井下工具拆裝架主鉗轉(zhuǎn)矩測量方法及誤差分析

章發(fā)明，溫平，杜青忠，王東

（1.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070；2.蘭州市第三中學，蘭州 730030；3.吉林途興石油機械有限公司，長春 130014）①

轉(zhuǎn)矩是影響井下工具螺紋上緊質(zhì)量的重要參數(shù)［1－2］。目前，國內(nèi)使用的井下工具液壓拆裝架有國外生產(chǎn)的，也有經(jīng)過結(jié)構(gòu)改進的國內(nèi)產(chǎn)品。主鉗有力臂式和齒輪齒條式2種。力臂式主鉗鉗口呈閉式圓形，沿圓周均布6只夾持液缸，工作時各液缸活塞桿夾持頭伸出，夾持穿過鉗口的井下工具。主鉗上對稱布置的2只擰扣液缸的活塞桿推拉傳力桿，實現(xiàn)上卸扣［2］。該種結(jié)構(gòu)使得力臂的長度隨液壓缸轉(zhuǎn)角而變化，由于沒有測量液壓缸轉(zhuǎn)角，而是取力臂為定值，通過實測液壓力來計算轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)矩的測量誤差較大。主鉗前端安裝的旋扣器采用摩擦輪傳遞轉(zhuǎn)矩［3］，采用間接方法測量轉(zhuǎn)矩，誤差大，且沒有測量轉(zhuǎn)速。齒輪齒條式主鉗是一種新結(jié)構(gòu)，由擰扣液缸推拉齒條，齒條帶動擰扣大齒輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。該結(jié)構(gòu)便于實時測量主鉗的轉(zhuǎn)矩，測量精度高，控制簡單。旋扣是通過齒式離合器及齒輪傳動實現(xiàn)，便于測量轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。本文主要分析2種結(jié)構(gòu)主鉗轉(zhuǎn)矩的測量方法及由力臂變化產(chǎn)生的誤差，不涉及測量儀表、數(shù)據(jù)采集和處理單元等誤差。

1 力臂式主鉗

1.1 結(jié)構(gòu)

力臂式主鉗主要由主鉗架、鉗口夾持裝置、擰扣液缸、傳力桿等組成，如圖1。井下工具被傳送入鉗口夾持裝置后，夾持液缸夾緊工具，擰扣液缸活塞桿推拉傳力桿，帶動鉗口夾持裝置轉(zhuǎn)動，完成擰卸扣工作。擰扣液缸缸體通過銷軸連接在主鉗架兩邊的側(cè)板上，液缸活塞桿伸出或縮回的過程中，迫使擰扣液缸缸體圍繞連接銷軸轉(zhuǎn)動。鉗口夾持裝置旋轉(zhuǎn)角度β的變化，引起擰扣液缸活塞桿與傳力桿的夾角α的變化，造成擰扣力臂的長度變化，擰卸扣轉(zhuǎn)矩隨之發(fā)生變化。

圖1 力臂式主鉗結(jié)構(gòu)

1.2 理論轉(zhuǎn)矩計算

主鉗的幾何尺寸及受力簡化如圖2所示：A 點為鉗口夾持裝置中心；B 點為擰扣液缸缸體連接銷軸中心；C 點為擰扣液缸活塞桿與傳力桿連接軸中心；E 點為C 點的初始位置，此時兩桿垂直。β為鉗口夾持裝置轉(zhuǎn)過的角度；F為擰扣力。α為AC 直線與BC 直線的夾角。過A 點做BC的垂線，垂足為D 點，AD 線的長度即等于擰扣力臂長度。主鉗轉(zhuǎn)矩由擰扣力和擰扣力臂決定，擰扣力可通過安裝在擰扣液缸活塞桿上的傳感器實時測量，擰扣力臂長度可通過計算得到（計算公式中的AD 表示線段長度，即A 點到D 點的直線長度。其他線段的長度用同樣方式表示，不再敘述）。

圖2 主鉗幾何尺寸及受力分析

擰扣時，鉗口夾持裝置轉(zhuǎn)過β角，擰扣力臂長度AD 計算式為

主鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸確定后，圖2中AB、AC 和BE 長度是定值。需計算sinα的表達式。

在三角形ABC 中，由正弦定理得

在三角形ABC 中，根據(jù)余弦定理得

而∠BAC＝β＋∠BAE。

由式（1）～（3）化簡得

則力臂式主鉗擰扣轉(zhuǎn)矩為

將式（4）代入式（5）得：

擰扣轉(zhuǎn)矩M 是擰扣液缸力F 和鉗口夾持裝置轉(zhuǎn)動角β的函數(shù)，F(xiàn)值確定后M 隨轉(zhuǎn)角β的變化而變化。

1.3 實際轉(zhuǎn)矩測量

在力臂式主鉗結(jié)構(gòu)中，由于角度傳感器難以安裝，鉗口夾持裝置轉(zhuǎn)動角β值不可測量。在實際工作中，力臂式液壓拆裝架主鉗的擰扣轉(zhuǎn)矩M1是通過測量擰扣液缸壓力，由式（6）計算得

式中：S為擰扣液缸的實際承壓面積（鉗口夾持裝置順時針旋轉(zhuǎn)時，S 等于液缸活塞面積；鉗口夾持裝置逆時針旋轉(zhuǎn)時，S 等于液缸活塞面積與活塞桿面積之差），m3；p為擰扣液缸壓力，MPa；AC為圖2中A 點到C 點的直線長度，m。

1.4 轉(zhuǎn)矩測量誤差分析

由于在轉(zhuǎn)矩測量中沒有考慮轉(zhuǎn)角變化對力臂的影響，測量所得轉(zhuǎn)矩值與實際值存在較大誤差。以天津立林公司的Ⅱ型液壓拆裝架為例，對應(yīng)圖2中的幾何尺寸為：AC＝AE＝0.75 m，AB＝0.76 m，BE＝0.125 m。當鉗口夾持裝置轉(zhuǎn)動角β分別為10°、20°、30°、40°時［3］，假設(shè)在各種轉(zhuǎn)角時擰扣液缸推、拉力相同，分別為F1、F2、F3、F4；利用式（5）～（6）計算理論轉(zhuǎn)矩與實際轉(zhuǎn)矩的相對誤差，如表1。鉗口夾持裝置轉(zhuǎn)動角度越大，由于擰扣力臂長度誤差，引起擰扣轉(zhuǎn)矩的相對誤差也越大，相對誤差最大可達到10.3%。

表1 力臂式主鉗擰卸扣轉(zhuǎn)矩的測量誤差

2 齒輪齒條式主鉗

2.1 結(jié)構(gòu)

齒輪齒條式主鉗主要由擰扣液缸、齒條、導向桿、鉗口夾持裝置等組成，如圖3。擰扣大齒輪、旋扣齒輪和鉗口夾持裝置套裝在1個筒式傳動軸上，2只擰扣液缸對稱布置。擰扣液缸的活塞桿與齒條相連，齒條與擰扣大齒輪嚙合，液缸推拉齒條帶動擰扣大齒輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩［4］。擰卸扣時，掛合液缸推動齒式離合器，使筒式傳動軸與擰扣大齒輪連接，同時脫開旋扣齒輪。需要旋扣時，掛合液缸拉動齒式離合器，使筒式傳動軸與旋扣齒輪連接，同時脫開擰扣大齒輪與筒式傳動軸的連接。

2.2 轉(zhuǎn)矩測量

擰扣液缸活塞桿上安裝拉、壓力傳感器，可實時測量拉、壓力值。擰扣大齒輪的節(jié)圓半徑是轉(zhuǎn)矩力臂，其長度是常量。主鉗的轉(zhuǎn)矩M2為

式中：F5、F6為2只擰扣液缸活塞桿上力傳感器的測量值，N；R為擰扣大齒輪的節(jié)圓半徑，m。

由式（7）可知，M2的測量誤差僅與F5、F6的測量誤差有關(guān)，與R 無關(guān)，因此測量精度高。

擰卸扣轉(zhuǎn)矩可以連續(xù)測量，即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。通過液壓拆裝架測控系統(tǒng)實時采集測量擰扣液缸活塞桿上拉、壓力傳感器值，反饋到控制液壓系統(tǒng)中擰扣液缸液壓管路上安裝的高精度比例溢流閥來調(diào)節(jié)壓力，達到控制液缸力，形成轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制回路［5］。根據(jù)需要可在測控系統(tǒng)的控制計算機上設(shè)定工具要求的擰卸扣轉(zhuǎn)矩值，拆裝架的擰卸扣扭矩達到要求值時，將自動停止。

圖3 齒輪齒條式液壓拆裝架主鉗結(jié)構(gòu)

3 旋扣轉(zhuǎn)矩

力臂式液壓拆裝架主鉗和齒輪齒條式液壓拆裝架主鉗的主要功能是滿足擰扣時的緊扣和卸扣時的繃扣要求。為提高工作效率都配備了旋扣器，旋扣器結(jié)構(gòu)不同，旋扣轉(zhuǎn)矩測量方法也有所不同。

3.1 力臂式主鉗旋扣

力臂式主鉗前端安裝有1臺旋扣器，利用旋扣器兩邊夾口軸上安裝的2只旋扣液馬達提供動力，旋扣液馬達輸出軸上的齒輪帶動旋扣器夾口中的2只被動齒輪［6］。被動齒輪軸上裝有摩擦輪，4個摩擦輪同步旋轉(zhuǎn)。當液缸推動旋扣器夾口夾緊工具時，摩擦力帶動夾口中的井下工具旋扣（如圖4）。該結(jié)構(gòu)是通過液壓力計算輸出旋扣液馬達的轉(zhuǎn)矩，再根據(jù)井下工具外圓尺寸、摩擦因數(shù)等參數(shù)，粗略計算得出旋扣轉(zhuǎn)矩。由于采用間接測量方法，誤差大，且不能測量旋扣轉(zhuǎn)速。

圖4 力臂式主鉗旋扣器

3.2 齒輪齒條式主鉗旋扣

旋扣時，利用主鉗上的掛合液缸推動齒式離合器，脫開擰扣大齒輪與筒式傳動軸的連接，同時掛合筒式傳動軸與旋扣齒輪［7］，如圖3。其傳動鏈為：旋扣液馬達—輸出軸上連接的小齒輪—過渡齒輪—旋扣齒輪—筒式傳動軸—主鉗鉗口夾持裝置—井下工具。旋扣液馬達的輸出軸上安裝了轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，直接測量小齒輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速值，通過計算得出井下工具的旋扣轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速［3］。實現(xiàn)了旋扣轉(zhuǎn)矩的連續(xù)測量和控制。

計算式為

式中：M3為旋扣轉(zhuǎn)矩，N·m；n為旋扣轉(zhuǎn)速，r／min；M0為轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)矩值，N·m；i為齒輪傳動比；N為轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速值，r／min。

4 結(jié)論

1）齒輪齒條式主鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎，可測量和控制擰卸扣轉(zhuǎn)矩、旋扣轉(zhuǎn)矩和旋扣轉(zhuǎn)速，測量精度高。測控系統(tǒng)通過旋扣轉(zhuǎn)速的測量，擰扣液缸動作次數(shù)的統(tǒng)計，可實現(xiàn)旋扣圈數(shù)準確計量。

2）目前已為長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院設(shè)計、生產(chǎn)了1臺齒輪齒條式主鉗液壓拆裝架，轉(zhuǎn)矩測量、控制穩(wěn)定，自動化程度高，使用效果良好。

3）應(yīng)提高動密封處的加工精度，選用優(yōu)質(zhì)可靠的密封件，提高設(shè)備的整體可靠性。

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