基于機械傳動力解耦的扭矩測量傳感器研制

林亞非

（中石化江漢石油工程有限公司國際合作公司，湖北 武漢 430223）

閆琳

（武漢市元博智能控制技術研究設計院，湖北 武漢 430070）

機械設備的扭矩變化是其運行狀況的重要信息，扭矩測量是各種機械產品開發、質量檢驗、優化控制、工況監測和故障診斷等必不可少的內容。扭矩傳感器是一種測量各種扭矩、轉速及機械功率的精密測量儀器，已廣泛應用于各種機械設備的動力驅動系統設計和智能控制上，其應用范圍十分廣泛。特別是在石油鉆井行業中，鉆機轉盤驅動鉆柱旋轉進給，驅動工作扭矩的變化往往伴隨著眾多的鉆井工況的發生。例如，在鉆頭遇到堅硬巖層和特殊工況時，鉆進力矩過大就有可能造成鉆桿扭斷、鉆頭損傷等事故，因此要對鉆進扭矩進行實時的監測。

目前現有扭矩傳感器主要有電阻應變式、壓磁式、振弦式、光電式和相位差式幾種［1］，其測試原理是將扭矩轉換為扭應力或扭轉角，借助相應傳感器測試這些變化，進而得出測試的扭矩。這些測試類型的傳感器普遍存在的問題為:工業現場抗干擾能力差；穩定性差；電刷等易接觸不良，影響測試精度；傳感器使用壽命較短；動態測試特性較差等［2］。另外，隨著對鉆井安全性要求的進一步提高，目前的測試類型傳感器已經不能滿足現場需求，因此研制高精度、高穩定性及高動態特性的扭矩測試方法已成為當今的重要任務。為解決上述問題，通過分析扭矩傳遞特性，筆者研制了一種基于機械傳動力解耦的扭矩測量傳感器。

1 工作原理

筆者通過采用一對嚙合的端面齒花鍵聯軸器實現測試。工作時，動力經聯軸器、軸和相嚙合的端齒花鍵傳遞，同時負荷扭矩在端齒花鍵齒面產生軸向分力，通過推力球軸承傳給載荷傳感器，傳感器傳出信號經后續電路處理，按一定關系顯示轉盤的工作扭矩值。負荷扭矩與端齒花鍵齒面產生的軸向力學關系如圖1所示。

根據受力情況，可得:

式中:

式中，Q為每齒的切向外力，kN；N為每齒軸向鎖緊力，kN；Ff為齒面間的摩擦力 （為靜摩擦力），kN；D為端齒花鍵外徑，mm；d為端齒花鍵內徑，mm；d＝，mm；Z為端出花鍵齒數；μ為齒

0面間的摩擦系數；αD為端齒花鍵齒形角，（°）；M為負荷扭矩，kN·m。

根據Ff＝μ（Q法＋N法），聯立可得:

式中，N總為所有花鍵齒面產生的軸向力之和。

圖1 解耦力學關系

2 傳感器結構設計

傳感器包括連接軸、聯軸器、端齒盤、壓力傳感器、滾動軸承、推力軸承及角接觸球軸承等，具體視圖如圖2所示。該傳感器按照4000m鉆機進行設計，轉盤型號轉盤箱型號zp275，具體參數為最大扭矩27500N·m，工程事故扭矩為40000N·m，安全系數S＝1.5，機械效率ε＝0.9，最高轉數300r／min，傳動比i＝3.67。在具體設計計算中，考慮到機械效率、安全系數及傳動比，映射到傳感器的設計輸入力矩參數為:

所以對應的傳感器輸入端事故扭矩:

傳感器輸入端最大扭矩:

3 測試

3.1 線性標定試驗

該傳感器的工況為純扭矩作用，因此標定的精度很大程度上取決于所加扭矩的度量精度，因此可采用機械靜態標定方法。采用液壓標定試驗臺作為加力裝置，可以提供穩定的力源，加上與測力壓頭 （標準測力儀）的組合，能很好地度量出所加力矩的大小。標定試驗臺如圖3所示［3］，主要包括固定卡頭、聯軸器、扭矩傳感器、聯軸器及固定平臺等。

對外購的通用型ICP＠環型壓力傳感器進行了線性標定試驗，如圖4所示。由圖4可知，在加載范圍內傳感器呈現了較好的線性度。

3.2 循環加載試驗

下面，筆者通過循環加載試驗，利用工程中常用的最小二乘回歸分析方法進行數學模型的構建。建立載荷矩陣X和對應壓力傳感器輸出電流矩陣Y:

可建立線性回歸方程:

擬合出最終函數關系模型:

建立的分析結果如圖5所示。由圖5可知，結果具有較好的一致性，可以用來進行扭矩的測試。

圖2 傳感器視圖

圖3 扭矩標定試驗臺

3.3 強度分析

該扭矩傳感器中，最重要的是端子花鍵的設計及加工制造，在整體測試過程中其要具有足夠的剛度。為此，筆者利用有限元 （FEM）進行了仿真試驗，用于指導生產。有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的 （較簡單的）近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件 （如結構的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。

圖4 壓力傳感器線性標定試驗

圖5 扭矩傳感器測試方程標定試驗

建立的有限元模型如圖6所示。由圖6可知，假設在實際工作中只有2個齒充分接觸，并且將端齒盤末端固定，限制空間6自由度。按照約束條件彈性模量200GPa，泊松比為0.26，最大旋轉扭矩為10kN·m進行加載模擬，計算結果如圖7所示。由圖7可知，最大應力值為77.7MPa，發生在端子齒的根部，這與實際情況基本相符，因此這種設計初步滿足使用要求。

圖6 有限元模型

圖7 有限元計算結果

4 結語

筆者研制了一種新型的基于機械傳動力解耦的扭矩測量傳感器，經過試驗證明，該測量原理可行。設計的扭矩傳感器具有較好的線性度和一致性，重復精度高，可以滿足現場的使用要求。

［1］欒桂冬，張金鐸，金歡陽 .傳感器及其應用 ［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2002.

［2］李重真 .一種大扭矩軸標定裝置的實驗研究 ［J］.傳感器技術，2001，20（6）:12－14.

［3］樊浩杰，陳坤明，崔磊 .關于大扭矩傳感器檢測系統標定方法的探討 ［J］.計量與測試技術2009，36（3）:26－27.