拉弯疲劳和磨损复合工况下的抽油杆使用寿命评价系统

本发明涉及抽油杆疲劳性能检测设备，尤其涉及一种拉弯疲劳和磨损复合工况下的抽油杆使用寿命评价系统。

背景技术：

对于抽油杆来说，由于存在深井、超深井和斜井，井口对中不理想，以及井下弯曲等问题，使得服役过程中抽油杆的服役环境非常恶劣。一方面，抽油杆需要承受轴向拉-拉交变载荷和弯曲交变载荷，其破坏应力以拉应力为主，特别是外凸弯曲的一侧光杆表面承受更为苛刻的叠加拉应力作用，是疲劳失效发生的优先位置。另一方面，细长抽油杆采油过程中会因发生弯曲而与油管的内壁发生不同程度的摩擦，进而出现磨损。可见，抽油杆面临着拉弯叠加疲劳和磨损失效的共同作用，两者之间相互作用，彼此影响，对抽油杆使用寿命产生决定作用。

但是在拉弯叠加疲劳和磨损复合工况下，抽油杆使用寿命的检测和评价设备方面，存在如下问题：1.抽油杆疲劳性能检测方面，目前实验室环境中主要以标准疲劳试验机为主，标准的疲劳试验机通常由主体框架、加载系统、测量系统和控制系统组成，利用加载系统可以实现对材料试样在不同循环载荷条件下的加载，利用测量系统可以实时获得材料试样所承受的载荷和位移等变量，而控制系统则可以实现整个疲劳试验机在设定条件下的精确运行，但是在抽油杆的疲劳性能检测方面还存在较为简单的情况，如单一评价抽油杆的轴向拉-拉疲劳性能，或单一评价其弯曲疲劳性能，或者将两者分别得到的结果综合进行一定的理论分析计算；现场实验方面，主要以对失效抽油杆试样进行后期分析统计和归纳，来评价抽油杆的疲劳性能，少数情况下可以进行少量的现场实验。但是，以上针对抽油杆在拉伸和弯曲复合变形工况下的疲劳性能测试，与抽油杆的实际工况差异较大。2.抽油杆摩擦磨损性能检测方面，主要采用环-块摩擦磨损试验机等标准材料磨损试验机，或者采用自制的模拟抽油杆/油管磨损的简单台架，或者采用现场失效抽油杆的分析统计。但是，以上的拉伸疲劳和弯曲疲劳是单独进行测试，疲劳和磨损的实验往往也是分开来单独进行，并不能考虑两者的相互影响对抽油杆使用寿命的影响。现有的少数磨损-疲劳试验机大都是以接触疲劳或者微动疲劳，并不适用于抽油杆的拉弯疲劳和磨损的叠加工况，而极为有限的现场实验或者实际失效试样的统计分析，无论是数量还是工况的控制，都很难满足实际需要。

因此，有待开发一种基于拉弯疲劳和磨损复合工况下的抽油杆使用寿命评价系统，在实验条件可严格控制和调整的条件下，成功实现对抽油杆实际服役工况模拟的工况下，对抽油杆的使用寿命进行监测和评价。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种拉弯疲劳和磨损复合工况下的抽油杆使用寿命评价系统，在实验条件和实验过程严格可控可调的条件下，很好地模拟抽油杆实际拉伸和弯曲复合变形的疲劳工况，以及抽油杆与油管内壁之间的摩擦磨损工况，进而获得疲劳和磨损复合作用下的抽油杆使用寿命规律，为抽油杆的选用、寿命预测以及井场管理提供可靠的实验平台。

本发明拉弯疲劳和磨损复合工况下的抽油杆使用寿命评价系统，主要采用以下技术方案：

包括主体框架、加载系统、测量系统和控制系统，所述主体框架为横卧结构，所述加载系统还包括正向挤压装置，所述主体框架的正上方设有可在水平方向移动的所述正向挤压装置，所述主体框架的左端设有移动横梁，主体框架的右端设有固定横梁，所述移动横梁和固定横梁分别固定安装有与所述抽油杆试样连接的夹持组件；所述移动横梁与抽油杆试样夹持组件之间设有第一伺服加载机构，所述正向挤压装置内置第二伺服加载机构，所述正向挤压装置的端部设有至少一个独立工作的挤压弧板，所述挤压弧板的外表面与所述抽油杆试样外圆面贴合，所述挤压弧板可自行调节与所述抽油杆外表面的接触位置，所述挤压弧板的外表面边缘设有软质高摩阻条块，所述测量系统还包括摩擦单元，所述主体框架的底部基座上设有所述摩擦单元，所述摩擦单元设有储液池，所述摩擦单元还设有移动平台，所述移动平台位于所述储液池的中部。

本发明还采用以下附属技术方案：

作为优选的一种方案，所述挤压弧板为横向放置可绕轴线转动的半个圆柱体，与所述抽油杆表面接触的所述圆柱体外表面具有凹陷的半圆槽，圆柱体的背面中部与所述正向挤压装置的端部之间设有支撑体，所述圆柱体的背面中部与支撑体之间通过第一转轴连接。

作为优选的另一种方案，所述挤压弧板是外表面向外凸出的圆弧槽，所述圆弧槽为连续体。

连续体的背面中部与所述正向挤压装置的端部之间设有主支撑杆，连续体圆弧槽的背面边缘与所述正向挤压装置的端部之间设有辅助支撑杆，所述主支撑杆与所述正向挤压装置的端部之间固定连接，所述主支撑杆与所述连续体的背面中部之间设有第二转轴，所述连续体绕着所述第二转轴自由转动，所述辅助支撑杆设有弹性体，该段弹性体的存在可调整辅助支撑杆的长度。

所述夹持组件的夹具至少包括两部分，所述夹具的任一部分从里到外分为卡咬段和保护段，从平行于抽油杆试样的轴线方向看，所述卡咬段的齿采用横截面为倒v型尖齿螺纹，所述保护段的齿横截面为外凸圆弧形或矩形，且在轴线单位长度方向上所述卡咬段的齿密度大于所述保护段的齿密度。

所述抽油杆试样的中部为杆体，所述杆体为细长直棒，所述杆体的长径比不低于50，所述抽油杆试样的两端设有夹持端，所述夹持端的长度和杆体直径比不低于5，所述夹持端的直径与所述杆体的直径比不低于1.5:1，且所述夹持端和所述杆体连接处有光滑圆弧过渡处理，所述抽油杆安装过程中所述夹持组件的夹具的末端超过所述抽油杆试样的夹持端。

在所述正向挤压装置的同侧还设有光学形貌观测装置，在所述正向挤压装置的同侧还设有表面清洁装置和润滑介质喷射装置，所述光学形貌观测装置的伸缩镜头移动范围覆盖所述移动平台表面。

所述移动平台表面设有与所述抽油杆试样对磨的试样安装台，所述试样安装台可以在水平面及其法线方向自由移动，进而实现三维空间内与抽油杆试样之间的相对运动。

所述形貌观测装置、表面清洁装置和正向挤压装置中，在同一时刻只能有一个装置处于工作状态。

本发明的拉弯疲劳和磨损复合工况下的抽油杆使用寿命评价系统，与现有技术相比，具有如下优点：

第一，本发明技术方案基于现有的疲劳试验机和材料磨损试验机的成熟功能结构，确保了试验条件的可控可调和结果的可靠。通过引入摩擦单元的移动平台、储液池和润滑介质喷射装置，使得不同润滑条件的模拟都能进行；通过表面清洁装置和光学形貌观测装置，使得不同阶段的抽油杆及其对磨试样的表面形貌可以得到及时观察和记录。

第二，本发明技术方案通过引入正向挤压装置，并对正向挤压装置的结构进行专门设计，可以很好地模拟抽油杆的实际拉伸和弯曲复合变形工况下疲劳性能和磨损性能的叠加效果，更加的接近实际抽油杆在油管中的服役条件。正向挤压装置内置第二伺服加载机构，可以实现弯曲载荷按照需要进行循环比等参数的动态调整；特别是本发明技术方案中正向挤压装置的端部设有至少一个独立工作的可自行调节外表面接触位置的挤压弧板，采用半圆柱体或连续体的专门结构设计，使得挤压弧板圆弧槽可以根据抽油杆杆体弯曲变形程度和轮廓，来适应性地自行调节外表面接触位置，在挤压弧板和杆体之间实现了尽可能大面积的接触贴合和有效支撑，从而减少杆体局部的集中载荷和应力集中，这更符合抽油杆的实际服役条件。

第三，本发明技术方案中，抽油杆试样进行了专门设计。抽油杆长度和直径比例的设计使得杆体为细长杆，在径向外力作用下易于发生弯曲的同时不会对两端的夹持端产生太大的应力集中，从而确保实验的顺利进行。

第四，本发明技术方案中，夹具进行了专门设计，避免了弯曲变形给抽油杆夹持端可能带来的优先疲劳破坏影响。本发明技术方案中对夹具齿的外形和密度分布设计，将夹具分为了卡咬段和保护段，在确保有效夹持抽油杆夹持端的同时，有效缓解弯曲变形导致的应力集中对夹持端的影响。考虑到拉伸和弯曲叠加变形情况下，抽油杆试样夹持端距离杆体近的部分所受应力更为复杂，v型尖齿螺纹会对夹持端表面产生更高的应力集中，卡痕处易于成为疲劳源，而一旦夹持端处先发生疲劳断裂，就无法正常考察杆体部分的使用寿命情况，从而导致实验无法正常进行，因此在保护段采用了外凸圆弧形或矩形的齿来代替，并降低其齿密度，这样的夹持使得局部不会优先出现裂纹。

附图说明

图1是本发明抽油杆使用寿命评价系统的整体结构示意图。

图2是本发明的挤压弧板为圆柱体的外表面结构示意图。

图3是本发明的挤压弧板为圆柱体的正视图。

图4是本发明的挤压弧板为圆柱体的连接结构示意图。

图5是本发明的挤压弧板为连续体的连接结构示意图。

图6是本发明的夹具和抽油杆试样夹持端的位置结构示意图。

图7是本发明的夹具内表面的齿的一种结构示意图。

图8是本发明的夹具内表面的齿的另一种结构示意图。

图9是本发明的正向挤压装置与抽油杆试样的接触状态示意图。

具体实施方式

参见图1，按照本发明的拉弯疲劳和磨损复合工况下的抽油杆使用寿命评价系统，提供的实施例，包括主体框架1、加载系统、测量系统和控制系统，所述主体框架1为横卧结构，所述加载系统还包括正向挤压装置3，所述主体框架1的正上方设有可在水平方向移动的所述正向挤压装置3，所述主体框架1的左端设有移动横梁11，主体框架1的右端设有固定横梁12，所述移动横梁11和固定横梁12分别固定安装有与所述抽油杆试样2连接的夹持组件111；所述移动横梁11与抽油杆试样夹持组件111之间设有第一伺服加载机构，所述正向挤压装置3内置第二伺服加载机构，所述正向挤压装置3的端部31设有至少一个独立工作的可自行调节外表面接触位置的挤压弧板32，所述挤压弧板32的外表面与所述抽油杆试样2外圆面贴合，所述挤压弧板32的外表面边缘设有软质高摩阻条块，用于更牢固地与抽油光杆的外表面贴合，所述测量系统还包括摩擦单元4，所述主体框架1的底部基座上设有所述摩擦单元4，所述摩擦单元4设有储液池41，所述摩擦单元4还设有移动平台42，所述移动平台位于所述储液池的中部。本发明中正向挤压装置3的设计是实现抽油杆试样弯曲变形的关键部件，可自行调节外表面接触位置的挤压弧板的设计，使得抽油杆的弯曲部分不是受到集中力的作用，而且其可根据抽油杆杆体弯曲变形程度和轮廓，来适应性地自行调节外表面接触位置的设计，使得抽油杆杆体弯曲部分和挤压弧板外表面之间的贴合更为紧密，弯曲变形的产生更为顺畅和协调，更符合实际抽油杆的弯曲工况。

参见图2至图4，作为优选的一种方案，所述挤压弧板32为横向放置可绕轴线转动的半个圆柱体321，与所述抽油杆表面接触的所述圆柱体321外表面具有凹陷的半圆槽3210，圆柱体321的背面中部与所述正向挤压装置3的端部之间设有支撑体3211，所述圆柱体321的背面中部与支撑体3211之间通过第一转轴3212连接。所述半圆槽3210的设计，使得抽油杆弯曲部分的杆体可以陷入到其中，进而实现两者接触表面之间大面积的贴合，稳定载荷的加载过程，减小局部的应力；而圆柱体321通过第一转轴3212可绕其轴线转动，实现了外表面接触位置的自行调节。

参见图5，作为优选的另一种方案，所述挤压弧板32是外表面向外凸出的圆弧槽，所述圆弧槽为连续体322。背面的设计是为了实现转动轴的易于安装和承受载荷，进而实现挤压弧板对接触位置的自行调整。所述挤压弧板32背面可选为平面，也可根据实际情况，选取背面为非平面的设计。

连续体322的背面中部与所述正向挤压装置3的端部31之间设有主支撑杆3221，连续体322圆弧槽的背面边缘与所述正向挤压装置3的端部之间设有辅助支撑杆3222，所述主支撑杆3221与所述正向挤压装置3的端部31之间固定连接，所述主支撑杆3221与所述连续体的背面中部之间设有第二转轴3223，所述连续体322绕着所述第二转轴3223在所述抽油杆2轴线平面内自由转动，所述辅助支撑杆3222设有弹性体3224，来实现辅助支撑杆3222长度的调节。所述主支撑杆3221除了实现载荷的传递之外，还可通过第二转轴3223实现连续体圆弧槽位置的调整，而辅助支撑杆3222在传递载荷的同时，还可以利用弹性体3224来实现辅助支撑杆长度的调整，进而与主支撑杆3221之间的协调，来实现挤压弧板对接触位置的自行调整。所述主支撑杆和辅助支撑杆的数量可根据需要进行增加。

参见图6至图8，所述夹持组件111的夹具112至少包括两部分，所述夹具112的任一部分从里到外分为卡咬段1121和保护段1122，从平行于抽油杆试样的轴线方向看，所述卡咬段1121的齿采用横截面为倒v型尖齿螺纹，所述保护段1122的齿采用横截面为外凸圆弧形或矩形，且在轴线单位长度方向上所述卡咬段1121的齿密度大于所述保护段1122的齿密度。该设计是考虑到拉伸和弯曲叠加变形情况下，抽油杆试样夹持端距离杆体近的部分所受应力更为复杂，v型尖齿螺纹会对夹持端表面产生更高的应力集中，卡痕处易于成为疲劳源，而一旦夹持端处先发生疲劳断裂，就无法正常考察杆体部分的使用寿命情况，从而导致实验无法正常进行，因此在保护段采用了外凸圆弧形或矩形的齿来代替，并降低其齿密度，这样的夹持使得局部不会优先出现裂纹，因此本发明将夹具分为了卡咬段1121和保护段1122，在确保有效夹持抽油杆夹持端的同时，有效缓解弯曲变形导致的应力集中对夹持端的影响，确保实验的顺利进行。

所述抽油杆试样2的中部为杆体21，所述杆体21为细长直棒，所述杆体21的长径比不低于50，所述抽油杆试样2的两端设有夹持端22，所述夹持端22的长度和杆体直径比不低于5，所述夹持端22的直径与所述杆体21的直径比不低于1.5:1，且所述夹持端22和所述杆体21连接处有光滑圆弧过渡处理，所述抽油杆2安装过程中所述夹持组件111的夹具112的末端超过所述抽油杆试样2的夹持端22。以上抽油杆长度和直径比例的设计使得杆体为细长杆，在径向外力作用下易于发生弯曲的同时不会对两端的夹持端产生太大的应力集中。另一方面，如果夹具112的末端短于夹持端22，试样夹持端和夹具末端接触端面会因为弯曲变形引起的应力集中，导致过早发生断裂，影响实验的顺利进行，而将夹具112的末端超过所述抽油杆试样2的夹持端22，确保实验可以顺利进行。

在所述正向挤压装置3的同侧还设有光学形貌观测装置5，在所述正向挤压装置3的同侧还设有表面清洁装置6和润滑介质喷射装置7，所述润滑介质喷射装置设有可弯曲和伸缩的喷液管，所述润滑介质为实际油井中的井液或者实验室配置的液体，还可采用干摩擦或含砂的润滑介质等条件来模拟特殊工况下的磨损，所述光学形貌观测装置5的伸缩镜头移动范围覆盖所述移动平台表面42，进而可以观察抽油杆试样和对磨试样表面不同位置的形貌。

所述移动平台42表面设有与所述抽油杆试样对磨的试样安装台，所述试样安装台可以在水平面及其法线方向自由移动。所述试样安装台的运动由移动平台内置机械部件实现，如采用电机直连转轴等方式实现试样安装台在水平面内的定轴转动，利用凸轮挺杆机构或者曲柄连杆机构等方式来实现试样安装台的往复运动。通过参考标准材料试验机的设计，还可以对摩擦单元进行传感器和控制元件等零部件的增加来实现对该过程中摩擦力的测量，以及对摩擦磨损过程中试样安装台运动的精确控制。

所述形貌观测装置5、表面清洁装置6和正向挤压装置3中，在同一时刻只能有一个装置处于工作状态。该设计确保了抽油杆试样在拉弯叠加疲劳和磨损实验结束后，先利用表面清洁装置对处于非工作状态的抽油杆试样磨损表面和对磨试样表面进行充分彻底的清洗，然后再利用形貌观测装置对相应位置的试样表面进行形貌观察，从而获得不同工况条件下的对磨表面的形貌特征，为其使用寿命的评价和预测提供参考。

抽油杆在实际服役过程中，其弯曲变形是由于细长杆体在两端受力等引起的，其磨损也是由于弯曲变形后局部杆体与油管内壁接触而发生的，可见其并不是由于在杆体弯曲位置直接作用集中外力产生的，因此在对抽油杆实验过程中，要尽量减少正向挤压载荷对杆体的局部破坏影响，比如使杆体表面受压接触位置产生明显压痕等塑性变形，或者因为接触面积太小引起很大的应力集中，这些都是与实际不相符合，也会对实验过程和结果产生较大影响。因此，在本发明技术方案中在挤压弧板和杆体之间采用了尽可能大面积的接触和贴合，参见图9，挤压弧板32的边缘均为实线，抽油杆试样2的杆体21的左侧部分边缘线为虚线，代表两者形成部分遮挡关系。在实验过程中，正向挤压装置3的挤压弧板32与抽油杆试样2的杆体21，两者之间接触表面相互贴合接触，在接触位置处，所述抽油杆试样2的一小段杆体21陷入到所述挤压弧板32的圆弧槽内，从而挤压弧板32的部分圆弧槽对杆体21的局部形成贴抱，从而出现图9中的遮挡效果。这样可以利用圆弧槽表面与抽油杆外圆面之间较大面积的接触，使得抽油杆的受力不会出现局部太过集中，从而确保抽油杆杆体受力过程中不会发生明显塑性变形，而挤压弧板32和杆体21较大的接触长度，可以对弯曲段的杆体形成大范围的有效支撑，可以更好地模拟实际抽油杆由于两端较远处受力引起的局部弯曲，可以更好地模拟抽油杆的实际弯曲变形工况。

本发明技术方案中所述正向挤压装置的端部设有至少一个独立工作的可自行调节外表面接触位置的挤压弧板，当多个挤压弧板时，可以通过不同挤压弧板的位置调整来改变抽油杆发生明显弯曲变形的长度和挠度，进而模拟各种不同服役条件下抽油杆的变形和磨损工况。

本发明的评价系统运行的主要步骤包括：（1）试样的固定：利用上夹持组件和下夹持组件的夹具将抽油杆试样固定好，确保装卡固定时所述上夹持组件的夹具底端位置超过所述抽油光杆试样的夹持端；（2）正向挤压装置的选择：根据实际服役载荷和变形程度等情况预先选择挤压弧板的形式为半圆柱体或连续体；（3）载荷的加载和摩擦单元的对磨：基于标准疲劳试验机的加载系统和控制系统，根据抽油杆的模拟条件进行轴向载荷和正向挤压装置载荷的设计和加载，同时结合摩擦单元表面的对磨试样，实现相应摩擦形式的摩擦磨损；（4）实验的进行：采用测量系统和多组摄像单元对实验过程中的抽油杆弯曲外凸表面进行形貌观察，并对其不同应力应变条件下的疲劳循环次数进行测量和记录，并结合表面清洁装置和形貌观测装置，对磨损表面形貌进行观察比较。

需要说明的是，本发明技术方案中的主体框架、加载系统、测量系统和控制系统，均基于现有的常规标准疲劳试验机的成熟功能结构，确保了试验条件的可控可调和结果的可靠。伺服电机、作动器和传感器等部件均是满足标准材料疲劳试验机运行所必需的部件，这些部件的具体型号选用、相应组成结构和配件，以及这些部件之间的连接和控制都是本技术领域的常规设置，而摩擦单元在对磨试样之间的传感器设置及运动控制零部件选择和运行等方面的细节设计都属于材料磨损试验机的常规技术，在本发明技术方案中不再专门逐一提及和说明。