[发明专利]钻井泵同心度数字化调整系统及调整方法

权利要求书

1.一种基于ZigBee网络的钻井泵同心度数字化调整系统，其特征在于：包括现场操控终端(1)、数据协调终端(2)和数据处理计算机(3)，现场操控终端(1)通过ZigBee无线网络与数据协调终端(2)互联，数据协调终端(2)通过串口通信与数据处理计算机(3)互联。

2.根据权利要求1所述的基于ZigBee网络的钻井泵同心度数字化调整系统，其特征在于：所述的现场操控终端(1)，用于实时、实地完成现场测量数据的输入、显示及无线收发功能，包括数据输入及显示模块(4)、数据处理模块(5)、数据收发模块(6)依次连接而成。

3.根据权利要求1所述的基于ZigBee网络的钻井泵同心度数字化调整系统，其特征在于：所述的数据协调终端(2)是ZigBee无线通信网络的核心，负责建立ZigBee无线网络平台。

4.根据权利要求1所述的基于ZigBee网络的钻井泵同心度数字化调整系统，其特征在于：所述的数据处理计算机(3)用于接收数据协调终端(2)发送来的现场实测数据后，调用内部预置的同心度调整数学模型，计算出垫片(14)的调整数据，再将垫片(14)的调整数据反馈给现场操控终端(1)。

5.一种基于ZigBee网络的钻井泵同心度数字化调整方法，依赖于权利要求1-4所述的基于ZigBee网络的钻井泵同心度数字化调整系统，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1：现场测量并输入钻井泵同心度数据

操作人员现场将十字头(12)依次置于前点及后点位置，分别测量工装杆(7)与前墙板(8)中心孔竖直、水平方向的间隙数值，测量数据均以mm为单位；然后使用现场操控终端(1)的矩阵键盘分别输入前点上下竖直间隙Z_C1，Z_C2，前点左右水平间隙Y_C1、Y_C2，后点上下竖直间隙Z_C3，Z_C4，后点左右水平间隙Y_C3、Y_C4；

步骤2：发送现场实测数据

完成现场实测数据的输入后，操作人员在现场按下现场操控终端(1)上的发送键，现场操控终端(1)自动将所输入的实测数据打包，通过ZigBee无线网络发送至数据协调终端(2)；

步骤3：数据协调终端(2)接收现场实测数据

数据协调终端(2)通过ZigBee无线网络接收现场操控终端(1)发送来的钻井泵同心度实测数据；

步骤4：数据协调终端(2)向数据处理计算机(3)转发现场实测数据

数据协调终端(2)使用串口通信技术，自动将接收到的实测数据转发至数据处理计算机(3)，并等待数据处理计算机(3)的数据反馈；

步骤5：数据处理计算机(3)求解最优垫片调整数据

数据处理计算机(3)接收到数据协调终端(2)发送来的实测数据后，调用预置的钻井泵同心度调整数学模型，求解垫片(14)的最优调整厚度；

步骤6：数据处理计算机(3)将垫片(14)的调整数据反馈给数据协调终端(2)；

步骤7：数据协调终端(2)向现场操控终端(1)发送垫片(14)的调整数据；

步骤8：现场操控终端(1)接收并显示垫片(14)的调整数据；

步骤9：操作人员现场调整各个垫片(14)的厚度

现场操作人员根据现场操控终端(1)显示的垫片(14)的调整数据，依次调整下导板(11)四个支撑点处的垫片(14)厚度，最后拧紧下导板(11)各处固定螺栓，完成钻井泵同心度调整。

6.根据权利要求5所述的基于ZigBee网络的钻井泵同心度数字化调整方法，其特征在于，所述的步骤5中，在数据处理计算机(3)内预设的钻井泵同心度调整数学模型是，

以前墙板(8)中心孔的中心点为原点O，中心孔轴线为X轴，竖直方向为Z轴建立空间直角坐标系，A为十字头(12)位于前点时十字头(12)与工装杆(7)的配合点；Q₁为十字头(12)位于前点时工装杆(7)轴线与前墙板(8)中间面的交点；B为十字头(12)位于后点时十字头(12)与工装杆(7)的配合点；Q₂为十字头(12)位于后点时工装杆(7)轴线与前墙板(8)中间面的交点；E和F分别为下导板(11)的前支撑点、H和G为下导板(11)的后支撑点；C、D、I、J为计算辅助点，

根据现场实测数据，Q₁点的空间坐标为(228.6，(Y_C1-Y_C2)/2,(Z_C1-Z_C2)/2)，Q₂点的空间坐标为(0，(Y_C3-Y_C4)/2,(Z_C3-Z_C4)/2)，设工装杆(7)的轴线方程为：

X=tY=Y0+A1·tZ=Z0+B1·t---(1)]]>

将Q₁、Q₂两点的空间坐标带入式(1)，得到垫片(14)在调整前，工装杆(7)初始轴线方程的各参数值为：

A1=YC4-YC3-YC2+YC1457.2Y0=YC3-YC42B1=ZC4-ZC3-ZC2+ZC1457.2Z0=ZC3-ZC42---(2)]]>

方程组(1)、(2)联立后，将A点坐标(1362.85，Y_A，Z_A)带入，计算得到A点坐标值。图6中，点C为前支撑点E、F连线的中点，令的单位向量为则单位向量P1→=(B1(B12+1)-0.5,0,-(B12+1)-0.5),]]>A点与C点间的距离为L_AC，则C点坐标(X_C,Y_C,Z_C)为：

XC=1362.85+B1·LAC·(B12+1)-0.5YC=YAZC=ZA-LAC·(B12+1)-0.5---(3)]]>

支撑点E、F连线的单位方向向量其中：

PX2=A1B12+1·(B12+1A12+B12+1)0.5PY2=-(B12+1A12+B12+1)0.5PZ2=A1·B1B12+1·(B12+1A12+B12+1)0.5---(4)]]>

设E、F两点的坐标分别为(E_X,E_Y,E_Z)、(F_X,F_Y,F_Z)，中点C到两支撑点E、F间的距离相等均为L₁，根据C点坐标及方程组(4)可得E、F两点的坐标值为：

EX=1362.85+B1·LAC·(B12+1)-0.5+A1·L1B12+1·(B12+1A12+B12+1)0.5EY=YA-L1·(B12+1A12+B12+1)0.5EZ=ZA-LCE·(B12+1)-0.5+A1·B1·L1B12+1·(B12+1A12+B12+1)0.5---(5)]]>

FX=1362.85+B1·LAC·(B12+1)-0.5+A1·L1B12+1·(B12+1A12+B12+1)0.5FY=YA+L1·(B12+1A12+B12+1)0.5FZ=ZA-L1·(B12+1)-0.5-A1·B1·L1B12+1·(B12+1A12+B12+1)0.5---(6)]]>

I点与下导板(11)后支撑点H、G位于同一竖直平面内，将I点与前墙板(8)中心孔间的水平距离L₂带入工装杆(7)初始轴线方程中，计算I点坐标与向量根据E、F点坐标及向量得到下导板(11)后支撑点H、G坐标为：

H=H+AI→G=F+AI→---(7)]]>

完成支撑点E、F、H、G初始空间坐标的计算后，对各支撑点进行调整，即调整前后各处垫片(14)的厚度，当E、F、H处的垫片(14)厚度分别为H_E、H_F、H_H时，调整后的支撑点E、F、H的空间坐标为：

E=(EX,EY,EZ+HE)F=(FX,FY,FZ+HF)H=(HX,HY,HZ+HH)---(8)]]>

则支撑点G处的垫片(14)厚度H_G及G点的空间坐标为：

HG=FZ+HF+HZ+HH-EZ-HE-GZG=F+EH→=(FX+HX-EX,FY+HY-EY,FZ+HF+HZ+HH-EZ-HE)---(9)]]>

令调整后的下导板(11)支撑面的法向单位向量则法向单位向量由下式求得:

(FX-EX)X3+(FY-EY)Y3+(FZ+HF-EZ-HE)Z3=0(HX-EX)X3+(HY-EY)Y3+(HZ+HH-EZ-HE)Z3=0X32+Y32+Y32=1---(10)]]>

十字头(12)位于前点时，工装杆(7)与十字头(12)的配合点A的坐标(A_X,A_Y,A_Z)变为：

AX=EX+FX2+LACX3AY=EY+FY2+LACY3AZ=EZ+FZ+HE+HF2+LACZ3---(11)]]>

下导板(11)下方的垫片(14)调整后，工装杆(7)轴线轨迹发生变化，变化后的工装杆(7)轴线方向与调整后支撑点E、H连线的方向相同，方向向量为：

EH→=(HX-EX,HY-EY,HZ+HH-EZ-HE),---(12)]]>

联立式(11)和式(12)，计算得到垫片(14)调整后工装杆(7)的轴线轨迹为：

X=EX+FX2+LACX3+(HX-EX)tY=EY+FY2+LACY+LACY3+(HY-EY)tZ=EZ+FZ+HE+HF2+LACZ3+(HZ+HH-EZ-HE)t---(13)]]>

设垫片(14)调整后，十字头(12)分别置于前点、后点时，Q1、Q2两点的坐标分别为Q₁＝(228.6,Y_Q1,Z_Q1)、Q₂＝(0,Y_Q2,Z_Q2)；将Q1、Q2带入垫片(14)调整后的工装杆(7)轴线方程(13)中，求解得到Y_Q1、Z_Q1、Y_Q2、Z_Q2；当Y_Q1、Z_Q1、Y_Q2、Z_Q2均小于钻井泵同心度调整允许公差δ时，即满足钻井泵同心度调整的工艺要求，

为寻找最优垫片(14)的组合方式，令P_S为同心度垫片(14)调整评价因子：

P_S＝Y_Q1²+Z_Q1²+Y_Q2²+Z_Q2²，(14)

数据处理计算机(3)按照上述同心度调整步骤，计算下导板(11)各处垫片(14)组合对应的Y_Q1、Z_Q1、Y_Q2、Z_Q2及Ps值，从中优选Y_Q1、Z_Q1、Y_Q2、Z_Q2均小于同心度调整允许公差δ且P_S值为最小值的垫片(14)调整数据，该垫片(14)调整数据即为垫片(14)的最优组合数据。