气悬浮相结合，可有效解决系统运行时动圈中心位置的漂移，确保动圈在中心平衡位置附近大位移振动。在 中，气对中和磁对中功能同时作用，相互优化并适时匹配，共同实现对振动台动圈平衡位置的自动对中控制。自动对中系统工作原理图如图 所示。?图 自动对中系统工作原理图 振动控制系统采用先进的分布式结构体系，由 处理器实现闭环控制，微机独立于控制环外，保证控制系统的实时与高效，及时、快速地响应试验系统的任何变化，确保控制的稳定性和高精度。硬件采用主频高达 的 位浮点 处理器、路输入通道均有 位分辨率的 ，配合高精度浮点数字滤波和硬件电路的低噪声硬件，叠加内置模拟和数字抗混叠滤波器，有效地保证测试分析的高精度。控制器控制动态范围大于 ，信噪比大于 。振动控制系统硬件系统是强大的数字处理系统，具有较好的稳定性。所有的信号输入调理模块和 转换 模块均集成于一个紧凑的机箱内，具有高度集成化要求。该系统可进行自检测试，在 耦合方式输入通道模块，可自采集并显示传感器连接情况，并对试验过程中开环检测、过载检查、中断容差带检查、有效值检查等进行预判处理，增加了自动安全检测和极限值限制保护功能，试验安全性高。可燃试验槽式水平滑台为更好的模拟煤矿井下可燃性爆炸气体环境，结合定向钻进测量探管试件长度及抗振动特性要求，设计一款可燃试验槽式切换倒滑台与辅助滑台联动的轴向、径向振动测试的联体式结构。该水平滑台为 型低压静压导轨制式，水平与垂直动圈采用斜孔连接，具有传递刚度强、简单便捷、效率高、工作强度低等特点；其可燃试验槽内根据检测标准要求，输入试验所需的甲烷与空气的可燃混合气体提供标准的输入气源 。在振动测试过程中，模拟实际工况环境对定向钻进测量探管试件的抗振动性能及可燃环境的安全性，进行可靠性验证 。系统软件的实现为了使测试系统达到快捷、高效的测试效果，除合理设计和硬件电路的实现外，还需用配套的测试软件实现相应的功能参数，并进行有效的实时监测和数据管理，使测试更加方便、安全、可靠。振动控制系统软件模型采用模块化和分布式，基于 软件平台进行搭建，根据探管试件测试要求，系统模型架构主要包括系统自检模块、仪表控制模块及数据巡检入库管理模块，通过预先定义操作环境、项目和文件管理、数据接口、数据显示和解释、报告和数据编辑等，实现试验数据和分析数据结果与 办公软件直接动态连接。系统软件模型架构流程图如图 所示。该软件通过对频率分辨率、扫频范围、幅值估计、加权多点控制、参考普等设置，可实现 实时多点控制，模拟扫描平滑性，并支持已测试数据和 计量与测试技术 年第 卷第 期在线数据的重叠显示、在线采集过程中原始信号回放监听以及基于采集的原始时域信号的离线回放主观评价。?图 软件模型架构流程图 试验验证根据探管试件振动测试需求，该振动系统提供正弦扫频信号，采用控制正弦波形幅值进行试验验证。试验模拟其特定的可燃性爆炸气体，保证探管试件与 体积比的甲烷空气均匀混合物进行充分接触 。为了验证定向钻进测量探管试件振动测试稳定性与模拟爆炸环境的安全性，对探管试件（）的扫频范围、波形失真度及加速度幅值均匀度进行测试，并通过气相色谱仪标校方法，对可燃混合物的浓度进行验证。为了更好的复现振动测试系统参数值的稳定性，测试时主要考核同一被试件、同一混合气体浓度、相同的测量程序、短时间内重复测量多次时的一致程度。试验证明：三轴定向钻进测量振动系统具有稳定性。可燃混合物浓度测试数据如表 所示。表 可燃混合物浓度测试数据表试验次数标准甲烷浓度 甲烷浓度示值 甲烷浓度示值误差 选择 、两共振频率点，用试验量级 的试验速度进行振动测试，其波形失真度及加速度幅值均匀度的重复性如表 所示。表 振动参数重复性测试数据表测试次数频率点 加速度幅值 波形失真度 加速度幅值均匀度 由表 可知，在施加不同的安全裕度下标校装置灵敏度测试的示值误差最大为 ，小于 的标准偏差，符合测试需求。由表 可知，在进行多次试验验证后，规定的可燃性气体混合物范围内，振动参数的重复性测试较好，因此三轴定向钻进测量振动系统试验验证合理、可行。结束语本文介绍了三轴定向钻进测量振动系统的硬件组成、软件开发及试验验证全过程。采用自生成骨架动圈、气悬支承、直线轴承和滚轮导向双切换等，配置自动进气的可燃试验槽式水平滑台，实现定向钻进测量探管试件模拟井下工况环境的三轴向振动试验。实验证明：该系统满足测试标准规定的参数指标的要求，且准确性、可靠性和稳定性良好，主要技术指标的重复性较好。参考文献 爆炸性气体环境 吴希望，王成军，张丽，等 多维电磁振动试验台的关键部位仿真分析 工程机械，（）：贾乐乐，胡鹏，陈一帆 滚动轴承振动试验台及振动传感器定位件设计 黄河科技学院学报，（）：薛琴 基于安全裕度的热点燃试验标校装置的设计 计量与测试技术，（）：薛琴 小元件热点燃实验灵敏度分析方法的研究 煤田地质与勘探，（）：薛琴 火花试验装置灵敏度参数测得值的不确定度评定 计量与测试技术，（）：叶振环，吴戍恩 转子振动试验台轴承加载装置设计 科技创新与应用，（）：，薛琴：三轴定向钻进测量振动系统的设计