曲漢武，尚 捷，盧華濤，王智明，陳 錕

(中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149)

隨著煤田工業(yè)的發(fā)展和能源的需求量越來越大，鉆井時(shí)需要實(shí)時(shí)測(cè)量的井下信息也越來越多，這些信息包括定向工程參數(shù)(方位、傾角、工具面角)、地層特性(電阻率、伽馬、中子孔隙率、中子密度)、鉆井參數(shù)(井底鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速)等[1-5]。為獲得這些井下信息參數(shù)，隨鉆測(cè)井中使用的泥漿脈沖發(fā)生器需要具有較高的傳輸速率。擺動(dòng)閥式泥漿脈沖器由于可以產(chǎn)生較高頻率的載波，成為高速泥漿脈沖傳輸?shù)妮^好選擇[6-8]。

針對(duì)脈沖器井下工作時(shí)的轉(zhuǎn)矩問題，由于其在工作時(shí)負(fù)載力矩復(fù)雜，影響因素眾多，給研究帶來較大困難。目前模型仿真是研究脈沖器負(fù)載轉(zhuǎn)矩的主要手段，通過脈沖器建立穩(wěn)態(tài)三維模型，進(jìn)而進(jìn)行理論研究和數(shù)值仿真，可以對(duì)不同外形轉(zhuǎn)子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究[8]，但是該方法對(duì)所建立模型的準(zhǔn)確度依賴很高，且只能分析剪切閥單向擺動(dòng)時(shí)的負(fù)載特性，無法分析擺動(dòng)閥脈沖器的動(dòng)態(tài)負(fù)載特性。基于相關(guān)系數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及流場(chǎng)仿真，可以分析轉(zhuǎn)子閥口形狀、閥片個(gè)數(shù)等參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子水力轉(zhuǎn)矩的影響，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)諧波壓力信號(hào)的影響[6-8]，但是無法分析擺動(dòng)閥脈沖器在井下的動(dòng)態(tài)特性，且依然對(duì)模型準(zhǔn)確性的依賴度很高。利用有限元分析軟件可以對(duì)轉(zhuǎn)閥的流場(chǎng)搭建模型[9]，但此模型是穩(wěn)態(tài)的，只能對(duì)轉(zhuǎn)閥的靜態(tài)水力轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析。以往的仿真研究極大地豐富了脈沖器的理論，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)外脈沖器的發(fā)展與應(yīng)用，但是均受限于模型的準(zhǔn)確性，如所建立模型與真實(shí)儀器存在微小差別，會(huì)對(duì)計(jì)算的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大的影響，而且仿真研究均集中于脈沖器的靜態(tài)負(fù)載特性，無法進(jìn)一步研究其動(dòng)態(tài)負(fù)載特性，因此，只能局部認(rèn)識(shí)脈沖器井下工作時(shí)的負(fù)載特性，無法從整體上分析其影響因素及規(guī)律。

鑒于此，筆者從擺動(dòng)閥脈沖器井下工作時(shí)的動(dòng)力平衡方程出發(fā)，利用擺動(dòng)閥脈沖器在水循環(huán)實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率，并進(jìn)一步對(duì)其影響因素進(jìn)行分析，以期對(duì)脈沖器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)以及電機(jī)的選型提供指導(dǎo)。

1 擺動(dòng)閥脈沖器的動(dòng)力平衡方程

擺動(dòng)閥脈沖器總成如圖1 所示，其核心部件由永磁同步電動(dòng)機(jī)組成，電機(jī)轉(zhuǎn)子和擺動(dòng)閥轉(zhuǎn)子通過扭桿連接在一起。當(dāng)上電控制永磁同步電動(dòng)機(jī)擺動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子通過扭桿拖動(dòng)擺動(dòng)閥轉(zhuǎn)子做往復(fù)式擺動(dòng)，進(jìn)而剪切泥漿流體，產(chǎn)生泥漿脈沖壓力波。由于扭桿尾端通過螺紋鎖死，所以電動(dòng)機(jī)擺動(dòng)時(shí)需要克服扭桿的彈性力做功。

當(dāng)擺動(dòng)閥脈沖器在井下工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)還需要克服水力轉(zhuǎn)矩負(fù)載做功，因此，再根據(jù)擺動(dòng)閥脈沖器的結(jié)構(gòu)特征，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的機(jī)械平衡方程的基礎(chǔ)上附加水力轉(zhuǎn)矩[10-15]，可以得到擺動(dòng)閥脈沖器在井下工作時(shí)的動(dòng)態(tài)力矩平衡方程：

式中：Te為電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩；Tn為慣性轉(zhuǎn)矩；Ts為扭桿產(chǎn)生的彈性轉(zhuǎn)矩；Tf為黏滯摩擦轉(zhuǎn)矩；Thd為水力轉(zhuǎn)矩。在上述這些轉(zhuǎn)矩參數(shù)中，Te和Thd為驅(qū)動(dòng)力矩，當(dāng)它們方向沿著擺動(dòng)閥關(guān)閉時(shí)為正，沿著擺動(dòng)閥打開時(shí)為負(fù)；Ts和Tf為阻力矩，當(dāng)它們方向沿著擺動(dòng)閥打開方向時(shí)為正，沿著擺動(dòng)閥關(guān)閉方向時(shí)為負(fù)，Tn可表示為：

式中：J為擺動(dòng)閥轉(zhuǎn)子軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為轉(zhuǎn)子擺動(dòng)的角速度；θ為擺動(dòng)閥轉(zhuǎn)子的擺動(dòng)角度；t為時(shí)間變量。

Ts可以表示為：

式中：ks為扭桿的彈性系數(shù)；θ0為扭桿未發(fā)生扭動(dòng)時(shí)所處的初始位置。

Tf可以表示為：

式中：kf為擺動(dòng)閥擺動(dòng)過程中的軸系黏滯摩擦因數(shù)。

當(dāng)選用的永磁同步電機(jī)采用最大轉(zhuǎn)矩比電流MTPA的方式控制時(shí)[16-17]，Te可表示為：

式中：km為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；Iq為電機(jī)的Q 軸電流。

脈沖器在井下工作的力矩動(dòng)態(tài)平衡方程可以描述為電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩等于擺動(dòng)閥擺動(dòng)過程中的慣性轉(zhuǎn)矩、黏滯摩擦轉(zhuǎn)矩、扭桿的彈性轉(zhuǎn)矩和負(fù)水力轉(zhuǎn)矩的代數(shù)和。

2 水循環(huán)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)水力轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

利用泥漿泵循環(huán)系統(tǒng)建立擺動(dòng)閥脈沖器水循環(huán)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示，擺動(dòng)閥脈沖器上游通過泥漿管線連接泥漿泵，下游通過循環(huán)管線連接水池，數(shù)據(jù)讀寫口引出數(shù)據(jù)線至地面控制系統(tǒng)。

圖2 擺動(dòng)閥脈沖器水循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Water cycle experimental device of oscillating valve pulser

實(shí)驗(yàn)選用的擺動(dòng)閥脈沖器定轉(zhuǎn)子模型如圖3 所示，規(guī)定擺動(dòng)閥全開時(shí)轉(zhuǎn)子的位置θ為0°(圖3a)，全關(guān)時(shí)轉(zhuǎn)子的位置θ為24°(圖3b)。脈沖器工作時(shí)，擺動(dòng)閥轉(zhuǎn)子在0°位置到24°位置之間做反復(fù)擺動(dòng)，轉(zhuǎn)子從0°位置向24°位置運(yùn)動(dòng)時(shí)為關(guān)閥方向，從24°位置向0°位置運(yùn)動(dòng)時(shí)為開閥方向。

圖3 擺動(dòng)閥定轉(zhuǎn)子模型Fig.3 Model of stator and rotor of oscillating valve

當(dāng)泥漿泵開至穩(wěn)定流量后，通過地面控制系統(tǒng)控制擺動(dòng)閥轉(zhuǎn)子的位置角度以正弦函數(shù)方式隨時(shí)間進(jìn)行擺動(dòng)，擺動(dòng)閥轉(zhuǎn)子位置運(yùn)動(dòng)軌跡如下式：

式中：θm為擺動(dòng)閥轉(zhuǎn)子的擺動(dòng)幅度；f為擺動(dòng)閥脈沖器擺動(dòng)的載波頻率。

實(shí)時(shí)采集脈沖器內(nèi)部傳感器記錄的位置角度θ和Q軸電流Iq，根據(jù)式(1)-式(5)可以推導(dǎo)出擺動(dòng)閥脈沖器的動(dòng)態(tài)水力轉(zhuǎn)矩為：

其中，km、J、ks、kf等脈沖器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)量得到[18-20]，因此，可以通過式(7)計(jì)算得到相應(yīng)工況下的水力轉(zhuǎn)矩。水循環(huán)實(shí)驗(yàn)中脈沖器的結(jié)構(gòu)參數(shù)值見表1。

表1 水循環(huán)實(shí)驗(yàn)中擺動(dòng)閥脈沖器的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of oscillating valve pulser in water cycle experiment

3 電機(jī)輸出特性及載波影響因素分析

3.1 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

利用式(5)可以計(jì)算得到電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，不同擺載波率下電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨位置角度的變化關(guān)系如圖4 所示，擺動(dòng)閥脈沖器井下工作時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩具備如下特征。

圖4 不同頻率下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨位置的變化曲線Fig.4 Curve of motor output torque varying with position at different frequencies

擺動(dòng)閥轉(zhuǎn)子以載波頻率為1 和6 Hz 的低頻進(jìn)行擺動(dòng)時(shí)，擺動(dòng)閥電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子位置的曲線特征基本一致，如圖4 中的黑線和藍(lán)線所示。轉(zhuǎn)子位置θ位于0～8°時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩方向?yàn)樨?fù)，當(dāng)位置角度θ=0°(擺動(dòng)閥全開時(shí))，輸出轉(zhuǎn)矩最大，輸出轉(zhuǎn)矩隨位置角度的增大而減??；擺動(dòng)轉(zhuǎn)子位置θ位于8°～21°時(shí)，變化較小，輸出穩(wěn)定；θ≥21°時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子位置角度的增大而減小至0，而后反向增大至正值。

擺動(dòng)閥轉(zhuǎn)子以載波頻率為24 Hz 的中頻進(jìn)行擺動(dòng)時(shí)，曲線如圖4 中綠線所示。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩在一個(gè)載波周期內(nèi)比較平穩(wěn)，變化不大，且均為負(fù)值，其中位置θ位于0～15°時(shí)，開閥時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和關(guān)閥時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩較相近，16°～24°時(shí)關(guān)閥電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩明顯大于開閥的輸出轉(zhuǎn)矩。

擺動(dòng)閥轉(zhuǎn)子以載波頻率為36 Hz 的高頻進(jìn)行擺動(dòng)時(shí)，曲線如圖4 中紅線所示。位置θ=0°(擺動(dòng)閥全開時(shí))，輸出轉(zhuǎn)矩方向?yàn)檎S著轉(zhuǎn)子位置角度的增大，輸出轉(zhuǎn)矩逐漸減小至0，隨后方向變?yōu)樨?fù)方向反向增大至最大值。開、關(guān)閥轉(zhuǎn)矩曲線出現(xiàn)分離現(xiàn)象，θ為0～16°時(shí)，關(guān)閥電機(jī)輸出負(fù)向轉(zhuǎn)矩更大，θ為17°～24°時(shí)，開閥電機(jī)輸出的負(fù)向轉(zhuǎn)矩更大。

3.2 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩影響因素

在流量1 800 L/min 下控制擺動(dòng)閥脈沖器分別以6、24、36 Hz 的載波頻率擺動(dòng)，利用式(2)-式(5)、式(7)分別計(jì)算出擺動(dòng)閥脈沖器的慣性轉(zhuǎn)矩、彈性轉(zhuǎn)矩、黏滯摩擦轉(zhuǎn)矩、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)負(fù)水力轉(zhuǎn)矩，具體轉(zhuǎn)矩曲線如圖5-圖7 所示。根據(jù)式(1)可知脈沖器在井下工作時(shí)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩等于擺動(dòng)閥擺動(dòng)過程中的慣性轉(zhuǎn)矩、黏滯摩擦轉(zhuǎn)矩、扭軸的彈性轉(zhuǎn)矩和負(fù)水力轉(zhuǎn)矩的代數(shù)和，因此可以對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的影響因素做具體分析。

圖5 6 Hz 擺動(dòng)閥所受力矩隨位置角度的變化Fig.5 Variation of torque on the oscillating valve with the position angle at 6 Hz

從圖5 中可以得到，6 Hz 時(shí)慣性力矩和黏滯摩擦力矩較小，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩主要取決于彈性轉(zhuǎn)矩和水力轉(zhuǎn)矩的影響。當(dāng)θ＜8°時(shí)，由于水力轉(zhuǎn)矩較小，此時(shí)彈性轉(zhuǎn)矩是電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的主要影響；θ位于高角度時(shí)，水力轉(zhuǎn)矩和彈性轉(zhuǎn)矩方向相反，削弱彈性轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)輸出的影響，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩有所降低。開閥和關(guān)閥時(shí)水力轉(zhuǎn)矩略有不同，由于關(guān)閥時(shí)負(fù)向水力轉(zhuǎn)矩略大，造成關(guān)閥時(shí)電機(jī)輸出正向轉(zhuǎn)矩略大于開閥時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩值。

從圖6 中可以得到，載波頻率為24 Hz 時(shí)，慣性轉(zhuǎn)矩增大，但黏滯摩擦轉(zhuǎn)矩依然較小，此時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩主要受彈性轉(zhuǎn)矩、慣性轉(zhuǎn)矩、水力轉(zhuǎn)矩三者綜合影響。彈性轉(zhuǎn)矩與慣性轉(zhuǎn)矩、負(fù)水力轉(zhuǎn)矩相反，可以抵消大部分慣性轉(zhuǎn)矩和負(fù)水力轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)輸出的影響；開閥時(shí)，由于彈性轉(zhuǎn)矩、慣性轉(zhuǎn)矩、水力轉(zhuǎn)矩三者在24 Hz時(shí)相互補(bǔ)償和抵消，所以電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩在該頻率處保持相對(duì)穩(wěn)定，變化較小。關(guān)閥時(shí)，由于水力轉(zhuǎn)矩在低角度較平穩(wěn)，高角度(大于15°)時(shí)快速增大，造成了電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩在低角度時(shí)平穩(wěn)，高角度快速增大的現(xiàn)象。

圖6 24 Hz 擺動(dòng)閥所受力矩隨位置角度的變化Fig.6 Variation of torque on the oscillating valve with the position angle at 24 Hz

從圖7 中可以得到，載波頻率為36 Hz 時(shí)，慣性轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的影響明顯增大，黏滯摩擦力依然較小。此時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩主要受慣性轉(zhuǎn)矩、彈性轉(zhuǎn)矩和水力轉(zhuǎn)矩的綜合影響。由于彈性轉(zhuǎn)矩僅能補(bǔ)償部分慣性轉(zhuǎn)矩和水力轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)輸出的影響，因此，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線形態(tài)特征同慣性轉(zhuǎn)矩、水力轉(zhuǎn)矩形態(tài)特征接近。相比于開閥時(shí)擺動(dòng)閥承受的水力轉(zhuǎn)矩，關(guān)閥時(shí)負(fù)向水力轉(zhuǎn)矩明顯更大，造成了關(guān)閥時(shí)電機(jī)輸出的正向轉(zhuǎn)矩值明顯大于相同位置開閥時(shí)的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩值。

圖7 36 Hz 擺動(dòng)閥所受力矩隨位置角度的變化Fig.7 Variation of the torque on the oscillating valve with the position angle at 36 Hz

3.3 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨頻率的變化

在1 800 L/min 的流量下，控制擺動(dòng)閥脈沖器的載波頻率從1 Hz 擺至40 Hz，利用式(5)計(jì)算出在每種頻率下開關(guān)閥的最大輸出正轉(zhuǎn)矩、最大輸出負(fù)轉(zhuǎn)矩和平均輸出轉(zhuǎn)矩(圖8)。

圖8 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨頻率的變化關(guān)系Fig.8 Relationship between motor output torque and frequency

從圖8 可以得到，電機(jī)在不同載波頻率下輸出的平均轉(zhuǎn)矩均為負(fù)值，表明在擺動(dòng)閥脈沖器在一個(gè)載波周期中電機(jī)整體上需要克服正向力矩做功。電機(jī)輸出的最大正轉(zhuǎn)矩、最大負(fù)轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)矩變化幅度均隨頻率的增高而呈先減小后增大的趨勢(shì)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩在18～25 Hz 出現(xiàn)了最小極值點(diǎn)，表明該頻段下電機(jī)的負(fù)載最小。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨頻率的變化體現(xiàn)了慣性轉(zhuǎn)矩、彈性轉(zhuǎn)矩和水力轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)平衡。

不同位置下的擺動(dòng)閥所受轉(zhuǎn)矩隨頻率的變化關(guān)系如圖9 所示。擺動(dòng)閥轉(zhuǎn)子位于0°位置(全開)時(shí)，水力轉(zhuǎn)矩和黏滯摩擦轉(zhuǎn)矩幾乎為0，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩主要受彈性轉(zhuǎn)矩和慣性轉(zhuǎn)矩的影響，由于彈性轉(zhuǎn)矩方向?yàn)樨?fù)且大小不變，因此，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的形態(tài)與慣性轉(zhuǎn)矩的形態(tài)一致，彈性轉(zhuǎn)矩起到抵消部分慣性轉(zhuǎn)矩的作用，此時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩受頻率的影響較大。

圖9 擺動(dòng)閥轉(zhuǎn)子在不同位置角度處所受的力矩特征Fig.9 Torque characteristics of the oscillating valve rotor at different position angles

擺動(dòng)閥轉(zhuǎn)子位置角度位于12°(半開)時(shí)，慣性轉(zhuǎn)矩和彈性轉(zhuǎn)矩均較小(接近0)，此時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩主要受水力轉(zhuǎn)矩影響，兩者曲線形態(tài)相似，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩受頻率的影響較小。

擺動(dòng)閥轉(zhuǎn)子位于24°位置時(shí)，水力轉(zhuǎn)矩增大明顯，且與彈性轉(zhuǎn)矩方向相反，扭桿起到抵消水力轉(zhuǎn)矩的作用，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩主要受慣性轉(zhuǎn)矩的影響，受頻率的影響較大。

3.4 電機(jī)輸出功率特征

擺動(dòng)閥脈沖器電機(jī)的輸出功率可以表示為：

式中：Pe為擺動(dòng)閥電機(jī)輸出的功率，W。

擺動(dòng)閥以低頻(1、12 Hz)進(jìn)行擺動(dòng)時(shí)，功率隨位置變化的曲線如圖10 中黑線和藍(lán)線所示。開閥擺動(dòng)功率約在12°位置(半開)達(dá)到最大，關(guān)閥擺動(dòng)功率約在4°位置達(dá)到最大，關(guān)閥時(shí)電機(jī)輸出功率小于開閥時(shí)功率。

圖10 不同頻率下電機(jī)輸出功率隨角度的變化Fig.10 Variation of motor output power with position angle at different frequencies

擺動(dòng)閥以中頻(24 Hz)進(jìn)行擺動(dòng)時(shí)，功率隨位置變化的曲線如圖10 中綠線所示。開閥擺動(dòng)功率約在12°位置達(dá)到最大；關(guān)閥功率約在21°位置達(dá)到最大負(fù)值。

擺動(dòng)閥以高頻(36 Hz)進(jìn)行擺動(dòng)時(shí)，功率隨位置變化的曲線如圖10 中紅線所示。曲線在一個(gè)載波周期內(nèi)呈“蝴蝶結(jié)”狀；關(guān)閥功率在低角度(約在4°)位置達(dá)到最大正值，高角度(約21°)達(dá)到最大負(fù)值；開閥功率在低角度(約在4°)達(dá)到最大負(fù)值，高角度(21°)達(dá)到最大正值。

利用式(8)計(jì)算出每個(gè)頻率下開關(guān)閥的最大輸出功率、最小輸出功率和平均輸出功率，三者隨頻率的關(guān)系如圖11 所示。

圖11 電機(jī)輸出功率隨頻率的變化關(guān)系Fig.11 Variation of motor output power with frequency

從圖11 可以得到，載波頻率1～14 Hz 時(shí)，電機(jī)輸出功率隨載波頻率的增大而緩慢上升，將該頻段稱為緩慢增大區(qū)；頻率15～28 Hz 時(shí)，電機(jī)輸出功率相對(duì)平穩(wěn)，將該頻段稱為輸出穩(wěn)定區(qū)；頻率29～40 Hz 時(shí)，電機(jī)輸出功率隨頻率的增大而快速增大，將該頻段稱為快速增大區(qū)。

電機(jī)輸出功率隨頻率變化的曲線在一定程度上影響了擺動(dòng)閥脈沖器電動(dòng)機(jī)的選型，例如當(dāng)脈沖器選擇的電動(dòng)機(jī)最大功率為200 W 時(shí)，將無法得到頻率超過35 Hz 以上的載波。

4 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)輸出的影響

通過上述分析可知，擺動(dòng)閥脈沖器在0～40 Hz 做正弦擺動(dòng)時(shí)，由于黏滯摩擦力矩較小，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩主要受彈性力矩、慣性力矩和水力轉(zhuǎn)矩影響。根據(jù)式(2)、式(3)可知，慣性力矩和彈性力矩分別受轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J和扭桿的剛度系數(shù)ks的影響。因此，可以通過選擇合適的扭桿和擺動(dòng)閥轉(zhuǎn)子的方法來達(dá)到減小電機(jī)輸出的目的。

4.1 扭桿剛度系數(shù)

圖12a 為脈沖器安裝剛度系數(shù)為0.4 N·m/(°)的扭桿時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨載波頻率的變化關(guān)系，圖12b 為脈沖器安裝剛度系數(shù)為0.8 N·m/(°)的扭桿時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨頻率的變化關(guān)系。從圖中可以得到，隨著扭桿剛度系數(shù)ks的增大，脈沖器在低中頻段(1～25 Hz)擺動(dòng)時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩變化幅度明顯增大，在高頻段(30～40 Hz)擺動(dòng)時(shí)，電機(jī)的輸出幅度明顯減小。最小負(fù)載頻段在大剛度系數(shù)下更高。

圖12 不同剛度系數(shù)下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨頻率的變化Fig.12 Variation of motor output torque with carrier frequency under different stiffness coefficients

圖13 是脈沖器選用不同剛度系數(shù)(圖13a 為ks=0.4 N·m/(°)，圖13b 為ks=0.8 N·m/(°))扭桿時(shí)電機(jī)輸出功率隨頻率的變化關(guān)系。從圖中可以得到，增大扭桿剛度系數(shù)ks使得電機(jī)輸出功率在中低頻段有所升高，但同時(shí)會(huì)增大“輸出穩(wěn)定段”的頻率范圍，使得電機(jī)輸出功率在高頻段明顯降低。因此，增大脈沖器扭桿剛度系數(shù)可以實(shí)現(xiàn)減小高頻段電機(jī)輸出的目的，但同時(shí)會(huì)增大中低頻段的電機(jī)輸出。

圖13 不同剛度系數(shù)下的電機(jī)輸出功率隨擺動(dòng)頻率的變化Fig.13 Variation of motor output power with oscillating carrier frequency under different stiffness coefficients

4.2 擺動(dòng)閥轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

圖14 是脈沖器選用不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的(圖14a 為J=0.000 7 kg·m2，圖14b 為J=0.000 5 kg·m2)轉(zhuǎn)子時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨頻率的變化關(guān)系。從圖中可以得到，脈沖器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的變化對(duì)中低頻段下電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩影響較小，但是對(duì)高頻段下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩影響明顯，減小轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以顯著降低電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

圖14 不同轉(zhuǎn)子軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨頻率的變化Fig.14 Variation of motor output torque with frequency under different moments of inertia of rotor shaft

圖15 是不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(圖15a 為J=0.000 7 kg·m2，圖15b 為J=0.000 5 kg·m2)對(duì)應(yīng)的電機(jī)輸出功率隨頻率的變化關(guān)系。從圖中可以得到，脈沖器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的增大不改變緩慢增大區(qū)和輸出穩(wěn)定區(qū)，對(duì)中低頻段下的電機(jī)輸出功率影響較小，但是會(huì)減小快速增大區(qū)的斜率，使得電機(jī)輸出功率在高頻段明顯降低。因此，適當(dāng)減小轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可以實(shí)現(xiàn)較小高頻段電機(jī)輸出的目的。

圖15 不同轉(zhuǎn)子軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下的電機(jī)輸出功率隨頻率的變化Fig.15 Variation of motor output power with frequency under different moments of inertia of rotor shaft

5 結(jié)論

a.從擺動(dòng)閥脈沖器井下工作時(shí)的動(dòng)力平衡方程出發(fā)，結(jié)合水循環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出擺動(dòng)閥脈沖器電機(jī)的輸出特性受慣性轉(zhuǎn)矩、彈性轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)水力轉(zhuǎn)矩的影響，且電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩在不同工作頻段表現(xiàn)為不同特征；低頻段，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的變化幅度隨載波頻率的增大而減小，輸出功率隨載波頻率的增大而緩慢增大；中低頻段時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率在該頻段幅度變化較小，相對(duì)比較穩(wěn)定；高頻段時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率均隨頻率的增大而快速增大。

b.擺動(dòng)閥脈沖器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，可以通過增大扭桿剛度系數(shù)和降低擺動(dòng)閥轉(zhuǎn)子軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方式降低電機(jī)在高頻段的輸出，以保證電機(jī)在額定轉(zhuǎn)矩和額定功率下可以控制擺動(dòng)閥在井下實(shí)現(xiàn)高頻快速的擺動(dòng)，產(chǎn)生穩(wěn)定高載波頻率下的泥漿脈沖壓力波形，實(shí)現(xiàn)高頻載波的目的。

c.基于動(dòng)力平衡方程和水循環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析脈沖器負(fù)載特性的方法更具有真實(shí)性和可靠性，克服了以往通過模型仿真分析的方法研究脈沖器負(fù)載轉(zhuǎn)矩的局限，同時(shí)也可以用于檢驗(yàn)所建立脈沖器仿真模型的準(zhǔn)確性。為指導(dǎo)脈沖器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和電機(jī)的選型提供了進(jìn)一步的數(shù)據(jù)指導(dǎo)，該方法后續(xù)可應(yīng)用于不同尺寸和不同規(guī)格型號(hào)的脈沖器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和電機(jī)選型上。