ДАТЧИК ВЕРТИКАЛЬНОЙ НАГРУЗКИ ОТ ПРИВОДНОЙ ЦЕПИ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ЦЕПЬЮ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА НА РОТОР БУРОВОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к технике эксплуатации и обслуживания буровых установок.
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.
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.
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.
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.
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.
Целью полезной модели является повышение надежности оборудования контроля крутящего момента на роторе буровой установки.
Цель достигается за счет конструкции датчика вертикальной нагрузки.
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.
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.
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.
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.
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.
За счет этого достигаются оперативность и простота получения данных о вертикальной нагрузке и крутящем моменте на роторе.
Осуществление полезной модели
Датчик вертикальной нагрузки (ДВН) состоит из трех частей:
1. металлического основания с жестко закрепленными на нем одним концом двух упругих металлических балок. На балках наклеены тензометрические преобразователи неэлектрических величин;
2. оси закрепленной на подшипниках на свободных концах упругих балок. На оси установлено зубчатое колесо-звездочка с шагом зубьев, соответствующих шагу звеньев цепи привода;
3. корпуса, установленного на основании, с размещенной в нем электронной платой для обработки и передачи сигнала.
Электропитание измерительных элементов, электронной платы и передача сигнала осуществляется через электрический кабель связи.
Электронная плата обрабатывает сигнал от тензометрических преобразователей неэлектрических величин в соответствии с калибровочными данными, введенными в память при калибровке на специальном стенде.
ДВН включает в себя всю измерительную цепочку и выдает готовый результат измерения вертикальной нагрузки от приводной цепи на ДВН.
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.
Измерение величины вертикальной нагрузки происходит следующим образом:
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.
Крутящий момент на ведомой звездочке, вычисляется по следующей формуле:
где L - длина участка цепи между ведомой звездочкой и звездочкой датчика вертикальной нагрузки ДВН, м;
F - сила, измеренная ДВН, Н;
D - диаметр ведомой шестерни, м,
h - высота прогиба цепи, м.
крутящий момент на роторе вычисляется по следующей формуле
где К - коэффициент редуктора ротора.
Описание рисунков
На рисунке 1 представлен датчик вертикальной нагрузки от приводной цепи, при передаче цепью крутящего момента на ротор буровой установки, в сборе.