剪切閥泥漿脈沖器扭桿標(biāo)定裝置研制

鮑東升 郭心宇 曲漢武

（中海油田服務(wù)股份有限公司，三河 065201）

剪切閥泥漿脈沖發(fā)生器擺動(dòng)頻率高，調(diào)制方式豐富，傳輸速率在20 b·s-1以上。它的關(guān)鍵部件主要包括定子和轉(zhuǎn)子。扭桿的一端連接轉(zhuǎn)子，另一端連接驅(qū)動(dòng)泥漿脈沖發(fā)生器的電機(jī)。工作時(shí)，轉(zhuǎn)子在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下做一定角度的往復(fù)擺動(dòng)，有規(guī)律地剪切流體產(chǎn)生脈沖壓力信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)鉆桿傳輸?shù)降孛媪⒐苌希瑪?shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集立管上壓力傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)解調(diào)系統(tǒng)解碼井下的壓力信號(hào)，從而獲得地層信息與工程參數(shù)[1-3]。

剪切閥泥漿脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)和制作時(shí)，充分考慮了水力轉(zhuǎn)矩對(duì)泥漿脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)子的關(guān)閉趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了扭簧扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，有效降低了脈沖發(fā)生器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩及功率的需求，簡(jiǎn)化了脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)。扭簧設(shè)計(jì)時(shí)，不同扭轉(zhuǎn)角度和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值之間有一個(gè)理論計(jì)算值。考慮到這個(gè)理論計(jì)算值的準(zhǔn)確性，加工過(guò)程的誤差對(duì)這種對(duì)應(yīng)關(guān)系產(chǎn)生的影響，所用材料可能造成的誤差以及影響實(shí)際轉(zhuǎn)矩的其他因素，脈沖發(fā)生器進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)或者井場(chǎng)鉆進(jìn)時(shí)需要進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)和標(biāo)定，以便控制系統(tǒng)調(diào)整控制參數(shù)。由于扭簧扭轉(zhuǎn)裝置的剛度系數(shù)與電機(jī)瞬時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，為了能更精確地控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與扭簧扭轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)矩匹配，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩常數(shù)的標(biāo)定。為此，設(shè)計(jì)了一套扭桿標(biāo)定裝置，對(duì)脈沖器扭簧和電機(jī)進(jìn)行檢驗(yàn)和標(biāo)定。

1 扭桿標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

剪切閥泥漿脈沖發(fā)生器扭桿標(biāo)定裝置主要由扭矩測(cè)試儀和固定臺(tái)架組成[4-5]，如圖1 所示。標(biāo)定的扭桿放入電機(jī)中并由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)由上下V 形板緊固住，扭桿尾端與扭桿測(cè)試儀用聯(lián)軸器連接。由驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子在某個(gè)角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度間隔0.5°，電機(jī)轉(zhuǎn)子與扭桿以相同的角速度運(yùn)動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度由旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和實(shí)際位置由旋轉(zhuǎn)變壓器反饋，按0.5°（可根據(jù)需要調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)角度間隔）驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)扭軸扭轉(zhuǎn)，并記錄扭矩測(cè)試儀顯示的扭矩值。

以扭轉(zhuǎn)角度為橫坐標(biāo)，以扭矩儀顯示的扭矩值為縱坐標(biāo)，繪出扭轉(zhuǎn)角度與測(cè)得扭矩值變化的關(guān)系曲線。在脈沖發(fā)生器中添加的扭桿裝置輸出扭矩是線性變化的。在扭桿長(zhǎng)度一定的情況下得到該直線的斜率，可簡(jiǎn)單理解為扭桿的剛度系數(shù)。

斷開(kāi)聯(lián)軸器，固定脈沖器尾端，驅(qū)動(dòng)電機(jī)利用旋轉(zhuǎn)變壓器反饋的數(shù)值得到扭軸的扭轉(zhuǎn)角度。此時(shí)，利用電機(jī)的q 軸電流，通過(guò)換算關(guān)系也能得出角度與q軸電流轉(zhuǎn)矩之間的變化關(guān)系曲線。

2 電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)的計(jì)算及應(yīng)用

以三相星形連接的永磁同步電機(jī)為例，根據(jù)矢量控制和坐標(biāo)變換基本原理，可知電機(jī)d、q 軸電流和a、b、c 三相電流之間滿足以下關(guān)系：

對(duì)于三相星形連接的永磁同步電機(jī)，三相電流滿足以下關(guān)系（即c 相能用a、b 相求得）：

由于本電機(jī)系統(tǒng)采用id=0 矢量控制，因此電機(jī)的q 軸電流與三相電流關(guān)系滿足：

q 軸電流乘以一個(gè)系數(shù)可得轉(zhuǎn)矩，這個(gè)系數(shù)即為電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

通過(guò)扭桿標(biāo)定裝置可以測(cè)得電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)。在循環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到三相電流，進(jìn)而可輸出轉(zhuǎn)矩值。通過(guò)轉(zhuǎn)矩能進(jìn)行脈沖發(fā)生器工作時(shí)的準(zhǔn)確功率評(píng)估，既便于井下中央控制系統(tǒng)對(duì)井下儀器的供電進(jìn)行管理，對(duì)井下儀器供電進(jìn)行有效分配，又能夠通過(guò)比較水力關(guān)閉趨勢(shì)轉(zhuǎn)矩和扭簧轉(zhuǎn)矩獲知電機(jī)控制的可靠性。

3 標(biāo)定流程

步驟1：將電機(jī)非輸出端用聯(lián)軸器連接到具有扭簧扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的標(biāo)定裝置上，如圖2 所示，即利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)在所述扭簧扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作角度內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，監(jiān)測(cè)并記錄所述電機(jī)的三相電流值；

步驟2：按一定的角度間隔驅(qū)動(dòng)電機(jī)并進(jìn)行位置停留，記錄電機(jī)上旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度，記錄所述標(biāo)定裝置上顯示儀的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值，記錄三相電流值；

步驟3：在到達(dá)扭簧扭轉(zhuǎn)角度后，利用電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)在回程的同樣位置停留，再次記錄旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度，標(biāo)定裝置上顯示儀的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值和三相電流值；

步驟4：根據(jù)步驟2 和步驟3 繪制扭轉(zhuǎn)角度/轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線，如圖3 所示；

步驟5：根據(jù)步驟2 和步驟3 計(jì)算q 軸電流；

步驟6：根據(jù)步驟2 和步驟5 繪制扭轉(zhuǎn)角度/q 軸電流曲線；

步驟7：擬合步驟4 和步驟6 的曲線計(jì)算電流/轉(zhuǎn)矩常數(shù)，如圖4 所示；

步驟8：重復(fù)步驟2 至步驟7，計(jì)算取平均值后的電流/轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

4 驗(yàn)證及結(jié)論

在深入了解扭桿標(biāo)定裝置的結(jié)構(gòu)與功能后，針對(duì)不同的設(shè)計(jì)制造方案反復(fù)進(jìn)行比較，最終加工組裝，形成一套如圖5 所示的扭桿標(biāo)定裝置。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)測(cè)，該裝置能夠準(zhǔn)確檢驗(yàn)和標(biāo)定扭簧，對(duì)批量生產(chǎn)的來(lái)料檢驗(yàn)提供了便利，也可以準(zhǔn)確測(cè)得電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)，能夠評(píng)估脈沖發(fā)生器工作時(shí)的準(zhǔn)確功率，對(duì)井下儀器的供電管理和檢驗(yàn)電機(jī)的可靠性具有重要意義。