Статья 18. Диагностирование состояния цепного привода на основе
 Скачать 3.32 Mb.
|
|
УДК 622.276.054.22 ДИАГНОСТИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ЦЕПНОГО ПРИВОДА НА ОСНОВЕ СТАТИСТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ВИБРОСИГНАЛОВ © 2017 С.Н. Ленков, В.У. Ямалиев Уфимский государственный нефтяной технический университет Статья поступила в редакцию 07.03.2017 В статье описывается применение показателя Херста для анализа временных рядов вибросигналов цепно- го привода при различных натяжениях тяговой цепи и использовании в качестве тяговой цепи роликовой и зубчатой цепей, что позволит оценить возможность перехода от системы ППР к фактической оценке со- стояния цепного привода в процессе его эксплуатации. Построены графики изменения показателя Херста от натяжения тяговой (зубчатой и роликовой) цепи. Определенны границы зон технического состояния цепного привода, позволяющие диагностировать состояние оборудования по анализу временных рядов вибросигналов в режиме реального времени. Ключевые слова: цепной привод, штанговый скважинный насос, стенд, вибродиагностика, зубчатая цепь, ро- ликовая цепь, временной ряд, показатель Херста Наиболее распространенным видом механи- зированной добычи нефти является добыча уста- новками скважинных штанговых насосов (УСШН), которыми оборудовано больше половины добы- вающих скважин России. УСШН хорошо приспособ- лены для добычи продукции из малодебитных скважин, но в настоящих условиях нефтедобычи из- за старения многих крупных месторождений, ввода в эксплуатацию скважин с трудноизвлекаемыми запасами и высоким содержанием воды, а также с нестабильностью цен на нефть, становится актуаль- ным снижение затрат на подъем продукции из скважин, обслуживание и ремонт оборудования. Приводы на основе редуцирующего преобра- зующего механизма, получившие название цепные приводы, получили распространение как на сква- жинах РФ, так и за рубежом. Основные преимуще- ства цепных приводов: по сравнению с балансир- ными станками-качалками требуется редуктор с меньшим передаточным отношением и вращаю- щим моментом; меньшая зависимость полной мас- сы и габаритов цепного привода от длины хода; меньшая зависимость полной массы и габаритов цепного привода от длины хода; позволяют обеспе- чить тихоходные режимы откачки в широком диа- пазоне изменения скорости; повышение коэффи- циента использования мощности за счет обеспече- ния равномерной загрузки электродвигателя при- вода [1, 2]. Работа цепных приводов, так же как и других механизмов, машин, агрегатов сопровожда- ется вибрацией, которая приводит к уменьшению эксплуатационной надежности и срока службы. Становятся необходимым специальные мероприя- тия по выявлению и снижению ее уровня. Если при- держиваться графиков планово-предупредительных работ (ППР), при которых в зависимости от времени _____________________________________________________________________ Ленков Станислав Николаевич, аспирант. E-mail: lenkov_stas@mail.ru Ямалиев Виль Узбекович, доктор технических наук, профес- сор кафедры «Технологические машины и оборудование» наработки оборудования проводятся запланиро- ванные виды обслуживания, то это может привести к замене деталей и узлов, даже если они еще сохра- нили работоспособность и наоборот, если по графи- кам ППР замена деталей и узлов не требуется, а ут- ратили работоспособность. Поэтому возникает не- обходимость к переходу на обслуживание по техни- ческому состоянию машин, когда решение о сроках и виде обслуживания осуществляется на основе данных мониторинга (непрерывного или периоди- ческого контроля) оборудования. Переход на обслу- живание по фактическому техническому состоянию позволит исключить вероятность аварийных отка- зов и связанных с ними внеплановых простоев обо- рудования, а также прогнозировать объемы техни- ческого обслуживания и производить ремонты только дефектного оборудования [3-8]. Для перехода от системы ППР к фактической оценке цепного привода был проведен комплекс вибродиагностических обследований на специально сконструированном стенде. Проведенные виброиз- мерения позволили оценить техническое состояние привода в режиме реального времени, определить оптимальное натяжение цепи, которое значительно влияет на уровень вибрации всей установки в це- лом. Стенд цепного привода штангового скважин- ного насоса, изготовленный для проведения экспе- риментов, имеет возможность установить в качестве тяговой цепи роликовую двухрядную цепь или зубчатую цепь. При проведении экспериментальных иссле- дований на стенде одним из измеряемых парамет- ров является натяжение цепи, которое измеряется как провисание цепи при подвешивании груза в горизонтальной плоскости. Диапазон измерений натяжения цепи – 10…40 мм с шагом 5 мм. Перед началом исследований были определены места ус- тановок вибродатчиков. Установить датчики на тя- говую цепь невозможно, поэтому места для их уста- новки – это рама цепного привода, опоры ведомой (верхняя часть стенда т.1, т.3) и ведущей (нижняя Машиностроение и машиноведение 251 часть стенда т.2, т.4) звездочек. В каждой точке производилось не менее 3-х экспериментальных измерений, что зависело от повторяемости и стабильности получаемых результатов. В ходе про- ведения экспериментов были получены графики изменения общего уровня вибрации в зависимости от натяжения тяговой цепи, показанные на рис. 1. В табл. 1 в качестве примера приведены максималь- ные значения общего уровня вибрации цепного привода с зубчатой цепью. Таблица 1. Максимальное значение общего уровня вибрации (мм/с) цепного привода с зубчатой цепью Точка изме- рения t, мм 10 15 20 25 30 35 40 т1 2,09 1,92 1,23 1,64 1,64 1,65 1,50 т2 1,43 1,29 1,08 1,04 1,24 1,26 1,29 т3 2,06 1,94 1,70 1,65 1,67 1,69 1,49 т4 1,39 1,25 1,08 1,08 1,19 1,26 1,31 Примечание: t – натяжение тяговой цепи, мм; т1…т4 – точки установки вибродатчика на стенде цепного привода Рис. 1. Изменения амплитуды вибросигналов при разном натяжении тяговой цепи На основании проведенных эксперименталь- ных исследований установлено, что наименьшая вибрация для зубчатой цепи лежит в интервале 18- 25 мм, а для роликовой цепи в интервале 22-30 мм. Анализ полученных данных виброизмерений на стенде цепного привода показал, что использование максимального значения общего уровня вибрации для оценки технического состояния недостаточно, так как невозможно сделать заключение о техниче- ском состоянии привода. Для этого необходимо разработать более точный метод технической диаг- ностики. Для более глубокого понимания процес- сов, происходящих с диагностируемым оборудова- нием, при работе которого возникает вибрация, рас- смотрим временные ряды вибросигналов, получен- ные при разном натяжении тяговой цепи привода, как объекта, имеющего фрактальные свойства, в этом случае для их описания можно использовать фрактальные характеристики одномерных времен- ных рядов – размерность Хаусдорфа и показатель Херста [9-15]. Для анализа временных рядов вибро- сигналов цепного привода был выбран показатель Херста, который количественно характеризует меру упорядоченности амплитуд измеряемого параметра во времени и определяется в терминах асимптоти- ческого поведения масштабированного диапазона как функции отрезка времени временного ряда. Расчет показателя Херста: С (1) (2) Известия Самарского научного центра Российской академии наук, том 19, №1(2), 2017 252 где R – размах накопленного отклонения; S – сред- неквадратическое отклонение ряда наблюдений; m – число периодов наблюдений (количество точек в отрезке временного ряда); c – заданная константа, положительное число. Существует три классификации для различ- ных показателей Херста: - при 0 - 0,5 2 и 3 следует, что наиболее высокое значение пока- зателя Херста для зубчатой цепи находится при на- тяжении 20 мм, а для роликовой цепи при натяже- нии 25 мм. Полученные максимальные значения показателя Херста говорят об оптимальных услови- ях работы цепного привода при данных натяжениях цепи. Таблица 2. Значения показателя Херста в зависимости от натяжения тяговой (зубчатой) цепи Плоскость измерения Точка установ- ки дат- чика Натяжение цепи t, мм 10 15 20 25 30 35 40 x 1 0,610 0,669 0,739 0,646 0,595 0,566 0,526 2 0,691 0,745 0,802 0,787 0,696 0,653 0,647 3 0,607 0,697 0,748 0,663 0,617 0,590 0,534 4 0,708 0,761 0,799 0,773 0,703 0,666 0,645 y 1 0,815 0,870 0,906 0,857 0,751 0,699 0,596 2 0,795 0,825 0,902 0,825 0,775 0,716 0,617 3 0,801 0,879 0,903 0,838 0,760 0,686 0,609 4 0,789 0,832 0,887 0,815 0,783 0,709 0,621 z 1 0,630 0,686 0,718 0,662 0,585 0,581 0,521 2 0,688 0,721 0,755 0,718 0,671 0,645 0,604 3 0,655 0,686 0,709 0,656 0,604 0,570 0,509 4 0,691 0,735 0,772 0,707 0,666 0,663 0,594 Таблица 3. Значения показателя Херста в зависимости от натяжения тяговой (роликовой) цепи Плоскость измерения Точка установ- ки дат- чика Натяжение цепи t, мм 10 15 20 25 30 35 40 x 1 0,605 0,632 0,662 0,692 0,648 0,593 0,518 2 0,671 0,708 0,735 0,781 0,755 0,708 0,580 3 0,614 0,630 0,650 0,684 0,632 0,584 0,528 4 0,681 0,709 0,745 0,797 0,765 0,693 0,578 y 1 0,640 0,714 0,754 0,786 0,781 0,707 0,633 2 0,687 0,745 0,786 0,837 0,785 0,744 0,685 3 0,640 0,726 0,746 0,791 0,775 0,705 0,647 4 0,669 0,751 0,808 0,825 0,768 0,739 0,677 z 1 0,617 0,655 0,673 0,705 0,670 0,583 0,503 2 0,667 0,690 0,720 0,749 0,699 0,668 0,603 3 0,612 0,644 0,650 0,703 0,665 0,606 0,519 4 0,657 0,691 0,723 0,757 0,691 0,672 0,617 Построены полиномиальные аппроксимации зависимости значений показателя Херста от натя- жения цепи, которые приведены на рис. 2 для зуб- чатой цепи и рис. 3 для роликовой цепи. Использование полиномиальной аппрокси- мации значений показателя Херста от натяжения цепи позволит контролировать натяжение тяговой цепи цепного привода в процессе эксплуатации. Машиностроение и машиноведение 253 Рис. 2. Полиномиальная аппроксимация зависимости значений показателя Херста от натяжения зубчатой цепи Данный метод не требует остановки приво- да и подвешивания груза для определения натя- жения тяговой цепи, тем самым не прерывается технологический режим работы скважины и ис- ключается выполнение сложных операций. Для технической диагностики цепного привода в процессе эксплуатации были установлены значения показателя Херста, определяющие границы зон технического состояния показанные на рис. 4 и 5. Рис. 3. Полиномиальная аппроксимация зависимости значений показателя Херста от натяжения роликовой цепи Рис. 4. Границы зон технического состояния цепного привода с тяговой (зубчатой) цепью Рис. 5. Границы зон технического состояния цепного привода с тяговой (роликовой) цепью Установленные границы зон технического состояния возможно использовать для диагности- рования цепных приводов с наибольшим тяговым усилием 60 кН, числом ходов в минуту n=3 и рабо- чим ходом плунжера насоса 3 м. Для цепных приво- дов с другими техническими характеристиками и режимом эксплуатации необходимо наработка новых данных и обработка по выше описанному методу с использованием показателя Херста. Для снижения погрешности заключения о техническом состоянии, рекомендуется проводить сбор и допол- нение полученных данных временных рядов вибро- сигналов. Дальнейшее накопление и дополнение данных позволит уточнить и расклассифицировать Известия Самарского научного центра Российской академии наук, том 19, №1(2), 2017 254 границы зон технического состояния на характер- ные (возможные) дефекты и отказы. Данный метод применим не только для технической диагностики в процессе эксплуатации, но и при приемке обору- дования после ремонта, технического обслужива- ния или установки привода на скважине. Выводы: проведен анализ временных рядов вибросигналов цепного привода, как объекта, имеющего фрактальные свойства. Установлено оп- тимальное натяжение тяговых цепей при макси- мальных значениях показателя Херста для зубчатой цепи при натяжении 20 мм и роликовой цепи при натяжении 25 мм. На основании проведенного ана- лиза построены полиномиальные аппроксимации для контроля натяжения тяговой цепи в процессе эксплуатации и установлены значения показателя Херста, определяющие границы зон технического состояния цепного привода (допустимо и недопус- тимо). СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 1. Тахаутдинов, Ш.Ф. Цепные приводы скважинных штанговых насосов / Ш.Ф. Тахаутдинов, Н.Г. Ибраги- мов, В.М. Валовский, К.В. Валовский. – М.: ЗАО «Изда- тельство «Нефтяное хозяйство», 2014. 448 с. 2. Ямалиев, В.У. Анализ работы цепных приводов штан- говых скважинных насосов с ОАО АНК «Башнефть» / В.У. Ямалиев, С.Н. Ленков // Нефтегазовое дело. 2015. Т. 13, №1. С. 81-85. 3. Ямалиев, В.У. Тепловизионный контроль техническо- го состояния УЭЦН / В.У. Ямалиев, М.Д. Гилязова, А.С. Дулов // Нефтегазовое дело. 2015. №3. С. 271-281. 4. Ямалиев, В.У. Устройство для оценки технического состояния установок электроцентробежных насосов в процессе эксплуатации / В.У. Ямалиев, Т.Р. Салахов, С.С. Шубин – Патент на изобретение RUS №2525094. - 04.05.2013. 5. Ямалиев, В.У. Применение элементов теории детер- минированного хаоса к решению задач технического диагностирования УЭЦН / В.У. Ямалиев, Т.Р. Салахов, С.С. Шубин // Нефтегазовое дело. 2014. №4. С. 174- 191. 6. Ямалиев, В.У. Методы диагностирования станков- качалок / В.У. Ямалиев, Л.К. Ардаширов // Нефтегазо- вое дело. 2013. №4. С. 364-373. 7. Ямалиев, В.У. Диагностирование бурового и нефте- промыслового оборудования. Учебное пособие / В.У. Ямалиев, И.Е. Ишемгужин. – Уфа: УГНТУ, 2000. 83 с. 8. Yamaliev, V.U. Perspectives for designing fluid cleaners (from patent documentation) / V.U. Yamaliev, I.E. Ishemguzhin, L.P. Gorshunova // Chemical and petroleum Engineering. 1991. Vol. 27. Issue 9. P. 501-505. 9. Мирзаджанзаде, А.Х. Этюды о моделировании слож- ных систем нефтедобычи. Нелинейность. Неравно- весность. Неоднородность / А.Х. Мирзаджанзаде, М.М. Хасанов, Р.Н. Бахтизин. – Уфа: ГИЛЕМ, 1999. 462 с. 10. Мирзаджанзаде, А.Х. Динамические процессы в неф- тегазодобыче / А.Х. Мирзаджанзаде, А.Х. Шахвердиев. – М.: Наука, 1997. 256 с. 11. Ямалиев, В.У. Оценка технического состояния уста- новок электроцентробежных насосов в процессе экс- плуатации методом нейросетевой классификации / В.У. Ямалиев, Т.Р. Салахов, С.С. Шубин // Нефтегазовое дело. 2013. № 11-4. С. 102-109. 12. Salakhov, T.R. A field-proven methodology for real-time drill bit condition assessment and drilling performance optimization / T.R. Salakhov, V.U. Yamaliev, V. Dubinsky. – SPE Russian Oil and Gas Technical Conference and Ex- hibition 2008. P. 281-288. 13. Заляев, М.Ф. О необходимости учета вибрации при конструировании элементов бурильной колонны / М.Ф. Заляев, В.У. Ямалиев, Е.М. Абакачева, А.Н. Авре- нюк // Химическое и нефтиное машиностроение. 2016. № 9. С. 45-48. 14. Ямалиев, В.У. Оптимизация системы диагностирова- ния динамического оборудования на установках комплексной подготовки газа / В.У. Ямалиев, Р.Р. Га- реев // Газовая промышленность. 2012. № 12 (683). С. 91-93. 15. Карякин, А.Ю. Испытательный стенд для вибрацион- ной диагностики подшипников качения в условиях производства / А.Ю. Карякин, Р.Р. Гареев, В.У. Ямали- ев, А.А. Мацибора // Газовая промышленность. 2014. № 3 (703). С. 89-82. DIAGNOSING THE STATE OF THE CHAIN DRIVE ON THE BASIS OF VIBROSIGNALS STATISTICAL ANALYSIS © 2017 S.N. Lenkov, V.U. Yamaliyev Ufa State Oil Technical University In article the application of Hurst rate for the analysis of vibrosignals temporary ranks of the chain drive at various tension of a traction chain and use as a traction chain the roller and gear chains that will allow to estimate a possi- bility of transition from system of the plan precautionary repair to the actual assessment of a state of the chain drive in the course of his operation is discussed. Schedules of Hurst rate change from a tension traction (gear and roller) chains are made. The borders of technical state zones of the chain drive allowing to diagnose the equipment state according to the analysis of temporary ranks of vibrosignals in real time are certain. Key words: chain drive, rod borehole pump, stand, vibration diagnostics, gear chain, roller chain, time series, Hurst rate ________________________________________________ Stanislav Lenkov, Post-graduate Student. E-mail: lenkov_stas@mail.ru Vil Yamalyiev, Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department of “Technological Machines and Equipment” Машиностроение и машиноведение 255 |