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随钻测量进液控制式信号发生器工作机理研究 王佐祥( 机械设计及理论) 指导教炜：房军高工 摘要 根据“二通阀进液控制式信号发生器”的液压系统数学模型，针对正 弦、方波、锯齿波等多种输入信号的要求，建立了“单主闺液压信号发生 器”降压阶段的简化数学模型，完成了仿真计算，比较分析了液压信号发 生器在多种连续信号影响下的速度特性和压力特性。 在“单主阎液压信号发生器”的研究基础上，建立了“双主阔液压信 号发生器”的液压系统模型，仿真计算表明，在输入基本参数与“单主阀 液压信号发生器”相同的条件下，其脉冲速率比“单主阀液压信号发生器” 的速率有明显的提高。完成了正弦、方波、锯齿波等多种信号的仿真计算， 比较分析了“双主阀液压信号发生器”在多种连续信号影响下的速度特性 和压力特性。 在上述计算分析的基础上，改进设计了外形5 英寸“单主阀液压信号 发生器”和“双主阀液压信号发生器”的实验样机结构。组建了具备压力、 位移、加速度等基本参数测试的“单主阀液压信号发生器”实验系统。 关键词：液压信号发生器，随钻测量，仿真，液压系统数学模型 t h er e s e a r c ho nt h ew o r k i n gm e c h a n i s mo fs i g n a lp r o d u c e r c o n t r o f i e dw i t hi n c o m i n gl i q u i di nm w d 0 蝌gz u o - x i a n g ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db ys e n i o re n g i n e e rf a n gj u n a b s t r a c t b a s e do ne s t a b l i s h e dh y d r a u l i ca n dm a t h sm o d e lo f t w ot h r o u g h o u tv a l v e s i g n a lp r o d u c e rc o n t r o l l e di n c o m i n gl i q u i d ”，t oa c h i e v ei n p u tm u l t i p l e xs i g n a l ， t h ep a p e re s t a b l i s h e ss i m p l i f i e dm a t h sm o d e li np r e s s u r er e l e a s ep h a s e ，a n d a n a l y s e sv e l o c i t ya n dp r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i cs i g n a lp r o d u c e ri n s e v e r a lc o n t i n u o u s w a v es i g n a l s h y d r a u l i cm o d e lo f “d o u b l eh e a d v a l v eh y d r a u l i c s i g n a lp r o d u c e r ”i s c o n c e i v e da n de s t a b l i s h e do nt h eb a s e d o ft h er e s e a r c ho i l t h es i n g l eh e a d v a n eh y d r a u l i cs i g n a l p r o d u c e r ：t h r o u g hs i m u l a t i o n a n dc a l c u l a t i o nf o r d o u b l eh e a dv a l v eh y d r a u l i cs i g n a lp r o d u c e r ，i m p u l s es p e e do f “d o u b l eh e a d v a l v eh y d r a u l i cs i g n a lp r o d u c e r i sf a s t e rt h a nt h eo n eo f s i n g l eh e a dv a l v e h y d r a u l i cs i g n a lp r o d u c e r i ni n p u t t i n gt h es a m eb a s i cp a r a m e t e r s v e l o c i t ya n d p r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c so f “d o u b l et l e a dv a l v eh y d r a u l i cs i g n a lp r o d u c e r i n c o n t i n u o u s w a v es i g n a l sa r ea n a l y s e d ， o nt h eb a s i so ft h ea b o v ec o m p u t a t i o n a la n a l y s i s ，t h e d e s i g n so fl a b e x p e r i m e n tp r o t o t y p e sa l ea c c o m p l i s h e d t h ep r o t o t y p e sa r ef i v ei n c h e sp r o f i l e “s i n g l eh e a dv a l v eh y d r a u l i cs i g n a lp r o d u c e r a n d “d o u b l eh e a dv a l v eh y d r a u l i c s i g n a lp r o d u c e r ”t h el a be x p e r i m e n tp r o j e c tf o rh y d r a u l i cs i g n a lp r o d u c e ri s d e s i g n e d ，a n dt h ee x p e r i m e n ts y s t e mi sc o n s t r u c t e df o rt e s t i n gb a s i cp a r a m e t e r s s u c ha sp r e s s u r e ，d i s p l a c e m e n ta n da c c e l e r a t i o n k e yw o r d s ：h y d r a u l i cs i g n a lp r o d u c e r ，m w d ，s i m u l a t i o n , h y d r a u l i cs y s t e m m a t h sm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：勿彩年，月才日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅：学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：蕴盛毖 导师签名： 盘羟 印缛j - 月d - 日 加神6 年厂月棚 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 从2 0 世纪8 0 年代后期开始，井眼轨迹自动控制理论与技术得到长足 的进步与发展。随钻测量技术作为井眼轨迹自动控制技术的关键技术之一， 在实现井眼轨迹闭环控制、地质导向钻井技术等方面起到了重要作用 1 5 1 。 随钻测量 6 - 9 ( m e a s u r e m e n tw h i l ed r i l l i n g ，简称m w d ) 技术是在钻 井过程中通过电缆、钻井液等传输方式，将测量得到的井斜、井斜方位、 工具面、环空温度及井下钻压、扭矩等参数数据以信号的形式传送到地面， 将其进行实时分析处理，指导完成钻井作业。 随钻测量系统一般由井下传感器组件，数据传输或井下纪录装置与地 面监测处理设备组成。也有另种说法即由电源、探测系统和数据存储传输 系统组成。随钻测量系统井下传感器组件是通过应用紧靠钻头上部的传感 器来测量钻井参数与地层参数。 随钻测量技术的形成与实用随钻测量仪器的出现对减少钻井成本和增 加钻井安全等方面做出了杰出的贡献，并极大地推动了钻井技术的发展。 为了满足更高钻井技术要求，随钻测量技术的研究与应用还在不断地向前 发展。 1 2 随钻测量技术研究现状及进展 国外随钻测量技术理论和试验研究始于2 0 世纪3 0 年代，但未进行商 业上的推广与应用i l o 。在1 9 6 4 年随钻测量技术取得突破性进展， j j a i - p s t l l 】发明了产生泥浆脉冲随钻测量系统，其技术在1 9 7 7 年具备了 中国石油大学( 华东) 顼士论文 箱l 章绪论 商业价值。随之，t e l e c o l l 2 - 1 3 】公司和s c h l u m b e r g e r 公司分别生产了随锚测 量系统并投入到现场使用，从此以泥浆脉冲为传输方式的无线随钻测量技 术在世界范围内开始推广使用。 从2 0 世纪8 0 年代开始，由于新材料、新工艺、微电子技术的迅速发 展，随钻测量仪器的研制取得了很大的进步，成为实现定向井、水平井、 大位移井钻井的主要仪器【1 4 】。国外将l w d ( 带地质参数的m w d ) 技术应 用于大位移井、水平井及地质导向钻井等方面，取得了令人瞩目的成果。 带地质参数( 如自然伽马、电阻率、声波、补偿中子、补偿密度等) 的l w d 能准确地描述地质岩性 如地层孔隙度，渗透率、含水饱和度等) ，能完善 分析该地层的产能，使随钻和测井工程一次性完成。到目前为止，随钻测 量技术已发展到不仅仅是指随钻测量，还包括随钻测井，随钻地震，随钻 地层评估等多用途。 根据随钻测量系统遥测传输方式f 1 4 - 2 1 1 的不同，随钻测量技术可分为以 下几种： ( 1 ) 电缆式遥测传输系统，其代表产品：美国s p e r r y - s u n 公司m s 3 有线随钻系统，英国r u s s e l l 公司r s s 有线随钻系统，美国d m i 公司d m i 有线随钻系统，北京海蓝仪器公司y s t 有线随钻测斜仪，北京普利门公司 d s t 有线随钻澳4 斜仪等； ( 2 ) 电磁波式遥测传输系统，其代表产品：g e o l i n k 公司的e m t e l 电磁遥测系统； ( 3 ) 声波式遥测传输系统，其代表产品：a n a d r i l l s c h l u m b e r g e r 的 i s o n i c 随钻声波仪器，b a k e rh u g h e si n t e q 研制的随钻声波测井仪器 ( a p x ) ； ( 4 ) 光纤式遥测传输系统，其代表产品：s a n d i a 国家实验室开发的 m w d 光纤遥测系统： 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第l 章绪论 ( 5 ) 钻井液压力脉冲遥测传输系统，其代表产品：美国t e n s o r 公司 q d t 无线随钻系统，美国s c i e n c e - d r i l l i n g 公司s d i 无线随钻系统，美国 s p e r r y - s u n 公司3 4 0 型、6 4 0 型、1 2 0 0 型d w d 无线随钻系统等。 虽然各类遥测传输方式都在进行研究，并且每一种传输方式都有其自 身特点，但现场实践已证明，钻井液压力脉冲随钻测量系统在技术上和经 济上是可行的( 在钻井液钻井的条件下) 。国外钻井液压力脉冲随钻测量系 统的技术已逐渐成熟，仪器的系列化、商业化程度很高。 应该说，目前国内的随钻测量技术水平跟发达国家相比还存在较大差 距，引进国外先进、高效的测试仪器，对我国钻井、测井行业在较短的时 间内掌握先进钻井、测井工艺和技术发挥了重要作用。但是进口m w d 、 l w d 整机价格昂贵，其配件、易损件也大都价格较高，为了降低钻、测井 成本，提高市场竞争力，仪器的国产化是一个主要的途径。随钻测量技术 国产化的工作在最近几年取得了定的进展，西安仪器厂引进h a l l i b u r t o n 公司的b g d - m w d 的生产制造技术，但由于b g d m w d 是采用钻井液负 脉冲传输方式，传输速率慢和测量井深度小等因素严重限制了它的现场应 用。另外，北京海蓝公司、大港定向井公司、中海油服务公司、胜利定向 井公司及胜利钻井工艺研究院都在进行研究。2 0 0 1 年胜利钻井院依托重大 装各国产化研究项目一“m w d 、随钻自然伽玛测量仪国产化研制”和中石 化集团公司项目( 2 0 0 2 年) “随钻感应电阻率测量仪的研制”开始了 m w d l w d 国产化研究工作，取得了一定的进步与发展。 1 3 液压脉冲信号发生器的发展现状 液压脉冲信号发生器利用钻柱内泥浆液柱通过压力波向地面传送代表 井下测量数据的编码脉冲信号。早期的随钻测量系统应用柱塞阀来产生不 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章绪论 连续的泥浆脉冲传输数据，最大传输速率为1 比特秒，利用泥浆脉冲传送 数据，这是钻井史上的一次革命；1 9 7 7 年，改用旋转阀及相位偏移的方法 来产生连续的泥浆脉冲，最大传输速率为3 比特秒。泥浆脉冲的传输方式 有三种：负脉冲式、正脉冲式和连续信号式。 负脉冲信号发生器 1 4 】阱】的基本工作原理：发送器由泄流阀门组成，当 阀门打开时，使得一部分钻井液从钻柱内流向环空。因此，开闭阀门就会 引起管内的压力波，产生一系列的负脉冲将数据传输到地面。从信号产生 的机理来看属于泄流型信号发生器。这种信号发生器由于存在污染环空、 信号速率低、能量损失大等缺点，已逐渐被淘汰。 正脉冲信号发生器 2 3 1 1 匏基本工作原理：在井下信号发生器中有一个节 流阀，由液压调节器控制。当阀动作时，通过钻柱的钻井液液流形成瞬时 的压缩，引起管内的压力增加，从而产生一系列的压力脉冲传输到地面。 从信号产生的机理来看，属于节流型信号发生器。 连续信号发生器1 2 4 l 的工作原理：由一个转子和一个定子组成，每个转 子和定子上带有多个叶片，由电机驱动转子打开或部分关闭定子叶片间的 开口。当开口开大时，泥浆流动畅通，压力减小；当开口关闭时，泥浆流 动受阻，压力增大。控制转予瞬时开闭或者连续开闭，就会产生脉冲或者 连续信号压力波动信号。从信号产生的机理来看，也是属于节流型信号发 生器。s c h l u m b e r g e r 公司p u l s e 系列旋转阀式信号发生器产品，已应用于商 业使用。 从1 9 9 9 年6 月开始，中国石油勘探开发研究院成立“地质导向钻井技 术研究与应用【2 4 掰】”课题组，经过几年攻关，研制了c g d s 1 ( c h i n a g e o s t e e r i n gd r i l l i n gs y s t e m i ) 地质导向钻井系统，其中新型正脉冲无线随钻 测量系统c g m w d 作为c g d s 一1 地质导向钻井系统的一个重要子系统，于 2 0 0 3 年，分别在大港油田和冀东油田定向井进行了实钻试验和应用，取得 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章绪论 了较好的实验结果，该产品作为独立产品推出。这样实现该技术国产化， 将大幅度降低仪器的成本，有利于在国内钻井行业中推广应用，缩短了与 先进国家的差距，提高了我国的石油技术装备水平。 1 4 课题背景、内容及意义 1 4 1 课题背景 随着随钻测井和地质导向钻井等新技术的发展，随钻测量的井下参数 越来越多，对测量的实时性要求也越来越高，钻井液脉冲信号发生器的信 号传输率已很难满足较大数据通讯量的需要。为提高井下信号的传输速率， 必须通过改进信号发生器的结构，达到传输速率要求【2 1 1 。 中国石油勘探开发研究院、西安石油仪器厂合作研制的c g m w d 新型 正脉冲无线随钻测量系统，其脉冲信号传输速率可达5 b i t s 。在此基础上， 文献“随钻测量液压信号发生器建模仿真与实验设计”1 2 6 1 对钻井液压力信 号发生器的工作机理、信号的动态特性等方面迸行了系统分析，提出了“二 通阀迸液控制式信号发生器”，“二通阀回液控制式信号发生器”、“增 流阀进液控制式信号发生器”三类液压系统模型。 1 4 2 课题研究内容及意义 本文“随钻测量进液控制式信号发生器工作机理研究”的研究内容可 归纳为以下几个方面： ( 1 ) 利用“二通阀进液控制式信号发生器”数学模型系统【3 2 】，建立 “二通阀进液控制式信号发生器”降压过程阶段的简化数学模型。 利用m a t l a b 数学处理分析软件对“二通阉进液控制式信号发生 器”数学模型进行仿真计算，对不同连续信号响应所产生的各阀位移、系 统压力差等进行综合分析。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 ( 2 ) 提出双主阀液压信号发生器概念，利用液压元件原理，建立双主 阀液压信号发生器系统液压模型；利用m a t l a b 语言对系统进行仿真计 算，其从所得结果与单主阀液压信号发生器仿真结果进行比较。 ( 3 ) 根据单主阀液压信号发生器和双主阀液压信号的数学参数结合实 验要求，设计单主阀、双主阀液压信号发生器实验样机，组建单主阀液压 信号发生器室内实验测试系统。 通过该课题的研究可以进一步缩短与先进国家在信号发生器理论模型 分析的差距，提高我们的技术水平，为研制出具有自主知识产权的正脉冲 液压信号发生器奠定理论基础。同时该项目研究也为地质导向和闭环钻并 技术研究打下基础，对控制钻井成本、提高钻井技术水平，特别是对大位 移井、分支井、多底井等高难度工艺井的应用具有重要的现实意义，把我 国钻井技术推向新的发展阶段。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章液压信号发生器工作原理及参数计算 第2 章液压信号发生器工作原理及参数计算 2 1 液压信号发生器工作原理 图2 1 液压系统原理简图 根据已建立的二通阎进液控制式信号发生器的结构及工作原理，简化 后液压系统原理图如图2 l 所示。图中p u 为泵；r 1 为2 位2 通式先导控制 阀，r 2 为二通插装式主阀( 带活塞) ；r s 为溢流阀：k 为节流器，相当于 钻头喷嘴或者其它力负载：v l 、v 2 、v 3 分别表示各个元件连接处的容腔体 积；p i 、p 2 、p 3 分别表示相应容腔处的压力：q 。、q 。分别表示系统流入和 流出的流量；qz 、q 2 、q 3 、q 2 l 、q 2 2 、q s l 、q 3 2 分别代表从各阀口流出的 流量。 二通阀进液控制式信号发生器模型的结构，主要由主阀r 2 、先导控制 阀r i 、溢流阀r 3 等组成。先导控制阀r l 为常闭，主阀的阀芯处于最大 开度，溢流阀r 3 为常闭。当先导阀打开时，主阀r 2 在系统压力差的作用 下，使得主阔芯向着阀口关闭的方向运动，主阀口开度关小，p i 压力变大； 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章液压信号发生器工作原理及参数计算 当先导阎关闭后，主阀芯逐渐向着阀口开启的方向运动，这时p 2 压力升高， 当超过溢流阀限定压力时，溢流阀开启，主阀芯开度逐渐增大，p l 压力降 低。 通过对液压信号发生器模型的工作原理的分析，可根据系统的工作过 程将液压信号发生器分为三个工作阶段：液压系统初始状态、主阀r 2 上升 过程、主阀r 2 下降过程，这样的划分方法有利于进一步的仿真计算。 液压系统初始状态：液压信号发生器不工作，先导阀r i 常闭，溢流阀 r 3 关闭，主阀芯在液压力作用下处于最大开度处。 主阀芯上升过程：当先导阂r l 得到控制器的动作信号，先导阀r i 逐 渐开启，泵p u 中一部分流量通过先导阀r l 流向主阀r 2 弹簧腔中。该过程 又分为两种情况。 一种情况：溢流阀r 3 完全关闭，主阀r 2 由最大开度处开始运动，主 阀r 2 控制的阀口逐渐关小，钻柱中的压力随之上升。主阀r 2 速度由零逐 渐变大，并在压力上升过程中达到最大值；然后主阀r 2 速度又逐渐的减小， 并达到零值，此时主阀r 2 处于最小开度处。溢流阀r 3 的开启和关闭是溢 流阀弹簧力和锥阀心所受的液压力共同作用的结果，溢流阀r 3 在主阀r 2 开启过程中开启，溢流阀r 3 所损失的流量可通过加大先导阀r i 的流量或 减慢主阀的上升速度来实现。 另一种情况：溢流阀r 3 阀杆有固定开度，则溢流阀r 3 在主阎r 2 上升 过程中始终保持一个最小开度，那么先导阀r 1 提供给主阀弹簧腔的流量就 有一部分通过溢流阀r 3 损失掉，从而减慢主阀的上升速度。同时溢流阀 r 3 的最小开度也为主阀下降提供了泄流通道，即：当先导阀风在运动过程 中，主阀r 2 在上部压力作用下开始下降，弹簧腔中的液体通过溢流阀r 3 的最小开度排出。 主阀r 2 下降过程：主阀芯开始反方向运动，溢流阀阀杆根据不同的工 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章液压信号发生器工作原理及参数计算 作条件处于不同的工作状态。主阀芯的速度也通过一个加速和减速过程， 最后主阀芯位于最小开度处，主阀芯整个运动过程结束。 溢流阀r 3 根据阀杆不同运动状态可分为：闯杆开启过程、最大开度状 态、阀杆关闭过程、关闭状态。根据先导阀输入信号的不同，溢流阀和主 阀运动状态可进行不同组合实现压力变化。 2 2 技术设计参数列表 m 2 ， 厶分别为主阀芯和溢流阀等效质量，k g ； 疋，瞄分别为主阀和溢流阀弹簧的弹性系数，n m ： 五，墨，分别为主阀和溢流阀弹簧的初始压缩量，m ； 白。，白：，白，分别为先导阀、主阀、溢流阀的阀口流量系数： ，圪，分别为先导阀、主阀、溢流阀的阀口长度； 厶为阻尼长度，m ： 五，互，五分男u 为先导阀、主阀、溢流阀的开度； 4 ，为主阀芯的大面积，对应直径西，m 2 ： a 2 ：为主阀口平均过流面积，对应直径( d ：+ o 2 ，m 2 ： 4 ，= 鸣。一如，4 。和如的面积差( 环形) ，m 2 ； 爿，为溢流阀的弹簧腔面积，对应直径而，1 1 1 2 ； 4 2 为溢流阀口平均过流面积，对应直径( d 2 + d o 2 ，m 2 。 2 3 液压信号发生器各液压元件参数的计算 2 3 1 液压元件阀口流量系数的计算方法 根据上述进液控制式信号发生器液压系统模型，需要首先确定系统中 的各个元件的流量系数，可将液压系统中的主阀、溢流阀、先导阀的阀口 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章液压信号发生器工作原理及参数计算 设计成锥形结构，这样可以满足提高阀芯动作的灵活性、关闭的严密性和 寿命的要求。结构形式如图2 - 2 所示，当阀座锥部长度s 不大时，其节流 1 ：3 可视为薄壁节流型，流经阀口的流量和阀口前后压力差及阀口开度之问 的关系，即薄壁节流型阀口压力流量特性可按下式计算f 3 3 j ： q = 气a 仨印 ( 2 - 1 ) 式中，q 为流经阀口的流量； 4 为阀口的过流面积； 7 为油液的密度： 口为阀口前后的压力差； 白为流量系数一 流量系数一般受雷诺数r e 、阀1 3 形状及通道表面粗糙度的影响，通常 阀的通道壁面粗糙度较低，因此，一般流量系数是雷诺数r e 和阀口形状尺 寸的函数。对于锥阀而言，其流量系数除随雷诺数和阀的提升量变化外， 还受阀芯圆锥角、阀芯和阀座的接触宽度、阀腔大小及油液流向等的影响， 情形比较复杂，多数情况需要用实验的方法准确确定。如假定阀芯和阀座 间的流动为层流，并忽略入口弯曲对流动的影响，则可由下式近似估算锥 阀的流量系数【3 4 】： 黼虾篙+ 村+ 删 - 1 2 ， 白：降槲+ 删r 协， 式中，d ：阀芯小锥直径，n l l n ； 破：阀芯大锥直径，m i l l ： 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章液压信号发生器工作原理及参数计算 以：阀芯平均直径，n l l n ： 西：阀芯锥角，度； 彳：提升量，r l l l n ： s ：阀锥与阀座面接触宽度，m l n ； q ：输入流量，m 3 s ： v ：液体运动粘度，1 0 4 m 2 s ； h = x s i n ( ) ：阀锥与阀座面间距，i m ； k = 5 = 1 5 8 8 ：出口压力损失系数： b = o 1 7 ：入口压力损失系数； r e = 生：雷诺数。 图2 - 2 阀口锥形结构示意图 由公式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 可见，内流式锥阀的流量系数稍大于外流式 锥阀的流量系数值。二通插装阀的结构和锥阀类似，其流量系数随雷诺数 r e 变化的规律与锥阀的相似。当雷诺数小于临界雷诺数时，即层流区，流 1 量系数与雷诺数的圭次方成比例，当雷诺数超过临界雷诺数时，则流量系 z 数趋于某一定值，即最大流量系数。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章液压信号发生器工作原理及参数计算 2 3 2 各阀口结构基本参数计算 ( 1 ) 主阊结构几何参数的计算和选择 主阀的结构设计参数：吐= 6 6 2 m m ，吐= 7 1 5 m m ，矗= 6 8 7 5 r a m ， = 4 5 。，五= 1 0 m m ，h = 7 0 7 r a m ，s = 3 9 m m ，输入流量g = o 0 3 m 3 s ， 主阀弹簧腔活塞直径d = 7 9 3 m m ，液体运动粘度v = 2 0 x 1 0 6 m 2 s ，密度 p - - - i 2 x 1 0 3 k g m 3 ，计算得 4 2 ：苎箬= 4 0 1 5 1 0 。m 2 ，主阀口过流面积； ：n ( 4 + 。d 2 一) s i n # ：0 1 5 3 m ，主阀口的阀口长度； 。 2 r e ：旦：6 9 3 5 ： 冗d 一 主阀的液流方向采用外流式，根据公式( 2 2 ) ，可得白2 = 0 7 3 5 4 1 = 孚= 4 9 3 9 x 1 0 - 3 m 2 ，主阀弹簧腔活塞面积； ，2 = o 1 m ，主阀阻尼长度，初选； 红= 5 k g ，主阀芯质量，根据设计估算： k 2 = l x l 0 4 n m ，主阀弹簧刚度，原始设计； 五，= o 0 5 m ，主阀弹簧预压缩量，原始设计； 而。= o 0 1 6 m ，主阀最大开度，原始设计； 五。，。= o 0 0 4 m ，主阀最小开度，原始设计。 ( 2 ) 先导阀的几何参数的计算与选择 先导阀的有关设计几何参数为：d l = 6 4 r n m ，d 2 = 8 5 m m ， 以= 7 4 5 m m ，= 7 0 。，置= 2 m m ，h = 1 4 l m m ，j = 1 1 5 m m 。 a 1 2 孚= o 5 6 7 xl o 。m 2 ，先导阀口过流面积； 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章液压信号发生器工作原理及参数计算 ：至! 垡生2 墅里g ：0 0 2 2 m ，先导阀口的阀口长度； 2 r e 旦：6 4 9 6 1 ，雷诺数； 万d m v 根据先导阀的液流方向，可判断流量系数计算采用公式( 2 3 ) ，将上 述各参数值代入公式得：。= 0 6 6 。 ( 3 ) 溢流阀的几何参数计算与选择 溢流阀的有关设计几何参数为：每= 1 0 1 6 m m ，吐= 1 1 2 r a m ， 以= 1 0 6 8 m m ，= 4 5 。，墨= 2 7 r a m ，厅= 1 g r a m tj = 0 5 4 r a m ，溢流阀 弹簧腔活塞直径d = 1 0 1 6 m m 。 4 2 ：孳= 8 9 5 8 1 0 4 m 2 ，溢流阀口的平均过流面积； w 3 ：z ( d l + ：d 2 ) s i n ：0 0 2 3 m ，溢流阀口的阀口长度； r e = 生：4 5 3 0 0 ，雷诺数； 万d 。v 根据溢流阀的液流方向，可判断流量系数计算方法采用公式( 2 2 ) ， 将上述各参数值代入公式得：= o 7 6 。 鸽i ：车：8 9 5 8 1 0 4 m 2 ，溢流阀杆腔活塞面积； 7 3 = 0 0 5 m ，溢流阀阻尼长度，初选； _ j i 毛= 0 2 k g ，溢流阀阀芯质量，设计估算； 墨= 0 7 5 x 1 0 4 n m ，溢流阀弹簧刚度，原始设计； 置，= o 0 0 5 4 m ，溢流阀弹簧的初始压缩量，原始设计； 墨。= 0 0 0 7 5 m ，溢流阀最大开度，原始设计； 墨。= 0 0 0 0 5 m ，溢流阀最小开度，原始设计。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章液压信号发生器工怍原理及参数计算 2 4 本章小结 ( 1 ) 阐述了进液控制式信号发生器的工作原理，对主阀、溢流阀工作 状态进行了详细分析。 ( 2 ) 研究了液压元件阀口流量系数计算方法：根据设计要求，将液压 信号发生器中的各液压元件进行了参数计算，为下一步进行仿真计算和实 验样机结构设计提供了理论依据。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章进液控制式信号发生器数学模型仿真分析 第3 章进液控制式信号发生器数学模型仿真分析 采用比例或伺服控制的方法可以产生多种压力波动信号，为信息的传 递提供比较宽广的空间，为编码的实现提供比较灵活的手段。比例控制可 使先导阀开度随输入电流变化而变化，因此先导阀开度变化可通过比例控 制实现不同方式的连续信号输入，有必要进行连续信号影响下系统仿真计 算。 利用进液控制式信号发生器数学模型【3 2 1 划分方法，将其分解成升压过 程溢流阀完全关闭阶段、降压过程溢流阀开启阶段、降压过程溢流阀固定 开度阶段三个阶段，信号的性能取决于各个阶段的性能。升压过程溢流阀 完全关闭阶段的状态方程参考文献“随钻测量液压信号发生器建模仿真与 实验设计” 2 6 1 ；在降压过程各阶段的状态方程中，因为输入的信号为连 续信号，先导阀开度变化具有连续性，需要重新建立系统降压阶段简化数 学模型。 在此分别建立降压过程各个阶段的非线性状态方程。 3 1 降压过程溢流阀开启阶段简化数学模型 当升压过程溢流阎完全关闭阶段结束以后，系统降压过程随之开始， 先导阀r l 继续随输入信号变化。当压力p 2 大于溢流阀的开启压力时，溢 流阀口开启，液压信号发生器系统处于溢流阀开启阶段。液压系统原理简 图如3 - 1 所示。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章进液控制式信号发生器数学模型仿真分析 图3 - i 降压过程溢流阀开启阶段的液压系统简图 ( 1 ) 建立降压过程溢流阀开启阶段系统流量连续方程 由于液压系统模型的变化，相应的流量方程也发生变化，在不考虑液 体压缩情况下，建立输入流量平衡方程如公式( 3 1 ) 所示。 q = g + 易+ 鸽：墨 ( 3 1 ) 由流量压力特性方程， 变为 厅一 q i 嘞w l x l j ；p l p 2 ) q 2 = c j 2 w 2 x ：阿j ( 3 2 ) ( 3 3 ) 将公式( 3 2 ) 、( 3 3 ) 代入到公式( 3 - i ) 中，输入流量平衡方程可 q f = c d l w i x , 居p p ( p , - a 一) 嘞w 2 五莎鬲坞z ( 3 4 ) 系统输出流量平衡方程 q e = c d 2 w 2 x 2 2 - p 3 ) 一4 ，墨+ 白，x 3 唔- p 3 ) p 3 )w 3 x 叫p ( p 2 p 3 ) + 4 z 墨( 3 - 5 )一4 ，墨+ 白，+ 4 z 墨 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章进液控制式信弓发生器数学模型仿真分析 ( 2 ) 各个阀的受力平衡方程 主阀受力平衡方程 鸩z + 如( 砭，+ k ) = p 3 4 ，+ a 一2 2 一p 2 4 i + 只2 一c 2 ( 3 6 ) 式中，e ：为稳态液动力，e z = p 白：w 2 v 2 、2 ( p l - p 3 ) c 。s 政3 4 3 6 1 ，参数修正 取值后e ：= 2 6 6 c ：w 2 x 2 ( p l 一岛) c o s 晚：c ：为瞬态液动力阻力， e 2 = 白2 w 2 f 2 2 p ( a - p 3 ) x ；，其中2 为阻尼长度( 其值由具体结构确定) ， 单位m 。 将稳态液动力和瞬态液动力阻力公式代入公式( 3 6 ) ，可得 为 鸩z + k 2 ( x 2 r + 互) = 2 6 6 磊w 2c o s 矿2 x 2 ( p l - p 2 ) + p 3 a 2 3 ( 3 - 7 ) 一c d 2 w 2 f 2 4 2 p ( p l - p 2 ) x ；+ p i a 2 2 一p 2 a 2 l 溢流阀受力平衡方程 坞z + 毛( 墨v + 墨) 2 p z 4 2 + 2 6 6 c ：3 x 3 ( p 2 一p 3 ) 。8 九( 3 - 8 ) 一c d j w 3 k 0 2 p t p z p 3 ) x ；一p 3 a n 将流量平衡方程和受力平衡方程中的系数进行简化 c 1 = 、厉，c 2 嘞w 2 厉， p 1 22 p l p 2 ，p 1 32 a p j g = 心厉 d l = 2 6 6 4 ：w 2c o s 2 ，d 2 = c d ：坞f 2 万 q = 2 6 6 c j ，c o s 3 ，d 4 = 喵历 将简化后的参数代入公式( 3 4 ) 、( 3 5 ) 、( 3 7 ) 、( 3 8 ) 可变 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章进液控制式信号发生器数学模型仿真分析 q l = c 1 墨石+ c 2 五石+ 4 ：弼 q = c 2 五p 4 7 , , 一4 ，雹+ c ；也以i + 4 ：墨 ( 3 - 9 ) ( 3 1 0 ) 鸩z + 局( 砭，+ x 2 ) = p l ，( d l 五+ 4 ：) 一d 2 翮一仍，4 。 ( 3 1 1 ) m 3 x ；+ i ( 3 ( x 3 ，+ 墨) = 如p 2 3 + d 3 局如一琶翮 ( 3 1 2 ) ( 2 ) 降压过程溢流阀开启阶段系统的非线性状态方程 令状态变量为 f 毛= 五 卜2 砻2 z ( 3 - 1 3 ) j 弓= 置 k = 乏= 墨 由公式( 3 9 ) 、( 3 1 0 ) 、( 3 1 1 ) 、( 3 1 2 ) 得状态方程表达式为 k 壶卜骗一) + ( 圃2 毛坞) 一d 2 ( 石) 乇一( 石) 2 如1 ( 3 1 4 ) i 乏= z 。 卜壶 - k 3 ( x 3 , + z 3 ) + p ：3 4 2 + d 3 p 2 3 2 3 - d 。周 3 2 降压过程溢流阀固定开度阶段简化数学模型 在液压信号发生器的降压过程溢流阀固定开度时，溢流阎开度不发生 变化，相当于一个不变节流口，因而此状态下溢流阀的受力平衡方程不存 在。系统简图如图3 2 所示。 1 8 ! 曼至垫查兰! 兰查! 堡主堡兰 兰! 兰丝垄丝型茎堡呈垄兰墅鍪兰堡翌堕苎丝 o o k 图3 - 2 降压阶段溢流阀开度固定液压系统 ( i ) 系统输入流量平衡方程 q , = c 小w l x i 2 - 痧p ( p i - p 2 ) + 白：w 2 五居( a 一见) + 4 z ( 3 - 1 5 ) 输出流量平衡方程 q = 白：w 2 五层( n 一见) 一4 ，墨+ z 括( n 一乃) ( 3 1 6 ) ( 2 ) 主阀受力平衡方程 朋j 耐+ 恐( 五，+ 托) = n 4 2 + 见4 3 一p 2 4 l + e 2 一e 2 ( 3 1 7 ) ( 3 ) 不计液体压缩时，降压溢流阀开度固定阶段非线性状态方程 令状态变量为 j 而5 x 2( 3 1 8 ) k = 爿= 墨 由公式( 3 1 5 ) ，( 3 1 6 ) 、( 3 - 1 7 ) 得到系统非线性状态方程 1 9 中国石油大学( 华东) 顶士论文第3 章进液控制式信号发生器数学模型仿真分析 卜壶( ”咖( 压) 2 ( d i 弓) 【一d 2 ( 石) z ：- ( 4 - f f ：, ) 2 以。】 m a t l a b 软件m 语言仿真程序描述见附录a 2 。 3 3 连续信号液压系统仿真计算 3 3 1 系统仿真参数设置 ( 1 ) 各阀的结构参数 4 i = 4 9 3 9 x 1 0 3 1 1 1 2 ，4 2 = 4 0 1 5 x 1 0 。m 2 ，主劂 一 v g - e l ； 4 ，= 3 1 6 7 x 1 0 。1 1 1 2 ，a 3 2 - - 3 1 6 7 x 1 0 。m 2 ，溢流阀芯面积； = 0 0 2 2 m ，w 2 = 0 1 5 3 m ，w 3 = o 0 2 3 m ，各个阀口开度； ( 2 ) 相关物理参数 ( 3 1 9 ) 乃2 = o 7 3 ，0 1 = o 6 6 ，0 3 = o 7 6 ；如= 0 1 m ，上，= 0 0 5 m ； k = 3 4 8 4 1 8 x 1 0 - 3 m 5 ，匕= 2 1 7 6 4 7 5 3 x 1 0 。m 5 ：控制体积，估算得到： m z = 5 k g ，m 3 = o 2 k g ；岛= l x l 0 4 n m ，恐= 0 7 5 1 0 4 n m ： e = 2 0 4 x 1 0 9 n m 2 ，泥浆的体积弹性模量： 五，= o 0 5 m ，五，= o 0 0 5 4 m ；p = 1 2 0 0 k g m 3 ； ( 3 ) 系统控制与限定参数 q = o 0 0 3 m 3 ，控制输入流量； 置= o ，0 0 2 m ，输入先导阀最大开度： 也。= 0 0 1 6 m ，主阀最大开度： k 。；o 0 0 4 5 m ，主阀最小开度； 墨。= o 0 0 7 5 m ，溢流阀最大开度； 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章进液控制式信号发生器数学模型仿真分析 五。= o 0 0 0 5 m ，溢流阀最小开度； ( 4 ) 确定状态变量初值 液压信号发生器的初始状态是先导阀关闭，主阀静止在最大开口处， 因此主阀的位移初值设为五。= o 0 1 6 m ，主阀速度初值设为墨。= 0 。流过 主阀口的流量为泵的全流流量。 溢流阀的初始状态是静止在最小开度处，因此溢流阀的位移初值设为 墨。= o 0 0 0 5 m ，溢流阀速度初值蜀= o 假定负载压力p ，= 0 ，根据主阀口处的流量压力方程可得主阀口处的 初始压力为：= 2 c 毒d 2 1 w 1 2 x 二i o = 1 6 9 。9 2 8 3 1 。5 p a 。因为溢流阀有预开度， 在初始条件下，主阀弹簧腔与负载腔相通，所以弹簧腔中的压力初值 石= 0 。 3 3 2 正弦波信号对系统晌应的仿真计算 当先导阀的开度以正弦波形式变化时，主阀开度、阀口压力等系统参 数随之产生响应。正弦波函数表达式为 墨= d + d x s i n ( 2 ：r f x t + 妒) ( 3 2 0 ) 式中：d 为先导阀最大开度的一半；f 为正弦波信号输入频率，其值 可变：p 为正弦波信号的相位，其值可变。根据先导阀变化规律，取先导 阀开启方向为正方向，d 取值0 0 0 1 m 。 ( 1 ) 选择合适的正弦频率 合适的先导阀输入频率可正确的控制主阀的运动规律，从而提供符合 井下要求的压力波变化曲线。如果先导阀输入信号频率过小，如输入信号 的频率为o 5 h z 时，主阀位移、压力响应曲线如图3 3 所示，整个系统处 于先导阀开启过程，主阀到达最小开度。 2 i 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章迸液控制式信号发生器数学模型仿真分析 到 r r ，j - 一l+ - r 图3 - 3f = 0 5 h z 时系统响应变化曲线 如果先导阀输入信号的频率过大，则会出现相反的情况，即压力没有 达到预期峰值就主阀就返回，系统达不到所要求的压力波幅值。根据上述 分析应该选择合适先导阀输入信号频率，通过计算分析取先导阀参数为 f = 3 3 h z 、p = 一0 2 5 * p i ，如图3 4 所示，利用m a t l a b 软件 3 7 - 4 0 1 m 语 言进行仿真计算，仿真程序见附录a 3 。 a0 2d 060 日21 16lb：i j 图3 4 先导阀输入正弦波厂= 3 3 h z ，p = - 0 2 5 + p i 系统响应曲线 图3 - 4 中所描述的曲线为主阀位移、溢流阀位移和压力p 2 3 响应曲线， 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 蕈进液控制式信号发生器数学模型仿真分析 从该图可以看出，先导阀输入信号的频率和主阀响应频率基本符合，并且 可以达到2 m p a 的压力差，其压力波峰值的时间约在0 2 1 s 处。溢流阀在 整个过程中最大开度为4 m m 。 ( 2 ) 正弦波信号的相位对系统响应特性的影响 正弦波函数的频率不变，改变其函数相位，现对正弦波相