CN101118193A - 直感式扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于石油、矿山类设备运行中对转盘扭矩进行在线监测的直感式扭矩传感器，它具有一对相啮合的端齿盘，二端齿盘各通过轴联接联轴器，其中一端齿盘通过平面轴承推压于油缸的活塞，油缸通向联接压力传感元件的接口。本扭矩传感器以其两端的联轴器串接在转盘的动力输入轴上，工作时，动力经联轴器、轴和相啮合的端齿盘传递，同时负荷扭矩在端齿盘齿面产生轴向分力，通过平面轴承推压油缸的活塞，与油缸接通的压力传感元件通过其显示单元按一定线性关系显示转盘的工作扭矩值。

Description

直感式扭矩传感器

技术领域

本发明涉及扭矩传感器，用于石油、矿山领域钻采类设备的转盘扭矩在线监测。

背景技术

在石油钻采、矿山采掘领域，有许多大、中型钻采设备常常是须连续运转的关键设备。由于地层情况复杂，在开采过程中，设备负荷扭矩大，受冲击力强，正反转频繁。随着开采的深度不断增加，钻头卡住及扭矩过大的情况也相应增加。这些情况的发生，都有可能造成钻头破坏或者钻杆断裂，事故相应增多。因而，对连续运转的关键设备的转盘扭矩进行在线监测极其重要。这样，就能对转盘扭矩工作参数进行动态管理，适时调控，做到合理使用钻头，防止事故，有效地提高钻采效率。

扭矩传感器是进行扭矩在线监测中的重要部件。目前国内在石油钻采、矿山采掘领域用于扭矩在线监测的扭矩传感器，包括万向轴传感器，液压张力传感器。

万向轴传感器，是将联接在减速箱与转盘齿轮副之间的万向传动轴，特制成一个扭矩传感器，使它既能传递动力，又能传感扭矩值。其构造是，在万向传动轴的一端面上设置应变片电桥，该电桥的输入端接通电源电路，输出端接通放大、处理电路，输入端和输出端各通过一组无接触环形变压器与所述电路相联。当万向传动轴在负荷下发生扭转产生微小变形时，粘贴在其上的应变片电桥随之发生形变，产生阻值变化，电桥的平衡被打破，输出一个与扭矩成正比的电信号，经后续的处理电路把该轴的扭矩值测试出来，将该扭矩值乘上转盘的传动比，就可得到转盘的输出扭矩(忽略机格效率)。这种传感器的优点是：1、测试直接，结果真实；2、成熟的测扭应变片技术可以把非扭转应力基本排除，测量精度高；3、采用电桥，可测量正、反两个方向的扭矩。其缺点是：1、制造过程繁琐，每次需将万向传动轴拆下送到专业传感器厂家进行加工，周期长，价格高；2、由于是采用应变片电桥的电子传感器，受环境温度的影响较大，一般需定期进行标定，而用户不具有这个条件，得送到专门机构或生产厂家，十分的麻烦，而万向传动轴特殊的工况使得万向轴传感器的工作寿命却并不长；3、在需防爆场合下，很难满足要求。

液压张力传感器，适用于链传动的钻机，是通过测量传动链条的张力来导出转盘扭矩。该传感器(见图1)，包括设置于链条1紧边上的滚轮2和于滚轮径向施加作用力的液压缸3，液压缸3连有压力传感器。转盘扭矩的导出，是由测得的压力传感器的压力值Q，算出链条紧边的张力 $F=\frac{1}{2}Q\sin \mathrm{\α}$ (见图2)，将该力乘上转盘输入轴上链轮的节圆半径，得出转盘齿轮副的输入扭矩，用该扭矩乘以转盘齿轮副的传动比，而得到转盘的输出扭矩(忽略机械效率)。这种传感器的优点是：虽然精度不高但基本能满足现场工况，维护简单，工作寿命长。其缺点是：1、张紧力测量轮(滚轮)的安装位置不易准确，使张力角α会发生一定的偏差，造成张力F的计算误差；2、应用范围窄，且只能测量一个方向的扭矩。

发明内容

本发明之目的，是提供一种适用于各种石油、矿山钻采设备转盘扭矩在线监测的直感式扭矩传感器，而且，能测试正、反向扭矩，测值真实准确，使用和维护简单，工作寿命长。

实现上述目的技术方案是：设置一对相啮合的端齿盘，二个端齿盘各通过轴联接一联轴器，其中一端齿盘通过平面轴承推压于油缸的活塞，油缸通向联接压力传感元件的接口。

具有上述构造的本发明，以其两端的联轴器串接在转盘的动力输入轴上，工作时，动力经联轴器、轴和相啮合的端齿盘传递，同时负荷扭矩在端齿盘齿面产生轴向分力，通过平面轴承推压油缸的活塞，与油缸接通的压力传感元件通过其显示单元按一定线性关系显示转盘的工作扭矩值。

本发明的有益效果是：

1、传递动力和传感扭矩同时进行，而且安装的方向不限；

2、以齿啮合与油缸及压力传感元件相组合，扭矩测试和表达直接，不需再行计算，不拘正向、反向，而且测得的扭矩值真实、准确，显示直观；

3、适用于各种石油、矿山钻采设备；

4、不用电能，适合各种工况；

5、结构合理、紧凑，运行稳定，工作可靠，维修简便，使用寿命长。

附图说明：

图1为液压张力传感器的检测原理示意图；

图2为图1中滚轮的受力示意图；

图3为本发明一种结构形式的轴向剖视图；

图4为本发明另一种结构形式的轴向局部剖视图；

图5和图6皆为图3中A-A、B-B处可采用的形式。

具体实施方式

下面结合附图谈谈实施例

参见图3，相啮合的一对斜面齿端齿盘8、10，各通过轴与两端的联轴器4联接，其中端齿盘10与轴19固定联接，本例直接将二者连成一体，成为端齿轴，另一端齿盘8与另一轴5活套联接，以传递轴向分力，可采取将轴5滑配于端齿盘8的中心孔中，也可在端齿盘8的中心设置凸台，在轴5的一端制出孔，将凸台滑配于轴端的孔中(见图4)，为能传递扭矩，活套联接应为咬合式的，较好的是采用花键滑配联接，如本例，也可采用对键滑配联接(见图5)，或者多边形轴孔滑配联接(见图6)，二端齿盘的背面联接平面轴承18，二轴的外圆上联接向心轴承13，通过分别联接在机座11两端的端盖12和端盖6固定，两端的联轴器4与轴5、轴19的联接，亦为咬合式活套联接，本例采用花键联接，显然也可采用多边形轴孔联接，二联轴器的一端通过油封17分别联接在端盖12、端盖6的中心孔中，另一端通过压板9和联接于轴的螺栓15将联轴器压紧在向心轴承13的内圈，至此，两端的联轴器4、由轴19与端齿盘10构成的端齿轴、活套相联的端齿盘8及轴5，构成一传动链，并被固定在机座；所述的端盖6，配置在活套联接的端齿盘8与轴5所在的一端，端盖6上，制出环形油缸14，其中配置环形活塞7，活塞7上开出沉孔使平面轴承18嵌入，直接承受由该轴承传递的转盘扭矩的轴向分力，同时也解决该轴承的径向定位，在端盖6的外圆面于径向，制出通向环形油缸14的通道，通道口制作联接压力传感元件的螺纹接口16，使活塞所受的压力直接由压力传感元件采集并通过其显示单元以扭矩值表达。

Claims (6)

1.直感式扭矩传感器，其特征在于，具有一对相啮合的端齿盘，二个端齿盘各通过轴联接一联轴器，其中一端齿盘通过平面轴承推压于油缸的活塞，油缸通向联接压力传感元件的接口。

2.根据权利要求1所述的直感式扭矩传感器，其特征在于，所述端齿盘的齿为斜面齿。

3.根据权利要求1所述的直感式扭矩传感器，其特征在于，所述的二端齿盘及所联的轴，于端齿盘背面联接平面轴承，于轴的外圆联接向心轴承，通过联接于机座两端的端盖固定，其中一端齿盘与轴固定联接，另一端齿盘与另一轴咬合式活套联接；所述的油缸为环形，设置在活套联接的端齿盘与轴所在一端的端盖上，该端的平面轴承嵌于油缸活塞的端面，与油缸相通的压力传感元件的接口，设置在该端盖上；所述的二联轴器，与轴的联接为咬合式活套联接，并被压紧于向心轴承的内圈。

4.根据权利要求3所述的直感式扭矩传感器，其特征在于，所述固定联接的端齿盘与轴，二者连成一体，成为端齿轴。

5.根据权利要求3所述的直感式扭矩传感器，其特征在于，所述活套联接的端齿盘与轴，轴滑配于端齿盘的中心孔中，或者，端齿盘的中心具有凸台，凸台滑配于轴端的孔中。

6.根据权利要求3所述的直感式扭矩传感器，其特征在于，所述的咬合式活套联接，包括花键滑配联接、对键滑配联接、多边形轴孔滑配联接。

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