基于機(jī)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(shù)研究設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430070）

機(jī)械設(shè)備的扭矩變化是其運(yùn)行狀況的重要信息，扭矩測量是各種機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)、質(zhì)量檢驗(yàn)、優(yōu)化控制、工況監(jiān)測和故障診斷等必不可少的內(nèi)容。扭矩傳感器是一種測量各種扭矩、轉(zhuǎn)速及機(jī)械功率的精密測量儀器，已廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備的動力驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)和智能控制上，其應(yīng)用范圍十分廣泛。特別是在石油鉆井行業(yè)中，鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動鉆柱旋轉(zhuǎn)進(jìn)給，驅(qū)動工作扭矩的變化往往伴隨著眾多的鉆井工況的發(fā)生。例如，在鉆頭遇到堅(jiān)硬巖層和特殊工況時(shí)，鉆進(jìn)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(jìn)扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測。

目前現(xiàn)有扭矩傳感器主要有電阻應(yīng)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(zhuǎn)換為扭應(yīng)力或扭轉(zhuǎn)角，借助相應(yīng)傳感器測試這些變化，進(jìn)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(yè)現(xiàn)場抗干擾能力差；穩(wěn)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(tài)測試特性較差等［2］。另外，隨著對鉆井安全性要求的進(jìn)一步提高，目前的測試類型傳感器已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場需求，因此研制高精度、高穩(wěn)定性及高動態(tài)特性的扭矩測試方法已成為當(dāng)今的重要任務(wù)。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(jī)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(lián)軸器實(shí)現(xiàn)測試。工作時(shí)，動力經(jīng)聯(lián)軸器、軸和相嚙合的端齒花鍵傳遞，同時(shí)負(fù)荷扭矩在端齒花鍵齒面產(chǎn)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(jīng)后續(xù)電路處理，按一定關(guān)系顯示轉(zhuǎn)盤的工作扭矩值。負(fù)荷扭矩與端齒花鍵齒面產(chǎn)生的軸向力學(xué)關(guān)系如圖1所示。

根據(jù)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(nèi)徑，mm；d＝，mm；Z為端出花鍵齒數(shù)；μ為齒

0面間的摩擦系數(shù)；αD為端齒花鍵齒形角，（°）；M為負(fù)荷扭矩，kN·m。

根據(jù)Ff＝μ（Q法＋N法），聯(lián)立可得:

式中，N總為所有花鍵齒面產(chǎn)生的軸向力之和。

圖1 解耦力學(xué)關(guān)系

2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器包括連接軸、聯(lián)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(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)盤型號轉(zhuǎn)盤箱型號zp275，具體參數(shù)為最大扭矩27500N·m，工程事故扭矩為40000N·m，安全系數(shù)S＝1.5，機(jī)械效率ε＝0.9，最高轉(zhuǎn)數(shù)300r／min，傳動比i＝3.67。在具體設(shè)計(jì)計(jì)算中，考慮到機(jī)械效率、安全系數(shù)及傳動比，映射到傳感器的設(shè)計(jì)輸入力矩參數(shù)為:

所以對應(yīng)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(biāo)定試驗(yàn)

該傳感器的工況為純扭矩作用，因此標(biāo)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(jī)械靜態(tài)標(biāo)定方法。采用液壓標(biāo)定試驗(yàn)臺作為加力裝置，可以提供穩(wěn)定的力源，加上與測力壓頭 （標(biāo)準(zhǔn)測力儀）的組合，能很好地度量出所加力矩的大小。標(biāo)定試驗(yàn)臺如圖3所示［3］，主要包括固定卡頭、聯(lián)軸器、扭矩傳感器、聯(lián)軸器及固定平臺等。

對外購的通用型ICP＠環(huán)型壓力傳感器進(jìn)行了線性標(biāo)定試驗(yàn)，如圖4所示。由圖4可知，在加載范圍內(nèi)傳感器呈現(xiàn)了較好的線性度。

3.2 循環(huán)加載試驗(yàn)

下面，筆者通過循環(huán)加載試驗(yàn)，利用工程中常用的最小二乘回歸分析方法進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。建立載荷矩陣X和對應(yīng)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(shù)關(guān)系模型:

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

圖2 傳感器視圖

圖3 扭矩標(biāo)定試驗(yàn)臺

3.3 強(qiáng)度分析

該扭矩傳感器中，最重要的是端子花鍵的設(shè)計(jì)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(jìn)行了仿真試驗(yàn)，用于指導(dǎo)生產(chǎn)。有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)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(gè)合適的 （較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件 （如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)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(biāo)定試驗(yàn)

圖5 扭矩傳感器測試方程標(biāo)定試驗(yàn)

建立的有限元模型如圖6所示。由圖6可知，假設(shè)在實(shí)際工作中只有2個(gè)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(zhuǎn)扭矩為10kN·m進(jìn)行加載模擬，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，最大應(yīng)力值為77.7MPa，發(fā)生在端子齒的根部，這與實(shí)際情況基本相符，因此這種設(shè)計(jì)初步滿足使用要求。

圖6 有限元模型

圖7 有限元計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

筆者研制了一種新型的基于機(jī)械傳動力解耦的扭矩測量傳感器，經(jīng)過試驗(yàn)證明，該測量原理可行。設(shè)計(jì)的扭矩傳感器具有較好的線性度和一致性，重復(fù)精度高，可以滿足現(xiàn)場的使用要求。

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

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

［3］樊浩杰，陳坤明，崔磊 .關(guān)于大扭矩傳感器檢測系統(tǒng)標(biāo)定方法的探討 ［J］.計(jì)量與測試技術(shù)2009，36（3）:26－27.