基于机械传动力解耦的扭矩测量传感器研制

2014-09-15林亚非

长江大学学报(自科版) 2014年7期

林亚非

（中石化江汉石油工程有限公司国际合作公司，湖北武汉 430223）

闫琳

（武汉市元博智能控制技术研究设计院，湖北武汉 430070）

机械设备的扭矩变化是其运行状况的重要信息，扭矩测量是各种机械产品开发、质量检验、优化控制、工况监测和故障诊断等必不可少的内容。扭矩传感器是一种测量各种扭矩、转速及机械功率的精密测量仪器，已广泛应用于各种机械设备的动力驱动系统设计和智能控制上，其应用范围十分广泛。特别是在石油钻井行业中，钻机转盘驱动钻柱旋转进给，驱动工作扭矩的变化往往伴随着众多的钻井工况的发生。例如，在钻头遇到坚硬岩层和特殊工况时，钻进力矩过大就有可能造成钻杆扭断、钻头损伤等事故，因此要对钻进扭矩进行实时的监测。

目前现有扭矩传感器主要有电阻应变式、压磁式、振弦式、光电式和相位差式几种［1］，其测试原理是将扭矩转换为扭应力或扭转角，借助相应传感器测试这些变化，进而得出测试的扭矩。这些测试类型的传感器普遍存在的问题为:工业现场抗干扰能力差；稳定性差；电刷等易接触不良，影响测试精度；传感器使用寿命较短；动态测试特性较差等［2］。另外，随着对钻井安全性要求的进一步提高，目前的测试类型传感器已经不能满足现场需求，因此研制高精度、高稳定性及高动态特性的扭矩测试方法已成为当今的重要任务。为解决上述问题，通过分析扭矩传递特性，笔者研制了一种基于机械传动力解耦的扭矩测量传感器。

1 工作原理

笔者通过采用一对啮合的端面齿花键联轴器实现测试。工作时，动力经联轴器、轴和相啮合的端齿花键传递，同时负荷扭矩在端齿花键齿面产生轴向分力，通过推力球轴承传给载荷传感器，传感器传出信号经后续电路处理，按一定关系显示转盘的工作扭矩值。负荷扭矩与端齿花键齿面产生的轴向力学关系如图1所示。

根据受力情况，可得:

式中:

式中，Q为每齿的切向外力，kN；N为每齿轴向锁紧力，kN；Ff为齿面间的摩擦力（为静摩擦力），kN；D为端齿花键外径，mm；d为端齿花键内径，mm；d＝，mm；Z为端出花键齿数；μ为齿

0面间的摩擦系数；αD为端齿花键齿形角，（°）；M为负荷扭矩，kN·m。

根据Ff＝μ（Q法＋N法），联立可得:

式中，N总为所有花键齿面产生的轴向力之和。

图1 解耦力学关系

2 传感器结构设计

传感器包括连接轴、联轴器、端齿盘、压力传感器、滚动轴承、推力轴承及角接触球轴承等，具体视图如图2所示。该传感器按照4000m钻机进行设计，转盘型号转盘箱型号zp275，具体参数为最大扭矩27500N·m，工程事故扭矩为40000N·m，安全系数S＝1.5，机械效率ε＝0.9，最高转数300r／min，传动比i＝3.67。在具体设计计算中，考虑到机械效率、安全系数及传动比，映射到传感器的设计输入力矩参数为:

所以对应的传感器输入端事故扭矩:

传感器输入端最大扭矩:

3 测试

3.1 线性标定试验

该传感器的工况为纯扭矩作用，因此标定的精度很大程度上取决于所加扭矩的度量精度，因此可采用机械静态标定方法。采用液压标定试验台作为加力装置，可以提供稳定的力源，加上与测力压头（标准测力仪）的组合，能很好地度量出所加力矩的大小。标定试验台如图3所示［3］，主要包括固定卡头、联轴器、扭矩传感器、联轴器及固定平台等。

对外购的通用型ICP＠环型压力传感器进行了线性标定试验，如图4所示。由图4可知，在加载范围内传感器呈现了较好的线性度。

3.2 循环加载试验

下面，笔者通过循环加载试验，利用工程中常用的最小二乘回归分析方法进行数学模型的构建。建立载荷矩阵X和对应压力传感器输出电流矩阵Y:

可建立线性回归方程:

拟合出最终函数关系模型:

建立的分析结果如图5所示。由图5可知，结果具有较好的一致性，可以用来进行扭矩的测试。

图2 传感器视图

图3 扭矩标定试验台

3.3 强度分析

该扭矩传感器中，最重要的是端子花键的设计及加工制造，在整体测试过程中其要具有足够的刚度。为此，笔者利用有限元（FEM）进行了仿真试验，用于指导生产。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

图4 压力传感器线性标定试验

图5 扭矩传感器测试方程标定试验

建立的有限元模型如图6所示。由图6可知，假设在实际工作中只有2个齿充分接触，并且将端齿盘末端固定，限制空间6自由度。按照约束条件弹性模量200GPa，泊松比为0.26，最大旋转扭矩为10kN·m进行加载模拟，计算结果如图7所示。由图7可知，最大应力值为77.7MPa，发生在端子齿的根部，这与实际情况基本相符，因此这种设计初步满足使用要求。