摆动阀脉冲器转动惯量和粘滞摩擦系数测量方法.pdf

现 代 制 造 技 术 与 装 备282023 年第 9 期总第 322 期摆动阀脉冲器转动惯量和粘滞摩擦系数测量方法曲汉武王智明张峥邵天宇郭心宇（中海油田服务股份有限公司，北京 101149）摘要：转动惯量和粘滞摩擦系数可以用于分析和求解电动机的机械运动方程，对于摆动阀转子运动轨迹控制的优化及摆动阀脉冲器本身机械结构参数的优化具有十分重要的意义。基于电机运动平衡方程，提出了一种通过电动机在有限角度空间内做周期性摆动来测量转子转动惯量和粘滞摩擦系数的方法，克服了传统的电动机需要在连续旋转状态下才能测量转动惯量的局限。关键词：摆动阀脉冲器；转动惯量；粘滞摩擦系数Measuring Method for Moment of Inertia and Viscous Friction Coefficient of Swing Valve PulserQU Hanwu,WANG Zhiming,ZHANG Zheng,SHAO Tianyu,GUO Xinyu(China Oilfield Services Co.,Ltd.,Beijing 101149)Abstract:The moment of inertia and viscous friction coefficient can be used to analyze and solve the mechanical motion equation of the motor,which is very important for the optimization of the motion trajectory control and the mechanical structure parameters of the swing valve pulser.Based on the motor dynamic balance equation,a method of measuring rotor inertia and viscous friction coefficient by periodic swing of the motor in a limited angle space is proposed,which overcomes the limitation of measuring the inertia of the traditional motor in continuous rotation state.Keywords:swing valve pulser;moment of inertia;viscous friction coefficient随钻测井是指测井仪器在钻进时对井下的工程参数和地质参数进行测量并上传。在钻进过程中，井下测量传感器测得工程参数和地层参数。这些测得的参数（通常为模拟信号）通过数据编码器转换为数字信号，经过控制电路调制后传递给驱动电路，驱动控制电动机运动。电动机按照控制电路给定的控制信号运动，带动摆动阀泥浆脉冲发生器转子按照相应的轨迹旋转或摆动。摆动阀脉冲发生器的定转子剪切流经的流体，产生泥浆压力波信号。这些泥浆压力波信号，经过钻杆内泥浆传输到地面立管。数据采集系统采集地面立管上压力传感器的压力信号，通过解调系统解析井下的压力信号，并将传输的泥浆脉冲信号转换为井下工程参数和地层参数1-5。对于摆动阀脉冲器而言，轴系转动惯量和粘滞摩擦系数可以用于分析和求解电动机的机械运动方程。这对于优化摆动阀转子运动控制轨迹和摆动阀脉冲器本身机械结构参数具有十分重要的意义6-10。目前，国内外对电动机转子轴系转动惯量的测量普遍采用基于电机转子连续旋转的方式11-12，而摆动阀脉冲器由于连接电动机转子和摆动阀阀片的扭杆尾端被固定锁死（如图 1 所示），且扭杆本身存在机械限位（如图 2 所示），导致电动机只能在有限的角度内摆动，无法进行连续旋转，无法用常规的方法测量轴系的转动惯量和粘滞摩擦系数。123456尾端锁死M1.轴承；2.电机转子；3.扭杆；4.联轴器；5.摆动阀定 子；6.摆动阀转子。图 1摆动阀脉冲器结构图 2摆动阀脉冲器扭杆机械限位结构文章提出了一种通过电动机在有限角度空间内做周期性摆动来测量转子转动惯量和粘滞摩擦系数的方法，突破了传统的电动机需要在连续旋转状态下才能测量转动惯量的局限。1摆动阀脉冲器的机械平衡方程摆动阀脉冲器在空气中摆动（此时水力转矩为 0）的机械运动方程为设 计 与 研 究29 22dddd ddesbsbTJkktJkkt=+=+（1）它可以描述为输出的电磁转矩等于惯性力、扭轴的弹性力、粘滞摩擦力之和。其中：摆动阀位于中心位置为t=0 的初始时刻，J为转子的转动惯量，为摆动阀脉冲器的机械角速度，ks为扭轴的弹性系数，为摆动阀片所在位置的机械角度，kb为粘滞摩擦系数，Te为永磁同步电机输出的电磁转矩。摆动阀脉冲器选择的电动机一般为表贴式永磁同步电机，控制方法采用最大转矩电流比控制，即控制过程中保持直轴电流Id为 0，因此Te可以表示为Te=kmIq（2）式中：km为电动机的电磁转矩系数，与电动机自身的结构参数有关；Iq为交轴电流，可以由三相电流Ia、Ib、Ic经过 Clark 变换（式 3）和 Park 变换（式 4）计算后得到。111222333022abcIIIII=（3）cossinsincosdeeqeeIIII=（4）式中：I和I为两相静止坐标系下的电流；Id和Iq分别为旋转坐标系下的直轴电流和交轴电流；e为电机 A 相绕组方向转动至转子 N 极方向所经过的电 角度。2轴系转动惯量和粘滞摩擦系数的测量原理由摆动阀脉冲器在空气中摆动的机械平衡方程 式（1）可知，摆动阀转子轴系的转动惯量J和粘滞摩擦系数kb可以通过测量多组位置角度、角速度和交轴电流Iq求解方程计算得到。然而，摆动阀脉冲器本身由于存在机械限位，且扭轴尾端被锁死，电机本身不能通过一般调速的控制方法连续旋转，只能在有限的角度空间内做反复式摆动，导致实际测量过程中无法获得稳态的转速和交轴电流Iq。通过测量得到瞬态角度、角速度以及交轴电流Iq均存在较大的误差，且数据采集过程中可能存在数据不同步问题，因此测量得到的转动惯量J和粘滞摩擦系数kb均存在较大误差，无法指导工程应用。文章利用摆动阀脉冲器在空气中摆动的机械平衡方程，通过控制脉冲器在有限空间内做正弦摆动，采集多组瞬态角度、角速度以及交轴电流Iq数据，通过对其在整数周期内进行加权计算的方法来消除采集误差，并且利用不同频率下多组数据线性拟合的方法来消除控制误差，最终达到精确测量转动惯量J和粘滞摩擦系数kb的目的。如图 3 所示，对驱动摆动阀脉冲器摆动的永磁同步电机采用位置闭环的控制方式进行控制时，通过调节控制器的参数，可以确保摆动阀片的实际位置角度较为准确地跟踪输入的位置角度。电流控制器电流控制器矢量逆变换位置控制器PWM逆变器永磁同步电机位置传感器矢量变换速度控制器电压源+-*iq*id*=0idiqidiquq*ud*d/dt图 3摆动阀脉冲器的位置闭环控制方式现 代 制 造 技 术 与 装 备302023 年第 9 期总第 322 期当控制误差为 0 时，输入角度随时间变化的公式为=*=msin2ft（5）式中：m为摆动幅度；f为摆动频率，设摆动阀位于中心位置为t=0 的初始时刻。设摆动周期T=1/f，将式（1）两边同时乘以，在时间T内求积分，即可约掉角速度，得2222000d4ddTTTmqmsk ItfJtkt=+（6）式中：km、ks、m、f等均为已知量；为测量值；Iq可以通过测量三相电流后计算，可由式（3）、式（4）得到。同理，将式（1）两边同时乘以后，在时间T内求积分，可以约掉等号右边的第 1 项和第 2 项，得200ddTTmqbk Itkt=（7）式中：km为已知量；w、Iq可以通过测量和计算得到。实际应用中，测量的Iq、为离散量。设定采样周期Ts=T/N，则式（6）经离散化变形后可以得到转动惯量的计算公式为2112221()()()4()NNsmqiiNmikik IiiJfi=（8）式（7）经过离散化变形后，可以得到粘滞摩擦系数的计算公式为121()()()NmqibNik Iiiki=（9）式（8）和式（9）是在控制误差为 0 的假设条件下得到的。然而，实际上受控制精度的限制，控制误差不可能完全为 0，如图 4 所示。1.4061.4081.4101.4121.4141.4161.418采样点10405101520转子位置/（）指令位置实际位置图 4摆动阀脉冲器的位置轨迹跟踪为进一步减小误差，可以采集不同频率下的多组数据，然后利用式（8）和式（9），通过线性拟合的方式得到转动惯量和粘滞摩擦系数。因此，引入x、y、z、w这 4 个量，令22214()Nmixfi=（10）211()()()NNsmqiiykik Iii=（11）21()Nizi=（12）1()()Nmqiwk Iii=（13）依然控制摆动阀输入的位置波形*=msin2ft，选择M种摆动频率f f1,f2,fm，在每种频率下摆动相同的时间（保证为M种频率下所有摆动周期的整数倍），将采样值分别代入式（8）式（13），计算可得 1122MMyxyxJyx=?（14）1122bMMwzwzkwz=?（15）设 计 与 研 究31式中：xj(j=1,2,M)、yj(j=1,2,M)、zj(j=1,2,M)、wj(j=1,2,M)为对应M种摆动频率下计算的x、y、z、w的值。对式（14）进行最小二乘拟合，可以得到摆动阀转子的轴系转动惯量值J。对式（15）进行最小二乘拟合，可以得到摆动阀摆动过程中的粘滞摩擦系数kb。3测量流程步骤 1：对摆动阀脉冲器的永磁同步电机采用位置闭环和最大转矩比电流的控制方式进行控制。步骤 2：设置输入位置为*=msin2ft的运动轨迹进行运动，以Ts为采样周期记录时间Ta（Ta为摆动周期 11f的整数倍，且Ta=NTs）内位置传感器采样的摆动位置角度i(i=1,2,N)和三相电流Iai、Ibi、Ici(i=1,2,N)，进而计算出对应的i和Iqi(i=1,2,N)。步骤 3：利用式（10）、式（11）、式（12）、式（13），计算得到x1、y1、z1、w1。步骤 4：变化摆动频率fi f1,f2,fm，重复步骤 2 和步骤 3，得到每种频率下的xj、yj、zj、wj(j=1,2,M)。步骤 5：根据式（14）和式（15），利用最小二乘拟合的方法，计算得到摆动阀转子的轴系转动惯量值J和摆动阀摆动过程中的粘滞摩擦系数kb。4实例验证选用中海油服自主研发的 A 型摆动阀脉冲器进行实验测试，如图 5 所示。摆动阀脉冲器的相关参数，如表 1 所示。利用最大转矩比电流的控制方式控制摆动阀转子，按照式（5）的正弦运动轨迹进行摆动，分别选择摆动频率范围为fi 6,7,8,25 的 20 种频率进行采样，采样时记录每种频率fi下每个采样点j处的位置(i,j)、角速度(i,j)和q轴电流Iq(i,j)，利用式（10）式（13）分别计算相应的xi、yi、zi、wi(i=1,2,20)，分别对(xi,yi)和(zi,wi)做最小二乘拟合，拟合结果如图 6 和图 7 所示。图 5摆动阀脉冲器测试试验表 1实验使用低的脉冲器参数表名称符号数值单位转矩系数km1.137NmA-1扭轴刚度系数ks0.43Nm（）-1 7 000 6 000 5 000 4 000测量点 最小二乘拟合曲线y=0.002 206x+0.056 269R2=0.998 77 3 000 2 000 1 000 00.00.51.01.52.02.53.0 106xy图 6转动惯量的拟合曲线 10 9 8 7测量点 最小二乘拟合曲线w=0.002 510 1z+0.180 06R2=0.996 15 6 5 4 3 2 10.51.01.52.02.53.03.54.0 107104zw图 7粘滞摩擦系数的拟合曲线从图 6 和图 7 可以看出，不同频率下计算的x、y数据线性相关度较高，符合式（14）中两者的正比关系。如表 2 所示，拟合得到的轴系转动惯量值为J为 0.002 206 kg m2，同 SolidWorks 软件建模计算得到转动惯量值十分接近，验证了方法计算的准确性。表 2测量值与仿真值对比 单位：kg m2测量计算方法摆动阀脉冲器轴系转动惯量本文设计的方法0.002 206SolidWorks 软件建模仿真方法0.002 137此外，从图 7 的拟合结果可知，计算的粘滞摩擦系数kb为 0.002 510 1，不同频率下计算的z、w两组数据线性相关度同样非常高，符合式（15）两者的正比关系。（下转第 35 页）设 计 与 研 究353.6控制系统安全设计系统设有紧急停机按钮，安装在电控箱操作面板上，方便工作人员操作。这样可以在发生紧急危险情况时快速切断控制系统电源，使设备停止运转。PLC放置在防爆电控箱，采用正压防爆设计。电控箱与电气元件中间设有绝缘板，可有效防止漏电。此外，检测元件设有接近开关和光电开关两种，供电电压均为24 V，外接接头均套有密封条，电缆则均用软管包裹。4结语设计的大药卷炸药智能包装系统已在多家公司应用，运行情况表明，包装系统具有创新性和先进性，实现了整个包装过程的连续化、自动化与智能化，全线运行顺畅，过程安全、平稳、可靠，产能达到了预期目标。利用无人化装袋工艺与关键技术，简化了生产工艺，大幅降低了生产成本，且整线无固定操作人员，减少了人员操作，降低了人员劳动强度，实现了无损装袋，绿色环保，符合民爆行业对企业生产线的智能化和无人化要求，是我国工业炸药包装工艺的发展方向。参考文献1 工业和信息化部.工业和信息化部关于推进民爆行业高质量发展的意见 EB/OL.（2022-10-31）2023-08-04.https:/ 工业和信息化部.“十四五”民用爆炸物品行业安全 发 展 规 划 EB/OL.（2021-11-15）2023-08-04.https:/ 于魏清.一种小药卷工业炸药全自动包装系统的研制 J.煤矿爆破，2018（2）：5-7.4 中华人民共和国住房和城乡建设部.民用爆炸物品工程设计安全标准：GB 500892018S.北京：中国计划出版社，2018.5 潘先峰，黄嵩，张春燕.一种工业炸药智能包装系统的设计 J.现代制造技术与装备，2022（7）：13-16.6 杨民刚.小药卷炸药全自动包装生产技术研究 J.煤炭科学技术，2008（7）：6-9.5结语通过电动机在有限角度空间内做周期性摆动来测量转子转动惯量和粘滞摩擦系数的方法，突破了传统电动机需要在连续旋转状态下才能测量转动惯量的局限。通过摆动阀脉冲器实际测量案例验证可知，测量方法测量计算得到的摆动阀脉冲器轴系转子转动惯量和粘滞摩擦系数具有较高的精度，可以广泛应用于摆动阀转子运动控制轨迹的优化及摆动阀脉冲器本身机械结构参数的优化。参考文献1GRAVLEY W.Review of downhole measurement-while-drilling systemsJ.Journal of Petroleum Technology，1983（8）：1439-1445.2KLOTZ C，BOND P，WASSERMANN I，et al.A new mud pulse telemetry system for enhanced MWD/LWD applicationsR.SPE 112683，2008.3 苏义脑，窦修荣.随钻测量、随钻测井与录井工具 J.石油钻采工艺，2005（1）：74-78.4HAHN D，PETERS V，ROUATBI C，et al.Oscillating shear valve for mud pulse telemetry and associated methods of use：6975244B2P.2003-09-30.5 侯芳.国外随钻测量/随钻测井技术在海洋的应用 J.石油机械，2016（4）：38-41.6 王智明，菅志军，李相方，等.连续波高速率泥浆脉冲器设计研究 J.石油天然气学报，2008（2）：611-613.7 王智明，菅志军，李相方，等.连续波钻井液脉冲发生器结构设计探讨 J.石油机械，2007（12）：56-58.8 王智明，肖俊远，菅志军.旋转阀泥浆脉冲器转子水力特性研究 J.石油矿场机械，2012（3）：1-3.9 程烨，王智明，陆庆超，等.往复式泥浆脉冲发生器转子水力转矩 J.石油学报，2014（2）：385-389.10郭云，曲汉武，王智明，等.一种泥浆脉冲发生器的控制方法、装置及可读存储介质：202010467169.3P.2022-05-03.11 袁永杰，郑文鹏，李立娜，等.微电机永磁转子转动惯量测试研究 J.微特电机，2022（6）：23-26.12 骆翠芳，张志伟，梁飞.电机转动惯量测量试验方法研究 J.内燃机与配件，2021（21）：52-53.（上接第 31 页）