海洋平台升降系统转矩传感器标定方法

朱正都，程文池，陈佳俊

海洋平台升降系统转矩传感器标定方法

朱正都，程文池，陈佳俊

介绍自升式海洋平台的升降系统及转矩监测系统，针对大吨位爬升小齿轮中传感器批量标定装置复杂昂贵的问题，设计出一种新的标定方法，利用ABS船级社型式试验工装进行标定，介绍新型标定方法的原理，并应用于电动齿轮齿条升降系统项目。

升降系统；传感器；海洋平台；电动齿轮齿条

为满足海洋油气开发需求，石油公司需要装备相当数量的自升式钻井平台，而这一领域任为国外所垄断。为满足国内平台配套需求，国内许多企业纷纷进行研发，力图开发出具有自主知识产权的齿轮齿条升降及锁紧系统，而钻井平台核心技术为电动齿轮齿条式升降系统。钻井平台核心技术是电动齿轮齿条式升降系统，其输出爬升小齿轮的承载能力直接关系到整个平台的升降能力，其转矩的实时监控成为平台的必要保障。

为此，围绕自升式钻井平台齿轮齿条式升降系统，针对升降系统的特殊结构，结合正在调试的电动齿轮齿条升降系统对爬升小齿轮的转矩标定进行设计分析，每一批爬升齿轮箱都会整体有一个型式试验，其载荷为预压载的1.5倍，只要测量出爬升齿轮箱的效率，就可以间接标定爬升小齿轮。本标定方法的一个最大好处就是标定的时候可以借用齿轮箱厂家型式试验的标定试验台架，避免单独进行转矩试验台架的设计制造。

1 升降系统及载荷监测简介

目前使用较多的自升式平台的升降系统可以分为齿轮齿条式和液压插销式。由于齿轮齿条式升降系统具有升降速度快、故障率小、易对井位和操作简单等优点，普遍得到新造海洋平台的应用。选择的自升式海洋平台基本结构见图1[1]。

安装架箱体是传动箱的结构支撑部件，3个传动单元都安装在箱体上，3个传动单元在箱体上均匀布置，传动单元的2个输出齿轮(与齿条啮合齿轮)对称布置，分别与安装架箱体通过法兰螺栓连接。整个升降系统最终的载荷集中在爬升小齿轮和齿条上，爬升小齿轮上安装转矩传感器可以准确实时的监测出整个升降系统的载荷分布情况[3]。转矩传感器的精度直接决定着整个升降系统的安全性和可靠性，由此可见，大转矩大吨位转矩传感器的标定的重要性。

由于齿轮箱的结构型式决定了转矩传感器必须安装到齿轮箱爬升小齿轮内的中心孔内才能进行标定，若用行内常规标定方法，需将齿轮轴拆卸出来，制作大吨位试验台(目前国内没有超过120万N·m的)和专业工装方可进行标定，成本及工时耗费难以满足工程项目需求。因此，提出一种新型标定方法。

2 转矩传感器标定方法

如图2所示，试验中通过转矩杠杆提供爬升小齿轮主动力，整个标定过程为静态标定，齿轮箱无需转动。

设定惰轮效率为η1，齿轮箱效率为η2。通过输入转矩杠杆某一转矩值，转矩传感器M1上显示的数值为T1，此时测量出转矩传感顺M2上的数值为T2。此时，有：

(1)

式中：η1及η2为未知数。

将计算出来的T小齿轮1及T小齿轮2对2个齿轮箱的小齿轮进行转矩标定[2]。此时小齿轮1和小齿轮2有转矩显示。

实际项目布置(见图4)，在转矩传感器后端用了传动比为10的小齿轮箱，以便加载和固定。加载时采用砝码加载达到需求值附近(见图5)，通小型转矩传感器读出数值。

如表1中记录试验数值显示，通过项目进行试验验证，转矩传感器的批量精度可以保证在3%以内，满足海洋平台升降系统使用要求[5]。

4 结论

1)本标定方法对同一批次或者相同结构的齿轮箱标定时，可用迭代得出的效率进行批量标定，并且所得出试验数据表明转矩可达到工程应用3%的要求。

2)本标定方法有效地利用海洋平台升降系统齿轮箱的型式试验台(船级社规定)进行标定，达到与同行业标定[5]相同误差等级，进而避免了常规标定方法复杂庞大工装的设计制造。

3)针对大吨位爬升小齿轮中传感器批量标定，通过试验数据测量齿轮箱效率，并根据实际项目给出了标定后验证结果，可为国内制作海工平台升降系统转矩传感器的标定提供经济、新颖的解决方案。

表1 转矩标定组件数据记录(北京世通科创技术有限公司)

注：1#及2#齿轮箱是相对的，每2个齿轮箱一起标定。

[1] 朱正都.自升式海洋平台电动升降系统传动设计研究[J].海洋工程装备，2003(11)：64-67.

[2] 黄波,朱正都,毛炳坤.自升式平台升降系统小齿轮载荷监测与均衡化技术研究[J].船舶与海工,2015(5)：54-56.

[3] 孙永泰.自升式海洋平台齿轮齿条升降系统的研究[J].石油机械,2004(10)：23-26.

[4] 万德安,章阳宁.一种新型转矩传感器的研制[J].传感器技术，2003，22(11).

[5] 王超,高学仕,盛利民.井底钻压转矩传感器标定系统的设计研究[D].中国石油大学，2010.

(武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084)

Calibrating Method of the Torque Sensor for Jacking System on Jack-ups

ZHU Zheng-du, CHENG Wen-chi, CHEN Jia-jun

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

The jacking system and torque sensor of jack-ups was expatiated. For large tonnage climb pinion sensor, the calibration device was complicated and expensive, a new way for calibration was set forth by using classification society type test equipment to calibrate. The principle of the calibration method was elaborated. The method has been applied successfully in an actual electric jacking system project.

jacking system; torque sensor; calibration method; electric-driven pinion and rack

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.029

2016-07-14

工业和信息化部项目(工信部联装[2014]508号)

朱正都(1986—)，男，硕士，工程师研究方向:海洋平台升降系统

U674.38

A

1671-7953(2017)01-0119-03

修回日期：2016-09-18