海洋平臺升降系統轉矩傳感器標定方法

朱正都，程文池，陳佳俊

海洋平臺升降系統轉矩傳感器標定方法

朱正都，程文池，陳佳俊

介紹自升式海洋平臺的升降系統及轉矩監測系統，針對大噸位爬升小齒輪中傳感器批量標定裝置復雜昂貴的問題，設計出一種新的標定方法，利用ABS船級社型式試驗工裝進行標定，介紹新型標定方法的原理，并應用于電動齒輪齒條升降系統項目。

升降系統；傳感器；海洋平臺；電動齒輪齒條

為滿足海洋油氣開發需求，石油公司需要裝備相當數量的自升式鉆井平臺，而這一領域任為國外所壟斷。為滿足國內平臺配套需求，國內許多企業紛紛進行研發，力圖開發出具有自主知識產權的齒輪齒條升降及鎖緊系統，而鉆井平臺核心技術為電動齒輪齒條式升降系統。鉆井平臺核心技術是電動齒輪齒條式升降系統，其輸出爬升小齒輪的承載能力直接關系到整個平臺的升降能力，其轉矩的實時監控成為平臺的必要保障。

為此，圍繞自升式鉆井平臺齒輪齒條式升降系統，針對升降系統的特殊結構，結合正在調試的電動齒輪齒條升降系統對爬升小齒輪的轉矩標定進行設計分析，每一批爬升齒輪箱都會整體有一個型式試驗，其載荷為預壓載的1.5倍，只要測量出爬升齒輪箱的效率，就可以間接標定爬升小齒輪。本標定方法的一個最大好處就是標定的時候可以借用齒輪箱廠家型式試驗的標定試驗臺架，避免單獨進行轉矩試驗臺架的設計制造。

1 升降系統及載荷監測簡介

目前使用較多的自升式平臺的升降系統可以分為齒輪齒條式和液壓插銷式。由于齒輪齒條式升降系統具有升降速度快、故障率小、易對井位和操作簡單等優點，普遍得到新造海洋平臺的應用。選擇的自升式海洋平臺基本結構見圖1[1]。

安裝架箱體是傳動箱的結構支撐部件，3個傳動單元都安裝在箱體上，3個傳動單元在箱體上均勻布置，傳動單元的2個輸出齒輪(與齒條嚙合齒輪)對稱布置，分別與安裝架箱體通過法蘭螺栓連接。整個升降系統最終的載荷集中在爬升小齒輪和齒條上，爬升小齒輪上安裝轉矩傳感器可以準確實時的監測出整個升降系統的載荷分布情況[3]。轉矩傳感器的精度直接決定著整個升降系統的安全性和可靠性，由此可見，大轉矩大噸位轉矩傳感器的標定的重要性。

由于齒輪箱的結構型式決定了轉矩傳感器必須安裝到齒輪箱爬升小齒輪內的中心孔內才能進行標定，若用行內常規標定方法，需將齒輪軸拆卸出來，制作大噸位試驗臺(目前國內沒有超過120萬N·m的)和專業工裝方可進行標定，成本及工時耗費難以滿足工程項目需求。因此，提出一種新型標定方法。

2 轉矩傳感器標定方法

如圖2所示，試驗中通過轉矩杠桿提供爬升小齒輪主動力，整個標定過程為靜態標定，齒輪箱無需轉動。

設定惰輪效率為η1，齒輪箱效率為η2。通過輸入轉矩杠桿某一轉矩值，轉矩傳感器M1上顯示的數值為T1，此時測量出轉矩傳感順M2上的數值為T2。此時，有：

(1)

式中：η1及η2為未知數。

將計算出來的T小齒輪1及T小齒輪2對2個齒輪箱的小齒輪進行轉矩標定[2]。此時小齒輪1和小齒輪2有轉矩顯示。

實際項目布置(見圖4)，在轉矩傳感器后端用了傳動比為10的小齒輪箱，以便加載和固定。加載時采用砝碼加載達到需求值附近(見圖5)，通小型轉矩傳感器讀出數值。

如表1中記錄試驗數值顯示，通過項目進行試驗驗證，轉矩傳感器的批量精度可以保證在3%以內，滿足海洋平臺升降系統使用要求[5]。

4 結論

1)本標定方法對同一批次或者相同結構的齒輪箱標定時，可用迭代得出的效率進行批量標定，并且所得出試驗數據表明轉矩可達到工程應用3%的要求。

2)本標定方法有效地利用海洋平臺升降系統齒輪箱的型式試驗臺(船級社規定)進行標定，達到與同行業標定[5]相同誤差等級，進而避免了常規標定方法復雜龐大工裝的設計制造。

3)針對大噸位爬升小齒輪中傳感器批量標定，通過試驗數據測量齒輪箱效率，并根據實際項目給出了標定后驗證結果，可為國內制作海工平臺升降系統轉矩傳感器的標定提供經濟、新穎的解決方案。

表1 轉矩標定組件數據記錄(北京世通科創技術有限公司)

注：1#及2#齒輪箱是相對的，每2個齒輪箱一起標定。

[1] 朱正都.自升式海洋平臺電動升降系統傳動設計研究[J].海洋工程裝備，2003(11)：64-67.

[2] 黃波,朱正都,毛炳坤.自升式平臺升降系統小齒輪載荷監測與均衡化技術研究[J].船舶與海工,2015(5)：54-56.

[3] 孫永泰.自升式海洋平臺齒輪齒條升降系統的研究[J].石油機械,2004(10)：23-26.

[4] 萬德安,章陽寧.一種新型轉矩傳感器的研制[J].傳感器技術，2003，22(11).

[5] 王超,高學仕,盛利民.井底鉆壓轉矩傳感器標定系統的設計研究[D].中國石油大學，2010.

(武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

Calibrating Method of the Torque Sensor for Jacking System on Jack-ups

ZHU Zheng-du, CHENG Wen-chi, CHEN Jia-jun

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

The jacking system and torque sensor of jack-ups was expatiated. For large tonnage climb pinion sensor, the calibration device was complicated and expensive, a new way for calibration was set forth by using classification society type test equipment to calibrate. The principle of the calibration method was elaborated. The method has been applied successfully in an actual electric jacking system project.

jacking system; torque sensor; calibration method; electric-driven pinion and rack

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.029

2016-07-14

工業和信息化部項目(工信部聯裝[2014]508號)

朱正都(1986—)，男，碩士，工程師研究方向:海洋平臺升降系統

U674.38

A

1671-7953(2017)01-0119-03

修回日期：2016-09-18