CN115077756A - 一种石油钻机转盘扭矩及转速的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石油钻机转盘扭矩的测量装置，由仪器护罩、应变片、单片机、线圈、磁铁、磁铁护罩支架、霍尔传感器、线圈插头、线圈铁芯、磁铁护罩、线圈护罩、天线、扭矩显示仪组成，由于采用了自发电结构设计，解决了转盘驱动钻机扭距仪安装不便、供电电源布线混乱、安全等级差、扭矩测量不准确等问题，搬家安装不用拆卸，完备了扭矩这个重要的钻井参数采集，同时实现了转盘转速采集，现场应用极大地减少井下事故及复杂情况，提高了钻井生产经济效益。

Description

一种石油钻机转盘扭矩及转速的测量装置

技术领域

本发明涉及石油钻修井作业参数测量领域，具体是一种石油钻机转盘扭矩及转速的测量装置。

背景技术

石油钻机转盘扭矩值是钻修井工程中的重要基本参数之一。目前，石油钻机根据转盘钻机及转盘驱动方式分为：其一为新式的电动驱动顶驱及转盘转动的方式，其二为老式柴油机链传动转盘驱动方式。对于方式一，新式的电动驱动方式，因为钻机的扭矩和电机的电流成正比，因此可以通过检测电机的电流强度，检测钻机的扭矩值；对于方式二，检测的方法有多种，有“过桥轮”式杠杆液压测扭矩装置，其是将转盘传动链条的拉力，通过过桥轮再经过杠杆传给油缸，通过检测油缸的压力变化，关联对应的扭矩值，这种方式由于传递路线长，灵敏度低、误差大、可靠性、压力显示不便记录及远传等，其测量精度较小；另外还有电阻应变式转盘扭矩传感器，有安装在转盘上的多个顶丝上，安装多个电阻应变计作为电力转换元件组成全桥电路，检测电阻应变进而测量转盘的扭矩，但这种方式，通过电信号输出，与其它检测参数相连，比“过桥轮”液压方式更直接有优越性，但存在很多问题，传感器内的轮辐在受到轴向压力和径向扭转力时，存在扭断的可能，电缆线经不起碰撞易折断，井场供电及线缆连接很不方便，并且要考虑断电时电池临时供电；再者，有筒柱式顶丝测力传感器，其将原转盘顶丝直接换成该传感器，就可实现扭矩的测量，连接相对方便一些，抗冲击振动、防腐防水能力强些，仍采用电缆作为远距离供电及信号传输；此外还有“方瓦式扭矩专用传感器”，其是将扭矩仪直接安装在转盘的方瓦上，方瓦随着钻杆旋转，传感器的供电及信号输出不能直接用电缆连接，需要用干电池，由于传感器的阻抗限制，电池的能量消耗较大，需要经常更换电池，应用起来也不方便。

由于上述钻机扭距仪安装不方便，使用过程受到拆装、供电、井场安全防爆、远距离传输等因素限制，现在大多柴油机链传动转盘驱动的钻机，只有少数配备了上述扭距仪，大多数没有扭距仪，由于钻机为整套价格昂贵的石油机械平台，设备更新投资高难度大，这种钻机在国内尚有百分之八十以上，在国外也有很大一部分应用，因此亟需设计一种新型的扭矩传感器，解决这类钻机扭矩测量难的问题。

发明内容

本发明旨在于提供一种石油钻机转盘扭矩及转速的测量装置。

本发明的技术方案如下：

此种石油钻机转盘扭矩及转速的测量装置(以下简称“扭矩及转速测量装置”)，如图1所示，由仪器护罩、应变片、单片机、线圈、磁铁右护罩固定架、磁铁、磁铁左护罩支架、霍尔传感器、磁铁护罩、磁铁护罩固定螺栓及螺母、线圈插头、线圈铁芯、线圈护罩、线圈护罩螺栓及螺母、天线、扭矩显示仪组成，其结构组装关系如下：在钻机的转盘上四周设有个转盘顶丝, 转盘由圆锥齿轮组与万向节连接，万向节的另一端由法兰盘连接有传动轴, 传动轴与轴承座形成旋转副配合，在传动轴上设有由上下两个半环形壳体组成的线圈护罩，线圈护罩与传动轴之间垫有橡胶密封垫，两个半环线圈护罩由线圈护罩螺栓及螺母固定卡在传动轴上，在线圈护罩内设有若干个彼此由导线连接的线圈，每个线圈固定在线圈护罩内的支架上，线圈内分别设有线圈铁芯，线圈护罩的一侧设有仪器护罩，仪器护罩也是由两半对接，仪器护罩内设有应变片，应变片用专用胶粘贴在传动轴表面，霍尔传感器和应变片及天线分别由动力及信号线缆与单片机连接，天线无线与设置在远程驻井房内的无线接收模块无线连接，单片机上设有微控器、电子元件、存储模块、无线传输模块、发电整流控制模块，若干个线圈连接通过发电整控制流模块与蓄电池连接；在线圈护罩的另一侧与其相对设有磁铁护罩，磁铁护罩由左右两半护罩组成，左右两半护罩分别设有右护罩支架和左护罩支架，轴承座的上设有螺母孔，两半磁铁护罩由磁铁护罩螺栓固定在轴承座的螺母上，磁铁护罩内设有与线圈相同数量的磁铁，磁铁粘贴在磁铁护罩内表面；天线为内部是金属天线外部橡胶封装，根部固定在仪器护罩上，磁铁护罩和线圈护罩均为不锈钢的不导磁的金属材质。

在钻修井作业时，柴油机(或电机)的动力轴带动传动轴绕轴承座旋转，轴承座带动其上设置的线圈护罩及内部的若干个线圈转动，由于磁铁护罩及内部的若干个磁铁固定在轴承座上，多个线圈绕多个磁铁在切割磁力线运动，产生电流发电，通过设置在单片机上的发电整流控制模块整流后给蓄电池充电，当蓄电池充满后，单片机控制停止充电，当蓄电池用尽后，单片机上的发电整流控制线圈重新给蓄电池充电，当传动轴带动法兰盘及万向节转动，带动转盘转动，当转盘带动其内的方钻杆及钻具转动，产生旋转扭矩，传动轴在扭矩的作用下产生形变，带动贴在轴上的应变片变形，应变片为高灵敏度的桥式应变片，其阻值随着扭矩发生变化，单片机采集到应变片电阻的变化，进行扭矩参数采集，同时随线圈护罩旋转的霍尔传感器感应到磁铁的产生脉冲信号，根据每分钟脉冲信号、磁铁数量及转盘圆锥锥齿轮组的传动比，折算出每分钟转盘旋转圈数，单片机将采集到的转盘扭矩及转数存到存储模块中，同时将采集到的参数通过天线传送给扭矩显示仪及远程驻井房内无线接收模块，最终将转盘扭矩及转速数据汇集到计算机的综合钻井参数中。

本发明结构新颖，自发电式的结构设计解决了转盘驱动钻机扭距仪安装不便、供电电源布线混乱、安全等级差、扭矩测量不准确等问题，同时，还实现了转盘转速的采集，搬家安装不用拆卸，安全可靠，作业施工更加科学规范，该装置的推广应用，完备了扭矩这个重要的钻井参数采集，同时实现了转盘转速采集，现场应用极大地减少井下事故及复杂情况，提高了钻井生产经济效益。

附图说明：

图1为本发明的扭矩及转速测量装置及安装示意图, 其中仪器护罩、线圈护罩和磁铁护罩的局部为剖视图。

图2为扭矩及转速测量装置安装的俯视图。

图3为扭矩及转速测量装置安装的护罩拆分示意图。

具体实施方式：以下结合附图对本发明的实施作进一步说明。

一种石油钻机转盘扭矩及转速的测量装置，如图1所示，由仪器护罩1、应变片2、单片机3、线圈4、磁铁右护罩固定架5、磁铁6、磁铁左护罩支架7、霍尔传感器8、磁铁护罩9、磁铁护罩固定螺栓及螺母10、线圈插头11、线圈铁芯12、线圈护罩13、线圈护罩螺栓14、天线15及扭矩显仪16组成。

图1中的转盘A、转盘顶丝B、万向节C、法兰盘D、传动轴E及轴承座F均为标准的钻机配件。

扭矩显仪器16为扭矩及转速数值的显示仪表，或与标准的钻井指重表配合显示,其内设有电池及电路板，电路板上设有显示模块、无线模块，无线模块与单片机3无线连接。

扭矩及转速测量装置的线圈护罩13及多个线圈4、采取两个半片及卡箍式的设计，使用时，可以对放在传动轴E上，用线圈护罩螺栓14将其固定，因此，既可以永久安装在转盘传动轴E上，也可以在施工过程中，临时安装在传动轴E上，用后可将线圈护罩13拆卸下来，带到其它钻机上继续使用，仪器护罩1为单独一片，其可随其中一片线圈护罩13一同拆装，但应变片2不可拆卸，在其它钻机上需要重新粘贴新的应变片2；同理，磁铁护罩9及多个磁铁6同样采用两个半片及支架式的设计，使用方式同线圈护罩13。

霍尔传感器为霍尔芯片、线路板和电子元件组成的传感器模块，具有磁感应功能，输出高低电平。

应变片2为适应惠斯顿电桥原理的一整张膜片上设有4片相等电阻的应变片，其能检测及其微小传动轴E形变所产生的应力变化。

扭矩及转速测量装置的仪器护罩1、磁铁护罩9、线圈护罩13与橡胶密封垫配合，固定在传动轴E上，天线15为内部是金属天线外部橡胶封装，根部固定在仪器护罩1上，使得扭矩及转速测量装置内部的电器与外部完全隔离，起到隔爆的效果，提高了钻井现场安全防爆等级。

或可将两半的磁铁护罩9制成一体，将两半的线圈护罩13制成一体，将两半的仪器护罩1制成一体，使用时，先拆下传动轴E，然后从传动轴E的一端将多个护罩穿入，然后由螺栓紧固，再将传动轴E安装上。

Claims (2)

1.一种石油钻机转盘扭矩及转速的测量装置，如图1所示，由仪器护罩(1)、应变片(2)、单片机(3)、线圈(4)、磁铁右护罩固定架(5)、磁铁(6)、磁铁左护罩支架(7)、霍尔传感器(8)、磁铁护罩(9)、磁铁护罩固定螺栓(10)、线圈插头(11)、线圈铁芯(12)、线圈护罩(13)、线圈护罩螺栓及螺母(14)、天线(15)、扭矩显示仪(16)组成，其结构组装关系如下：在钻机的转盘(A)上四周设有个转盘顶丝(B), 转盘(A)由圆锥齿轮组与万向节(C)连接，万向节(C)的另一端由法兰盘(D)连接有传动轴(E), 传动轴(E)与轴承座(F)形成旋转副配合，在传动轴(E)上设有由上下两个半环形壳体组成线圈护罩(13)，线圈护罩(13)与传动轴之间垫有橡胶密封垫，两个半环线圈护罩(13)由线圈护罩螺栓及螺母(14)固定卡在传动轴(E)上，在线圈护罩(13)内设有若干个彼此由导线连接的线圈，每个线圈固定在线圈护罩(13)内的支架上，线圈内分别设有线圈铁芯(12)，线圈护罩(13)的一侧设有仪器护罩(1)，仪器护罩(1)也是由两半对接，仪器护罩(1)内设有应变片(2)，应变片(2)用专用胶粘贴在传动轴(E)表面，霍尔传感器(8)和应变片(2)及天线(15)分别由动力及信号线缆与单片机(3)连接，天线(15)无线与设置在远程驻井房内的无线接收模块无线连接，单片机(3)上设有微控器、电子元件、存储模块、无线传输模块、发电整流控制模块，若干个线圈连接通过发电整控制流模块与蓄电池连接；在线圈护罩(13)的另一侧与其相对设有磁铁护罩(9)，磁铁护罩(9)由左右两半护罩组成，左右两半护罩分别设有右护罩支架和左护罩支架，轴承座(E)的上设有螺母孔，两半磁铁护罩(9)由磁铁护罩螺栓(10)固定在轴承座(E)的螺母上，磁铁护罩(9)内设有与线圈相同数量的磁铁(6)，磁铁(6)粘贴在磁铁护罩(9)内表面；天线(15)为内部是金属天线外部橡胶封装，根部固定在仪器护罩(1)上，磁铁护罩(9)和线圈护罩(13)均为不锈钢的不导磁的金属材质。

2.根据权利要求1所述的一种石油钻机转盘扭矩及转速的测量装置，其特征在于：或可将两半的磁铁护罩(9)制成一体，将两半的线圈护罩(13)制成一体，将两半的仪器护罩(1)制成一体，使用时，先拆下传动轴(E)，然后从传动轴(E)的一端将多个护罩穿入，然后由螺栓紧固，再将传动轴(E)安装上。

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