淺談寬幅葉導(dǎo)輪壓緊扭矩采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 璐，黃新春，張光一，杜丹陽，李令喜

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

0 引言

在我國海上油田85%的機(jī)采井依靠潛油電泵舉升，其產(chǎn)量貢獻(xiàn)達(dá)到90%以上。由于常規(guī)電泵機(jī)組推薦的運(yùn)轉(zhuǎn)高效區(qū)較窄，而油田油藏地質(zhì)不確定性，導(dǎo)致油井實(shí)際產(chǎn)能產(chǎn)前預(yù)測不準(zhǔn)，電泵往往不能工作在其高效區(qū)內(nèi)，長期偏離高效區(qū)的運(yùn)行，將造成葉輪及止推墊片嚴(yán)重偏磨，影響電泵效率，大大降低運(yùn)行壽命[1]。此外，常規(guī)電泵不滿足油井后期產(chǎn)能變化需要，需要進(jìn)行換泵作業(yè)，造成生產(chǎn)時(shí)效降低、作業(yè)費(fèi)用和產(chǎn)油損失。

針對這些問題，設(shè)計(jì)開發(fā)寬幅潛油電泵產(chǎn)品，應(yīng)用效果良好。目前葉導(dǎo)輪壓緊工藝采用人工壓緊方式，存在費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、易粘扣等問題，為大規(guī)模生產(chǎn)，進(jìn)一步推廣、擴(kuò)大應(yīng)用，需要機(jī)械化替代手工操作，開發(fā)專用壓緊設(shè)備及工裝，制定不同型號(hào)、級數(shù)葉導(dǎo)輪的壓緊力矩標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)規(guī)程文件，簡化操作提高可靠性。因此急需設(shè)計(jì)開發(fā)扭矩采集系統(tǒng)，通過對寬幅葉導(dǎo)輪的壓緊力矩進(jìn)行測試采集數(shù)據(jù)，分析其變化規(guī)律，以確定寬幅葉導(dǎo)輪標(biāo)準(zhǔn)壓緊力矩，為機(jī)械化壓緊葉導(dǎo)輪提供技術(shù)支持。

1 壓緊工藝技術(shù)分析

寬幅泵裝配工藝中是將葉導(dǎo)輪壓緊裝配。采用的方法是依靠人工旋轉(zhuǎn)上泵頭，通過上泵頭擠壓葉導(dǎo)輪，達(dá)到壓緊的目的，壓緊工藝如圖1 所示。

圖1 壓緊工藝

目前存在的問題為：在壓緊過程中，人工壓緊無法保證完全均勻的加力，容易粘扣，也不可避免的會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)殼受力不均勻的情況；此外只能通過作業(yè)工人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行壓緊，但是寬幅泵少則幾十級多則幾百級，而且不同型號(hào)的葉導(dǎo)輪壓縮量也不同，壓緊扭矩難以控制和監(jiān)測，扭矩過大或未達(dá)到預(yù)設(shè)壓緊量狀態(tài)時(shí)，葉導(dǎo)輪的性能都將受到影響。

2 扭矩采集系統(tǒng)功能

針對以上背景，設(shè)計(jì)開發(fā)的扭矩采集系統(tǒng)具有以下功能：

（1）可針對不同寬幅葉導(dǎo)輪型號(hào)、級數(shù)，測量單級壓縮量、總壓縮量、扭矩等參數(shù)，實(shí)時(shí)記錄并處理檢測的扭矩?cái)?shù)據(jù)，生成報(bào)表。

（2）可判定粘扣及遇阻等特殊工況并及時(shí)給予報(bào)警聲光警示。

（3）當(dāng)達(dá)到預(yù)定壓縮量可自動(dòng)判斷完成葉導(dǎo)輪壓緊工作，并通過聲光提示制動(dòng)，從而通過手動(dòng)或自動(dòng)方式控制氣源的啟動(dòng)、停止及調(diào)節(jié)。

3 扭矩采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

扭矩采集系統(tǒng)主要包括扭矩傳動(dòng)和測量控制兩個(gè)部分，由控制柜、扭矩傳感器（弾性軸、應(yīng)變片）、PLC 電控箱、氣動(dòng)壓緊機(jī)、氣體調(diào)壓閥、連接接頭、聲光報(bào)警器、聯(lián)軸器和工裝臺(tái)等組成（圖2）。

圖2 扭矩采集系統(tǒng)

扭矩采集系統(tǒng)工作過程及原理如下：

（1）系統(tǒng)通過外接氣源為氣動(dòng)壓緊機(jī)提供動(dòng)力，氣動(dòng)壓緊機(jī)與氣源間設(shè)有氣體調(diào)壓閥和過濾器，通過氣體調(diào)壓閥調(diào)節(jié)動(dòng)力源大小來控制氣動(dòng)壓緊機(jī)的輸出扭矩。

（2）扭轉(zhuǎn)傳感器由弾性軸與應(yīng)變片組成，采用應(yīng)變片電測技術(shù)，在彈性軸上組成應(yīng)變橋，向應(yīng)變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號(hào)。將該應(yīng)變信號(hào)放大后，經(jīng)過壓/頻轉(zhuǎn)換，變成與扭應(yīng)變成正比的頻率信號(hào)，扭矩傳感器原理如圖3 所示，輸送給控制柜進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測輸出扭矩的大小。

圖3 扭矩傳感器原理

此輸出扭矩即壓緊力矩，其可等效成軸向力，也就是葉導(dǎo)輪壓緊作業(yè)時(shí)的壓緊力。

根據(jù)機(jī)械原理推導(dǎo)螺栓擰緊力矩與軸向力的關(guān)系式（1）如下：

式中 M——擰緊力矩，N·m

P——螺栓軸向力，N

d2——螺紋中徑，mm

λ——螺紋升角，°

f——螺母與被連接面之間的摩擦系數(shù)

ρ——螺旋副的當(dāng)量摩擦角，°

R——螺母承力面外半徑，mm

r——螺母承力面內(nèi)半徑，mm

經(jīng)過簡化可得螺栓擰緊力矩與軸向力的簡化式（2）如下：

式中 d——公稱直徑，mm

k——螺栓擰緊力矩系數(shù)

轉(zhuǎn)速測量如圖4 所示，通過光耦合及相應(yīng)的處理電路，將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，輸送給控制柜進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。旋轉(zhuǎn)設(shè)備每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈輸出60 個(gè)脈沖。

圖4 轉(zhuǎn)速測量原理

頻率輸出信號(hào)電氣特性：當(dāng)扭矩為0 時(shí)，頻率為10 kHz±10 Hz；當(dāng)負(fù)額定扭矩時(shí)，頻率為5 kHz±10 Hz；當(dāng)正額定扭矩時(shí)，頻率為15 kHz±10 Hz。扭矩及轉(zhuǎn)速頻率輸出電氣特性如圖5 所示，扭矩傳感器主要性能見表1。

表1 扭矩傳感器主要性能

圖5 扭矩及轉(zhuǎn)速頻率輸出電氣特性

（3）扭矩傳動(dòng)部分包括連接接頭、聯(lián)軸器、固定卡套和支架。連接接頭用于對接寬幅泵和扭矩采集系統(tǒng)；聯(lián)軸器用于氣動(dòng)壓緊機(jī)和扭矩傳感器、扭矩傳感器和連接接頭間的連接與扭矩傳輸。

（4）聲光報(bào)警器連接扭矩傳感器，可實(shí)時(shí)顯示并采集傳感器狀態(tài)，通過PLC 遠(yuǎn)程上報(bào)設(shè)備狀態(tài)，并可根據(jù)設(shè)定要求對扭矩突然增大的情況進(jìn)行聲光報(bào)警（黃色為機(jī)器啟動(dòng)未工作狀態(tài)、綠色為機(jī)器正常工作過程狀態(tài)、桔色為扭矩突然增大報(bào)警狀態(tài)，紅色為完成壓緊或達(dá)到預(yù)設(shè)壓緊量狀態(tài)）。

（5）聲光報(bào)警器、扭矩傳感器、氣體減壓閥、聲光報(bào)警器與PLC 連接，PLC與控制柜連接。

（6）測量控制系統(tǒng)包括控制柜和控制軟件，軟件內(nèi)可輸入泵系列、葉輪型號(hào)、級數(shù)、單級壓縮量、總壓縮量、設(shè)定扭矩等參數(shù)，實(shí)時(shí)記錄并處理檢測扭矩?cái)?shù)據(jù)，可輸出“扭矩—壓縮量”曲線，生成報(bào)表；可判定粘扣及遇阻等特殊工況并及時(shí)給予報(bào)警聲光警示，當(dāng)達(dá)到預(yù)定壓縮量可自動(dòng)判斷完成葉導(dǎo)輪壓緊工作，并通過聲光提示制動(dòng)，從而通過手動(dòng)或自動(dòng)方式控制氣源的啟動(dòng)、停止及調(diào)節(jié)。

4 結(jié)束語

綜合考慮，設(shè)計(jì)開發(fā)的扭矩采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對寬幅葉導(dǎo)輪壓緊力矩的實(shí)時(shí)測試，為研究確定寬幅葉導(dǎo)輪標(biāo)準(zhǔn)壓緊力矩及機(jī)械化壓緊葉導(dǎo)輪提供技術(shù)支持。