淺談寬幅葉導輪壓緊扭矩采集系統設計

楊 璐，黃新春，張光一，杜丹陽，李令喜

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

0 引言

在我國海上油田85%的機采井依靠潛油電泵舉升，其產量貢獻達到90%以上。由于常規電泵機組推薦的運轉高效區較窄，而油田油藏地質不確定性，導致油井實際產能產前預測不準，電泵往往不能工作在其高效區內，長期偏離高效區的運行，將造成葉輪及止推墊片嚴重偏磨，影響電泵效率，大大降低運行壽命[1]。此外，常規電泵不滿足油井后期產能變化需要，需要進行換泵作業，造成生產時效降低、作業費用和產油損失。

針對這些問題，設計開發寬幅潛油電泵產品，應用效果良好。目前葉導輪壓緊工藝采用人工壓緊方式，存在費時、費力、易粘扣等問題，為大規模生產，進一步推廣、擴大應用，需要機械化替代手工操作，開發專用壓緊設備及工裝，制定不同型號、級數葉導輪的壓緊力矩標準化作業規程文件，簡化操作提高可靠性。因此急需設計開發扭矩采集系統，通過對寬幅葉導輪的壓緊力矩進行測試采集數據，分析其變化規律，以確定寬幅葉導輪標準壓緊力矩，為機械化壓緊葉導輪提供技術支持。

1 壓緊工藝技術分析

寬幅泵裝配工藝中是將葉導輪壓緊裝配。采用的方法是依靠人工旋轉上泵頭，通過上泵頭擠壓葉導輪，達到壓緊的目的，壓緊工藝如圖1 所示。

圖1 壓緊工藝

目前存在的問題為：在壓緊過程中，人工壓緊無法保證完全均勻的加力，容易粘扣，也不可避免的會出現導殼受力不均勻的情況；此外只能通過作業工人的經驗進行壓緊，但是寬幅泵少則幾十級多則幾百級，而且不同型號的葉導輪壓縮量也不同，壓緊扭矩難以控制和監測，扭矩過大或未達到預設壓緊量狀態時，葉導輪的性能都將受到影響。

2 扭矩采集系統功能

針對以上背景，設計開發的扭矩采集系統具有以下功能：

（1）可針對不同寬幅葉導輪型號、級數，測量單級壓縮量、總壓縮量、扭矩等參數，實時記錄并處理檢測的扭矩數據，生成報表。

（2）可判定粘扣及遇阻等特殊工況并及時給予報警聲光警示。

（3）當達到預定壓縮量可自動判斷完成葉導輪壓緊工作，并通過聲光提示制動，從而通過手動或自動方式控制氣源的啟動、停止及調節。

3 扭矩采集系統結構設計

扭矩采集系統主要包括扭矩傳動和測量控制兩個部分，由控制柜、扭矩傳感器（弾性軸、應變片）、PLC 電控箱、氣動壓緊機、氣體調壓閥、連接接頭、聲光報警器、聯軸器和工裝臺等組成（圖2）。

圖2 扭矩采集系統

扭矩采集系統工作過程及原理如下：

（1）系統通過外接氣源為氣動壓緊機提供動力，氣動壓緊機與氣源間設有氣體調壓閥和過濾器，通過氣體調壓閥調節動力源大小來控制氣動壓緊機的輸出扭矩。

（2）扭轉傳感器由弾性軸與應變片組成，采用應變片電測技術，在彈性軸上組成應變橋，向應變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。將該應變信號放大后，經過壓/頻轉換，變成與扭應變成正比的頻率信號，扭矩傳感器原理如圖3 所示，輸送給控制柜進行數據采集，實現實時檢測輸出扭矩的大小。

圖3 扭矩傳感器原理

此輸出扭矩即壓緊力矩，其可等效成軸向力，也就是葉導輪壓緊作業時的壓緊力。

根據機械原理推導螺栓擰緊力矩與軸向力的關系式（1）如下：

式中 M——擰緊力矩，N·m

P——螺栓軸向力，N

d2——螺紋中徑，mm

λ——螺紋升角，°

f——螺母與被連接面之間的摩擦系數

ρ——螺旋副的當量摩擦角，°

R——螺母承力面外半徑，mm

r——螺母承力面內半徑，mm

經過簡化可得螺栓擰緊力矩與軸向力的簡化式（2）如下：

式中 d——公稱直徑，mm

k——螺栓擰緊力矩系數

轉速測量如圖4 所示，通過光耦合及相應的處理電路，將轉速信號轉換成脈沖信號，輸送給控制柜進行數據采集。旋轉設備每轉動一圈輸出60 個脈沖。

圖4 轉速測量原理

頻率輸出信號電氣特性：當扭矩為0 時，頻率為10 kHz±10 Hz；當負額定扭矩時，頻率為5 kHz±10 Hz；當正額定扭矩時，頻率為15 kHz±10 Hz。扭矩及轉速頻率輸出電氣特性如圖5 所示，扭矩傳感器主要性能見表1。

表1 扭矩傳感器主要性能

圖5 扭矩及轉速頻率輸出電氣特性

（3）扭矩傳動部分包括連接接頭、聯軸器、固定卡套和支架。連接接頭用于對接寬幅泵和扭矩采集系統；聯軸器用于氣動壓緊機和扭矩傳感器、扭矩傳感器和連接接頭間的連接與扭矩傳輸。

（4）聲光報警器連接扭矩傳感器，可實時顯示并采集傳感器狀態，通過PLC 遠程上報設備狀態，并可根據設定要求對扭矩突然增大的情況進行聲光報警（黃色為機器啟動未工作狀態、綠色為機器正常工作過程狀態、桔色為扭矩突然增大報警狀態，紅色為完成壓緊或達到預設壓緊量狀態）。

（5）聲光報警器、扭矩傳感器、氣體減壓閥、聲光報警器與PLC 連接，PLC與控制柜連接。

（6）測量控制系統包括控制柜和控制軟件，軟件內可輸入泵系列、葉輪型號、級數、單級壓縮量、總壓縮量、設定扭矩等參數，實時記錄并處理檢測扭矩數據，可輸出“扭矩—壓縮量”曲線，生成報表；可判定粘扣及遇阻等特殊工況并及時給予報警聲光警示，當達到預定壓縮量可自動判斷完成葉導輪壓緊工作，并通過聲光提示制動，從而通過手動或自動方式控制氣源的啟動、停止及調節。

4 結束語

綜合考慮，設計開發的扭矩采集系統，實現對寬幅葉導輪壓緊力矩的實時測試，為研究確定寬幅葉導輪標準壓緊力矩及機械化壓緊葉導輪提供技術支持。