CN109632162B - 一种超大口径钻井转盘转矩测试方法 - Google Patents

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    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general

Abstract

一种超大口径钻井转盘转矩测试方法，通过四个相同的小齿轮同时驱动转盘，传感器可以分别布置在每个小齿轮轴上，同时监测转矩的变化，根据需要，通过每个小齿轮获得转盘转矩；也可以对四个小齿轮轴上的转矩信息综合处理，获得高精度转矩测试结果，通过分析小齿轮轴上的应变情况，将四个应变片布置在小齿轮轴的最佳位置，并使其组成差动全桥，利用测试电路测量输出电压，实现超大口径转盘转矩测试，该测量方法不需要改变小齿轮的结构，也不需要在整个传动路线上布置特别的结构，测试方法简单，适用现场测量。

Description

一种超大口径钻井转盘转矩测试方法
技术领域
本发明涉及钻机转盘转矩测试技术领域，特别涉及一种超大口径钻井转盘转矩测试方法。
背景技术
超大口径钻机转盘是深水、超深水油气开发钻井平台的主要部件。在起下钻柱或管柱时，它承受全部钻柱或管柱的质量；下放水下BOP及水下器具时，承受水下BOP及水下器具的质量；处理井下事故时，可用于钻具的旋转。
转盘转矩是反映钻井过程中钻具工作状态的重要参数，根据转盘转矩变化情况可以提早判别钻具的工作状态。监测转盘转矩，可以对井下钻具状态进行实时监测，也可以反映井斜、卡钻等井下工况，还能反映地层变化，因此，准确测量转盘扭矩，对于安全、高效、快速地钻井十分重要。
而海洋半潜式钻井平台不同于陆地钻井方式，其转盘传动方式和陆上钻机转盘不同。尤其是目前正在研制的半潜式钻井平台，其动力由液压马达通过键传递到小齿轮轴，小齿轮和大齿轮啮合，将转矩直接传动给转盘，由于液压马达和小齿轮轴、小齿轮和大齿轮间的空间限制，不能使用常规方法进行转矩的在线监测。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种超大口径钻井转盘转矩测试方法，通过四个相同的小齿轮同时驱动转盘，传感器分别布置在每个小齿轮轴上，同时监测转矩的变化，根据需要，通过每个小齿轮获得转盘转矩；也可以对四个小齿轮轴上的转矩信息综合处理，获得高精度转矩测试结果，实现超大口径转盘转矩测试。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种超大口径钻井转盘转矩测试方法，具体按照以下步骤实施：
步骤一、根据传动方案，由于动力由四个液压马达输出，四个液压马达的动力通过键分别传递到相应的小齿轮轴上，经过四个小齿轮同时传递到转盘上，通过测量小齿轮轴上的传递转矩，得到转盘转矩，然后确定小齿轮轴上的传递转矩与转盘转矩的关系；
步骤二、在小齿轮和右端轴承间存在距离，用于布置应变片进行转矩测量，建立小齿轮轴的力学模型，根据小齿轮轴的结构尺寸，确定其弯矩变化规律，进而确定应变变化规律，明确应变片的具体位置；
步骤三、结合步骤一和步骤二，确定小齿轮轴上的应变与转盘转矩的数学模型为：
Figure GDA0002714016340000021
其中，d为应变片布置位置处轴段直径；εx为x处的应变；E为小齿轮轴的弹性模量；
步骤四、结合步骤二，通过分析小齿轮轴上的应变情况，将四个应变片布置在小齿轮轴的最佳位置，并使其组成差动全桥，利用测试电路测量输出电压。
步骤五、结合步骤四，通过输出电压，确定小齿轮轴上的应变，再通过式(1)，间接测量得到转矩。
所述的步骤一具体为：动力由四个液压马达输出，四个液压马达的动力通过键分别传递到相应的小齿轮轴上，经过四个小齿轮同时传递到转盘上，通过测量小齿轮轴上的传递转矩T1，得到转盘转矩T。
二者关系为
Figure GDA0002714016340000031
其中，T1为小齿轮上转矩；T为转盘转矩；n为转盘转速；n1为小齿轮转速；η为传动效率。
所述的步骤二根据小齿轮轴的结构尺寸，确定其弯矩变化规律，具体为：小齿轮轴BC段(a≤x≤b)弯矩变化规律为
Figure GDA0002714016340000032
其中，M为x处的弯矩；T1为小齿轮上转矩；α是齿轮压力角；D1为小齿轮分度圆直径，通过测量小齿轮轴的弯矩，实现转盘转矩的测量。
本发明的优点是可以实现超大口径转盘转矩的测试。该测量方法不需要改变小齿轮的结构，也不需要在整个传动路线上布置特别的结构，测试方法简单，适用现场测量。转盘是通过四个相同的小齿轮同时驱动，传感器可以分别布置在每个小齿轮轴上，同时监测转矩的变化，可以根据需要，通过每个小齿轮获得转盘转矩；也可以对四个小齿轮轴上的转矩信息综合处理，获得高精度转矩测试结果。
附图说明
图1是本发明的传动原理图。
图2是本发明的小齿轮轴示意图。
图3是本发明的小齿轮的力学模型。
具体实施方式
按照第七代半潜式钻井平台转盘的传动方案，结合附图对本发明做进一步详细叙述。
步骤一.根据传动方案，确定小齿轮轴上的传递转矩与转盘转矩的关系；
附图1所示为其传动方案。动力由四个液压马达输出，四个液压马达的动力通过键分别传递到相应的小齿轮轴上，经过四个小齿轮同时传递到转盘上，通过测量小齿轮轴上的传递转矩T1，可以得到转盘转矩T。二者关系为
Figure GDA0002714016340000041
其中，T1为小齿轮上转矩；T为转盘转矩；n为转盘转速；n1为小齿轮转速；η为传动效率。
步骤二.由于小齿轮轴结构关系，在液压马达和小齿轮间的尺寸有限，限制了二者间传递转矩的直接测量。在小齿轮和右端轴承间存在距离，用于布置应变片和配套测量处理应变片信号的外部设备，进行转矩测量，建立小齿轮轴的力学模型，根据小齿轮轴的结构尺寸，确定其弯矩变化规律，进而确定应变变化规律，明确应变片的具体位置；
(1)参照附图2的小齿轮示意图，所述液压马达的动力通过键自小齿轮轴的左端输入。小齿轮直接在小齿轮轴上加工而成，小齿轮是直齿轮。由于结构关系，在液压马达和小齿轮间的尺寸有限，限制了二者间传递转矩的直接测量。在小齿轮和右端轴承间存在一定的距离，可以用于布置应变片，因此，选择这部分轴布置应变片和相关的设备，进行转矩测量。
(3)附图3是小齿轮轴的力学模型。小齿轮轴的左端是液压马达的输入端，等效为绕x轴的转矩T1和支座反力RA，如图3的A点；右端是轴承，等效为支座反力RCR，如图3的C点。AB两点的距离是a，表示小齿轮齿宽；在BC轴段的长度是b-a，在该轴段上布置应变片。以小齿轮的左端为坐标原点，沿小齿轮轴线建立坐标轴x轴。则BC段在x轴上的范围是(a≤x≤b)。该段的弯矩变化规律为
Figure GDA0002714016340000051
其中，M为x处的弯矩；α是齿轮压力角；D1为小齿轮分度圆直径。由式(5)可知，随x值逐渐接近b，弯矩逐渐变小；因应变和弯矩成正比关系，故应变的变化规律和弯矩的规律相同，所以，应变片应尽量布置在靠近小齿轮的右端。
步骤三 结合步骤一和步骤二，确定小齿轮轴上的应变与转盘转矩的数学模型为
Figure GDA0002714016340000052
其中，d为应变片布置位置处轴段直径；εx为x处的应变；E为小齿轮轴的弹性模量。
步骤4.结合步骤二，通过分析小齿轮轴上的应变情况，将四个应变片布置在小齿轮轴的最佳位置，并使其组成差动全桥，利用测试电路测量输出电压。
步骤5.结合步骤四，通过输出电压，确定小齿轮轴上的应变，再通过式(1)，间接测量得到转矩。

Claims (3)

1.一种超大口径钻井转盘转矩测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据传动方案，由于动力由四个液压马达输出，四个液压马达的动力通过键分别传递到相应的小齿轮轴上，经过四个小齿轮同时传递到转盘上，因此通过测量小齿轮轴上的传递转矩，得到转盘转矩，然后确定小齿轮轴上的传递转矩与转盘转矩的关系；
步骤二、在小齿轮和右端轴承间存在距离，用于布置应变片进行转矩测量，建立小齿轮轴的力学模型，根据小齿轮轴的结构尺寸，确定其弯矩变化规律，进而确定应变变化规律，明确应变片的具体位置；
步骤三、结合步骤一和步骤二，确定小齿轮轴上的应变与转盘转矩的数学模型为：
Figure FDA0002714016330000011
其中，d为应变片布置位置处轴段直径；εx为x处的应变；E为小齿轮轴的弹性模量；
步骤四、结合步骤二，通过分析小齿轮轴上的应变情况，将四个应变片布置在小齿轮轴的最佳位置，并使其组成差动全桥，利用测试电路测量输出电压；
步骤五、结合步骤四，通过输出电压，确定小齿轮轴上的应变，再通过式(1)，间接测量得到转矩。
2.根据权利要求1所述的一种超大口径钻井转盘转矩测试方法，其特征在于，所述的步骤一具体为：动力由四个液压马达输出，四个液压马达的动力通过键分别传递到相应的小齿轮轴上，经过四个小齿轮同时传递到转盘上，通过测量小齿轮轴上的传递转矩T1，得到转盘转矩T，二者关系为
Figure FDA0002714016330000021
其中，T1为小齿轮上转矩；T为转盘转矩；n为转盘转速；n1为小齿轮转速；η为传动效率。
3.根据权利要求1所述的一种超大口径钻井转盘转矩测试方法，其特征在于，
所述的步骤二根据小齿轮轴的结构尺寸，确定其弯矩变化规律，具体为：小齿轮轴BC段(a≤x≤b)弯矩变化规律为
Figure FDA0002714016330000022
其中，M为x处的弯矩；T1为小齿轮上转矩；α是齿轮压力角；D1为小齿轮分度圆直径，通过测量小齿轮轴的弯矩，实现转盘转矩的测量。
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