超大口徑轉盤轉矩傳感器彈性元件設計*

邵 軍， 楊 瑋， 王德偉

(1.西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065；2.中國石油遼河油田公司錦州采油廠，遼寧 錦州 121209)

0 引 言

轉盤轉矩是反映鉆井過程中鉆具工作狀態的重要參數，根據轉盤轉矩變化情況，可以較早地判別鉆頭工作狀況、分析鉆頭鉆遇地層的地質狀況、預測鉆井設備可能的異常，有效地預防各種鉆井事故的發生[1]。近年來，先后出現了多種轉盤轉矩測試方法。劉明德[2]利用磁鐵接近開關測量轉盤轉矩；趙荔等人[3]利用應變片測量轉盤轉矩；李峰等人[4]將斜齒牙嵌離合器和應變載荷傳感器結合形成轉矩傳感器。由以上文獻可知，選擇適當的彈性元件，通過轉換元件，可以實現轉盤轉矩測試。

輪輻式彈性元件在轉矩傳感器中應用較多。樊星等人[5]采用雙月牙弧形狀輻條的輪輻對轉矩測量；張燕君等人[6]設計了雙凹槽形輻條可調量程的輪輻轉矩傳感器；唐敏等人[7，8]將傳統輪輻與聯軸器結合設計了聯軸式輪輻轉矩傳感器。由以上文獻可知，輪輻式彈性元件不僅測量精度高而且通用性強。

隨著鉆井深度的增加，轉盤結構發生變化，以往的轉矩傳感器不再適用于超大口徑轉盤轉矩的測試，因此，本文根據直徑75.5in(1 in=2.54 cm)轉盤的結構，選用輪輻式彈性元件，進行轉矩測量。本文對不同形狀輻條的輪輻傳感性能進行對比，在此基礎上，設計了工字形輻條的輪輻式轉矩傳感器用于超大口徑轉盤轉矩測試。

1 超大口徑轉盤轉矩傳感器設計

1.1 傳感器工作原理

按照超大口徑轉盤的傳動路線，轉矩傳感器的安裝位置如圖1所示。

圖1 傳感器安裝示意

工作時，動力經轉矩傳感器傳遞到驅動軸上，實現轉盤轉矩輸出。轉矩傳感器的具體結構如圖2(a)所示。主要由內輪轂、外輪轂、4根輻條和轉換元件組成，相鄰輻條呈90°分布，轉換元件布置在輻條上。

圖2 輪輻聯軸式轉矩傳感器

1.2 傳感器模型

以輻條作為研究對象。設輪輻受到的轉矩為Tf，輻條的受力情況如圖2(b)所示，則輻條在受力截面上任意一點的正應力和應變分別為[5,6]

(1)

(2)

式中l,b,h分別為輻條的長、寬、高，m；x為內輪轂外徑到受力截面的距離，m；dn為內輪轂外徑，m；E為彈性模量，Pa。

由式(2)可以看出，當轉矩Tf一定時，彈性元件的應變主要由其材料性能和結構尺寸決定。因此，要提高傳感器靈敏度，可從彈性元件結構入手。

1.3 輻條結構設計

現有輪輻式轉矩傳感器的輻條結構主要有傳統矩形、雙月牙弧形、雙凹槽形等，本文設計了一種工字形輻條，所有輻條如圖3所示。

圖3 不同形狀輻條的尺寸示意

由輪輻式結構的傳感器模型可以推導出四種不同形狀輻條結構的傳感靈敏度特性如式(3)～式(6)所示。

傳統矩形輻條靈敏度為

(3)

雙月牙弧形輻條靈敏度為

(4)

雙凹槽形輻條靈敏度為

(5)

工字形輻條靈敏度為

(6)

2 靜力學仿真

為了對比各輻條的性能，保證各輪輻結構公共尺寸相同，固定外輪轂，對內輪轂施加轉矩。因超大口徑轉盤結構較大，考慮實驗條件限制，在保證應變相同的前提下，縮小轉矩傳感器結構，相應的轉矩量程為10 N·m。以最大應變為目標，使用Workbench進行尺寸優化，得出各輪輻結構優化后的應變應力云圖如圖4和圖5所示。

圖4 不同輻條的輪輻結構應變云圖

圖5 不同輻條的輪輻結構應力云圖

將不同形狀輻條最大應力應變進行對比，如表1所示。

表1 應力應變對比

由表1可以看出，相同載荷作用下，雙凹槽形輻條和工字形輻條產生的最大應變相差不大，但明顯高于其他兩種輻條。結合應力云圖可以發現，雙凹槽形輻條最大應變發生在兩凹槽中間處，屬于形狀急劇變化部位，容易發生應力集中。相比較而言，工字形輻條應力變化更平緩，有利于轉換元件的布置。

3 驗證與結果分析實驗

3.1 實驗裝置

轉矩測量系統的實驗裝置如圖6所示，主要由虎鉗、WSMC1—X型無線應變模塊、臺架、4種不同輻條形狀輪輻試件、扭力扳手、應變片和砝碼組成。

圖6 實驗裝置

3.2 實驗內容

1)測量點位置：由有限元結果可知，變形主要集中在輻條與內輪轂連接位置，將測量點設置在輻條左右兩側距離內輪轂3 mm的位置。在每個試件的8個測量點粘貼應變片，應變片采用差動全橋方式連接。

2)溫度補償：實驗時，選用兩個試件連接兩個通道，一個試件施加載荷用于測量，另一個試件處于空載狀態進行溫度補償。

3)實驗測試：設置應變模塊的采樣頻率為500 S/s，信號輸入方式為全橋四線制。設定量程為10 N·m，以0.5 N·m為步長增加，進行正反行程，循環4次實驗。

3.3 實驗結果分析

4種試件應變隨轉矩變化關系如圖7所示，可以看出，不同輻條的輪輻傳感器應變隨轉矩變化基本呈線性關系，其中工字形輻條的應變高于其余三種輻條。

圖7 應變隨轉矩變化關系

擬合得出四種傳感器線性方程分別為：傳統矩形輻條y=107.622 1x-13.925 9；月牙弧形輻條y=142.329 2x-25.949 7；雙凹槽形輻條y=125.239 9x-20.681 8；工字形輻條y=157.816 2x-34.515 7。四種輻條在理論模型、有限元仿真以及實驗三種情況下的靈敏度如表2所示。

表2 不同情況下的靈敏度 (10-6/(N·m))

從實驗靈敏度可以看出，四種傳感器中靈敏度最高的是工字形輪輻傳感器，其靈敏度較傳統矩形輪輻傳感器提高了47 %，較雙凹槽形提高了26 %，較月牙弧形提高了11 %。

從不同情況下靈敏度的對比可以看出，理論模型與實驗的計算結果一致，都是工字形輪輻的靈敏度高于其余三種輪輻。而在有限元仿真中，雙凹槽形輪輻的靈敏度最大，與理論和實驗結果不同，其原因主要是：有限元結果是粘貼應變片中心的某一個節點的應變值；實驗測量結果是粘貼應變片所在區域的應變；理論計算結果是受力截面的應變近似值，三者存在誤差。

4 結 論

本文設計了一種用于超大口徑轉盤轉矩測試的工字形輻條輪輻式轉矩傳感器。建立了不同形狀輻條轉矩傳感器的理論傳感模型。對不同輪輻傳感器優化后的結構進行仿真和實驗，得出工字形輪輻傳感器的靈敏度較傳統矩形提高了47 %，較雙凹槽形提高了26 %，較月牙弧形提高了11 %，能滿足超大口徑轉盤轉矩測量。