RU111649U1

RU111649U1 - VERTICAL LOAD SENSOR FROM DRIVE CHAIN WHEN TRANSMITTING CHAIN TORQUE TO THE ROTOR OF A DRILLING UNIT

Info

Publication number: RU111649U1
Application number: RU2011113253/28U
Authority: RU
Inventors: Александр Кузьмич Лагуткин; Александр Михайлович Щеглов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Петролайн-А"
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2011-12-20

Abstract

Датчик вертикальной нагрузки ДВН, включающий металлическое основание, на котором жестко закреплены одной стороной упругие металлические балки, на которых наклеены тензометрические преобразователи неэлектрических величин, причем на свободных концах упругих балок закреплена ось на подшипниках, отличающийся тем, что на оси установлено зубчатое колесо с шагом зубьев, соответствующим шагу звеньев приводной цепи, с которой он эксплуатируется, которое вводят в зацепление с цепью, а также тем, что на основании установлен корпус с размещенной в нем электронной платой для обработки сигнала от тензометрических преобразователей неэлектрических величин и передачи данных о результатах измерения вертикальной нагрузки, включающий микроконтроллер с программой расчета и память. DVN vertical load sensor, including a metal base, on which elastic metal beams are rigidly fixed on one side, on which tensometric transducers of non-electric quantities are glued, and on the free ends of the elastic beams an axis is mounted on bearings, characterized in that a gear wheel with a tooth pitch is mounted on the axis corresponding to the pitch of the links of the drive chain with which it is operated, which is engaged with the chain, as well as the fact that a housing with it contains an electronic board for processing a signal from strain gauge converters of non-electric quantities and transmitting data on the results of vertical load measurements, including a microcontroller with a calculation program and memory.

Description

Полезная модель относится к технике эксплуатации и обслуживания буровых установок.The invention relates to the operation and maintenance of drilling rigs.

При бурении нефтяных и газовых скважин часто возникает необходимость контроля с той или иной точностью величины крутящего момента на роторе буровой установки. При использовании в кинематической схеме цепного привода редуктора бурового ротора, такой контроль представляется достаточно непростой задачей. Предлагаемая полезная модель позволяет решить эту задачу.When drilling oil and gas wells, it is often necessary to control with varying accuracy the magnitude of the torque on the rotor of the drilling rig. When used in the kinematic scheme of the chain drive of the drill rotor gearbox, such control seems to be a rather difficult task. The proposed utility model allows us to solve this problem.

Известные из используемых устройств, применяемых для измерения вертикальной нагрузки от приводной цепи привода ротора буровой установки в качестве органа, контактирующего с приводной цепью, используют или цилиндрический ролик (, или т.н. «лыжу». «Лыжа» - это пластина, по которой скользит ведущая ветвь приводной цепи и которая воспринимает вертикальную нагрузку от цепи. Ролик или «лыжа» передают воспринимаемую нагрузку на шток гидроцилиндра. Гидроцилиндр связан трубопроводом с указателем нагрузки. Объем вытесненной жидкости пропорционален отклонению стрелки указателя.Known from the devices used, used to measure the vertical load from the drive chain of the rotor of the drilling rig as an organ in contact with the drive chain, use either a cylindrical roller (or the so-called "ski". "Ski" is a plate on which the leading branch of the drive chain slides and which receives the vertical load from the chain. A roller or "ski" transfers the perceived load to the hydraulic cylinder rod. The hydraulic cylinder is connected by a pipeline to the load indicator. The volume of the displaced liquid is proportional len to arrow pointer deviation.

Недостатком таких систем контроля является быстрый износ деталей устройств контактирующих с приводной цепью. Сама приводная цепь также дополнительно изнашивается, что приводит к сокращению срока ее эксплуатации. Кроме этого, жидкость в гидроцилиндре и указателе изменяет свой объем при изменении температуры окружающей среды, что, в свою очередь, приводит к увеличению погрешности измерения всей системы. Кроме этого, недостатком каждого из перечисленных вариантов является низкая надежность при высокой неравномерности нагрузки на приводной цепи при бурении и дополнительных нагрузках от вибрации.The disadvantage of such control systems is the rapid wear of parts of devices in contact with the drive chain. The drive chain itself also wears out, which leads to a reduction in its life. In addition, the liquid in the hydraulic cylinder and the pointer changes its volume when the ambient temperature changes, which, in turn, leads to an increase in the measurement error of the entire system. In addition, the disadvantage of each of these options is low reliability with high uneven load on the drive chain during drilling and additional vibration loads.

Известны тензометрические датчики балочного типа http:zemic.com.ua/index.php=3&z=11, в которых на балку или на ось наклеивают тензорезистивный элемент, изменяющий свою проводимость при изменении геометрических размеров. Измерение нагрузки происходит за счет деформации балки или оси под действием нагрузки.Known beam-type strain gauges http: zemic.com.ua/index.php=3&z=11, in which a strain gauge element is glued to the beam or axis, changing its conductivity when changing geometric dimensions. Measurement of the load occurs due to the deformation of the beam or axis under the action of the load.

Наиболее близким аналогом является датчик натяжения полотна (), в котором тензометрический датчик подключают к направляющему валику и измеряют нагрузку на него, обусловленную натяжением полотна. Натяжение рассчитывается с учетом угла обхвата валика полотном. Указанный аналог невозможно распространить на цепные приводы буровых установок, так как проявится быстрый износ деталей, контактирующих с цепью, а также износ цепи.The closest analogue is the web tension sensor (), in which the strain gauge is connected to the guide roller and the load on it due to the web tension is measured. The tension is calculated taking into account the angle of the roller. The specified analogue cannot be extended to chain drives of drilling rigs, since quick wear of parts in contact with the chain, as well as wear of the chain, will appear.

Целью полезной модели является повышение надежности оборудования контроля крутящего момента на роторе буровой установки.The purpose of the utility model is to increase the reliability of the torque control equipment on the rotor of the drilling rig.

Цель достигается за счет конструкции датчика вертикальной нагрузки.The goal is achieved due to the design of the vertical load sensor.

Датчик включает упругие металлические балки, одним концом жестко закрепленные на основании. На балки наклеены тензометрические преобразователи неэлектрических величин. На свободных концах упругих балок закреплена ось на подшипниках. На оси установлено зубчатое колесо-звездочка с шагом зубьев, соответствующих шагу звеньев цепи привода.The sensor includes elastic metal beams, one end rigidly fixed to the base. Strain gauges of non-electrical quantities are glued onto the beams. An axis is mounted on bearings at the free ends of the elastic beams. A sprocket wheel with a tooth pitch corresponding to the pitch of the drive chain links is mounted on the axis.

Указанный датчик устанавливают под ведущую ветвь приводной цепи так, что с приводной цепью контактирует зубчатое колесо-звездочка с шагом зубьев, соответствующим шагу звеньев цепи привода, и прогибает приводную цепь.The specified sensor is installed under the leading branch of the drive chain so that the sprocket in contact with the drive chain with a tooth pitch corresponding to the step of the drive chain links, and bends the drive chain.

В результате при передаче крутящего момента на вал редуктора ротора ведущая ветвь цепи натягивается, стремясь выпрямиться, при этом воздействует на звездочку ДВН нагрузкой, пропорциональной передаваемому через цепной привод крутящему моменту. Звездочка пропорционально этой нагрузке воздействует на гибкие балки, на которые оно опирается. Упругие балки прогибаются пропорционально величине этого воздействия. Наклеенные на балки тензометрические преобразователи неэлектрических величин выдают электрический сигнал, пропорциональный величине их прогиба.As a result, when transmitting torque to the shaft of the rotor gearbox, the leading branch of the chain is pulled, trying to straighten, while acting on the DVN sprocket with a load proportional to the torque transmitted through the chain drive. The sprocket in proportion to this load acts on the flexible beams on which it rests. The elastic beams bend in proportion to the magnitude of this effect. Strain gauges of non-electric quantities glued to the beams give an electrical signal proportional to the magnitude of their deflection.

При использовании полезной модели достигается увеличение срока эксплуатации как самого датчика, так и работающих с ним элементов цепного привода. Кроме этого значительно повышается надежность всей системы контроля крутящего момента на роторе при неравномерности нагрузки на приводной цепи и нагрузок от вибрации в механизме цепного привода.When using the utility model, an increase in the service life of both the sensor itself and the elements of the chain drive working with it is achieved. In addition, the reliability of the entire torque control system on the rotor is significantly increased with uneven load on the drive chain and vibration loads in the chain drive mechanism.

Полезная модель также включает в себя корпус, установленный на основании, с размещенной в нем электронной платой для обработки и передачи сигнала. В составе электронной платы имеется память с занесенными в нее калибровочными данными, микроконтроллер, обрабатывающий электрический сигнал датчика на основании имеющейся в нем программы с алгоритмом пересчета и калибровочных данных в памяти, а также выдающий результаты измерения в виде сигнала.The utility model also includes a housing mounted on the base, with an electronic board located therein for processing and transmitting the signal. The electronic board contains a memory with calibration data recorded in it, a microcontroller that processes the sensor’s electrical signal based on the program in it with the conversion algorithm and calibration data in the memory, and also outputs the measurement results in the form of a signal.

За счет этого достигаются оперативность и простота получения данных о вертикальной нагрузке и крутящем моменте на роторе.Due to this, efficiency and simplicity of obtaining data on the vertical load and torque on the rotor are achieved.

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

Датчик вертикальной нагрузки (ДВН) состоит из трех частей:The vertical load sensor (DVN) consists of three parts:

1. металлического основания с жестко закрепленными на нем одним концом двух упругих металлических балок. На балках наклеены тензометрические преобразователи неэлектрических величин;1. metal base with one end of two elastic metal beams rigidly fixed on it. Strain gauges of non-electric quantities are glued on the beams;

2. оси закрепленной на подшипниках на свободных концах упругих балок. На оси установлено зубчатое колесо-звездочка с шагом зубьев, соответствующих шагу звеньев цепи привода;2. axis mounted on bearings at the free ends of the elastic beams. A sprocket wheel with a tooth pitch corresponding to the pitch of the drive chain links is mounted on the axis;

3. корпуса, установленного на основании, с размещенной в нем электронной платой для обработки и передачи сигнала.3. a case installed on the base, with an electronic board located in it for processing and transmitting a signal.

Электропитание измерительных элементов, электронной платы и передача сигнала осуществляется через электрический кабель связи.Power supply of measuring elements, electronic circuit board and signal transmission is carried out through an electric communication cable.

Электронная плата обрабатывает сигнал от тензометрических преобразователей неэлектрических величин в соответствии с калибровочными данными, введенными в память при калибровке на специальном стенде.The electronic board processes the signal from strain gauge transducers of non-electrical quantities in accordance with the calibration data entered in the memory during calibration on a special stand.

ДВН включает в себя всю измерительную цепочку и выдает готовый результат измерения вертикальной нагрузки от приводной цепи на ДВН.DVN includes the entire measuring chain and gives the finished result of measuring the vertical load from the drive circuit to the DVN.

Далее, посредством пересчета по определенному алгоритму результата измерения вертикальной нагрузки, с учетом геометрии установки ДВН под ведущей ветвью приводной цепи, величины прогиба цепи и других геометрических данных системы привода, можно с определенной точностью контролировать крутящий момент на роторе буровой установки.Further, by recalculating, according to a certain algorithm, the result of measuring the vertical load, taking into account the geometry of the DVN installation under the leading branch of the drive chain, the amount of deflection of the chain and other geometric data of the drive system, it is possible to control the torque on the rotor of the drilling rig with a certain accuracy.

Измерение величины вертикальной нагрузки происходит следующим образом:The measurement of the vertical load is as follows:

При передаче крутящего момента через цепной привод на вал редуктора ротора буровой установки ведущая ветвь приводной цепи натягивается и, стремясь выпрямиться, воздействует на зубчатое колесо ДВН нагрузкой, пропорциональной передаваемому цепью крутящему моменту. Звездочка, в свою очередь, пропорционально этой нагрузке прогибает гибкие балки, на которые она опирается. Наклеенные на балки тензометрические преобразователи неэлектрических величин выдают электрический сигнал, пропорциональный прогибу упругих балок. Далее электрический сигнал обрабатывается встроенной электронной платой, и, в соответствии с калибровочными данными, занесенными в электронную память ДВН, вычисляется величина вертикальной нагрузки. Результаты измерения выдаются в виде электрического сигнала.When transmitting torque through a chain drive to the shaft of the rotor of the drilling rig rotor, the driving branch of the drive chain is pulled and, in order to straighten, acts on the gear of the DVN with a load proportional to the torque transmitted by the chain. The asterisk, in turn, in proportion to this load bends the flexible beams on which it rests. The strain gauge transducers of non-electric quantities glued to the beams give an electrical signal proportional to the deflection of the elastic beams. Next, the electrical signal is processed by the built-in electronic board, and, in accordance with the calibration data recorded in the electronic memory of the DVN, the magnitude of the vertical load is calculated. The measurement results are displayed as an electrical signal.

Крутящий момент на ведомой звездочке, вычисляется по следующей формуле:The torque on the driven sprocket is calculated by the following formula:

где L - длина участка цепи между ведомой звездочкой и звездочкой датчика вертикальной нагрузки ДВН, м;where L is the length of the section of the chain between the driven sprocket and the sprocket of the vertical load cell sensor DVN, m;

F - сила, измеренная ДВН, Н;F is the force measured DVN, N;

D - диаметр ведомой шестерни, м,D is the diameter of the driven gear, m,

h - высота прогиба цепи, м.h - chain deflection height, m

крутящий момент на роторе вычисляется по следующей формулеrotor torque is calculated using the following formula

где К - коэффициент редуктора ротора.where K is the coefficient of the rotor gearbox.

Описание рисунковDescription of drawings

На рисунке 1 представлен датчик вертикальной нагрузки от приводной цепи, при передаче цепью крутящего момента на ротор буровой установки, в сборе.Figure 1 shows the sensor of the vertical load from the drive chain, when the chain transmits torque to the rotor of the drilling rig, complete.

Claims

DVN vertical load sensor, including a metal base, on which elastic metal beams are rigidly fixed on one side, on which tensometric transducers of non-electric quantities are glued, and on the free ends of the elastic beams an axis is mounted on bearings, characterized in that a gear wheel with a tooth pitch is mounted on the axis corresponding to the pitch of the links of the drive chain with which it is operated, which is engaged with the chain, as well as the fact that a housing with it contains an electronic board for processing a signal from strain gauge converters of non-electric quantities and transmitting data on the results of vertical load measurements, including a microcontroller with a calculation program and memory.