Силоизмерительный датчик крутящего момента ротора буровой установки

Полезная модель относится к области эксплуатации и обслуживания буровых установок и предназначена для контроля крутящего момента роторного стола на буровых установках с цепным приводом.
Контроль крутящего момента ротора буровых установок является эффективным средством борьбы с авариями, вызванными обрывами бурильных труб. Обрывы происходят при возникновении критических моментов, превышающих предел прочности материала бурильных труб из - за заклинивания долота на забое и т. п. причин. При слишком высоких нагрузках, либо слишком продолжительной работе шарошечного долота на забое нередко разрушаются подшипники его опор, приводящие к выходу из строя всего оборудования буровой установки.
Известен индикатор крутящего момента ротора буровой установки (SU 1258988, Кл. Е21В 45/00, 1986 г), содержащий корпус, вал ротора с двумя зубчатыми колесами, одно из которых укреплено на валу привода, а другое служит для его механической связи с зубчатым колесом вала ротора. Валы ротора и привод расположены соосно, а корпус установлен на валах с возможностью поворота и связан с силовым измерителем.
Однако из-за наличия дополнительной зубчатой передачи в цепи трансмиссии усложняется конструкция и снижается КПД оборудования. Кроме того, поворотный корпус часто выходит из строя из-за высоких нагрузок во время буровых работ, что сказывается на не высокой работоспособности устройства.
o
Известен индикатор крутящего момента ротора буровой установки (RU 2179632, Кл. E21B 45/00, G01L 3/02, 2002 г), содержащий поворотный корпус, входной и выходной валы, зубчатую передачу между входным и выходным валами и силоизмеритель, с одной стороны связанный с корпусом шарнирными тягами, а с другой стороны - непосредственно с неподвижным основанием. Входной и выходной валы расположены под углом 90друг к другу, при этом выходной вал выступает консольно по обе стороны корпуса, опирается с обеих сторон на подшипники, связанные с неподвижным основанием, и образует ось поворота корпуса, а силоизмеритель размещен в плоскости, параллельной входному валу.
Недостатком известного устройства является его низкая эксплуатационная надежность.
Прототипом полезной модели является датчик вертикальной нагрузки ДВН (RU 111649, Кл. G01L9/04, 2011 г), включающий металлическое основание, на котором жестко закреплены одной стороной упругие металлические балки, на которых наклеены тензометрические преобразователи неэлектрических величин. На свободных концах упругих балок закреплена на подшипниках ось, на которой установлено зубчатое колесо с шагом зубьев, соответствующим шагу звеньев приводной цепи, с которой он эксплуатируется и которое вводят в зацепление с цепью. На основании датчика 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
Однако, из-за жестких связей датчика с платформой во время работы буровой установки, которая осуществляется в режиме высоких нагрузок и вибрации, возможна его поломка, ведущая к аварийным ситуациям. Кроме того, из-за жесткого крепления датчика к платформе усложняется его регулировка и подготовка к работе.
Проблемой полезной модели является разработка датчика крутящего момента буровой установки, с высокой эксплуатационной надежностью.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности за счет устойчивости к скачкообразным пусковым нагрузкам и знакопеременным нагрузкам при изменении направления движения приводной цепи.
Поставленная проблема и технический результат достигаются тем, что силоизмерительный датчик крутящего момента ротора буровой установки включает металлическое основание, на котором закреплен первичный преобразователь неэлектрических величин, связанный с блоком электроники для обработки данных и зубчатое колесо с шагом зубьев, соответствующим шагу звеньев приводной цепи, входящей в зацепление с зубьями зубчатого колеса. Согласно полезной модели зубчатое колесо закреплено с помощью двух симметрично расположенных по бокам зубчатого колеса упругих элементов – рессор. Ось вращения зубчатого колеса закреплена на загнутых вверх упругих элементах рессор, а свободные концы горизонтальных участков рессор жестко закреплены на поворотной площадке взаимодействующей с первичным преобразователем через тяговый палец.
Для исключения выхода из строя дорогостоящего первичного преобразователя, тяговый палец выполнен со срезным штифтом.
Для обеспечения плавной регулировки и центровки датчика во время пуско – наладочных работ, металлическое основание снабжено подъемным механизмом, выполненным в виде подвижной каретки внутри которой смонтированы направляющие с установленными в них пальцами. Каретка связана тягой с регулировочным винтом.
Металлическая конструкция и блок электроники для его питания и передачи данных по цифровой линии связи в стандарте MicroLan выполнен во взрывозащищенном исполнении.
Наличие упругих элементов – рессор, обеспечивает снижение нагрузки скачкообразных жестких ударов и синусоидальных вибраций от цепи через зубчатое колесо на первичный преобразователь. Загнутые вверх свободные концы упругих элементов конструктивно обеспечивают крепление механизма зубчатого колеса. Рессоры создают необходимый пружинящий эффект для обеспечения сглаживания жестких ударов на первичный преобразователь. Связь первичного преобразователя с зубчатым колесом через тяговый палец создает благоприятные условия для передачи усилия от зубчатого колеса к первичному преобразователю, так как палец является предохранительным элементом, рассчитанным на обрыв при превышении максимально допустимых нагрузок.
Наличие подъемного механизма в металлическом основании облегчает пуско-наладочные работы за счет того, что с помощью одного регулировочного винта возможно обеспечить регулировку рабочего положения всего датчика, что значительно упрощает процесс подготовки к работе на буровой установке.
Общий вид силоизмерительного датчика крутящего момента ротора буровой установки представлен на чертеже.
Силоизмерительный датчик крутящего момента ротора буровой установки выполнен во взрывозащищенном исполнении и включает металлическое основание 1, на котором закреплен тензометрический первичный преобразователь 2 неэлектрических величин, связанный для обработки данных с блоком электроники (на фиг. не показано) кабелем 3. На основании 1 также закреплено зубчатое колесо 4 с шагом зубьев, соответствующим шагу звеньев приводной цепи (на фиг. не показано), входящей в зацепление с зубьями зубчатого колеса 4. Зубчатое колесо 4 закреплено на основании 1 с помощью двух упругих элементов – рессор 5 симметрично расположенных по бокам зубчатого колеса 4. Ось 6 вращения зубчатого колеса 4 закреплена на загнутых вверх концах 7 упругих элементах 5. Свободные концы горизонтальных участков упругих элементов 5 рессор жестко закреплены на поворотной площадке (на фиг. не показано) взаимодействующей с первичным преобразователем 2 через тяговый палец 8 со срезным штифтом 9. В полости основания 1 установлен подъемный механизм, включающий подвижную каретку 10, внутри которой расположены направляющие 11 с установленными в них пальцами 12. Каретка 10 связана тягой 13 с регулировочным винтом 14. Кабель 3 также используется для питания блока электроники и передачи данных по цифровой линии связи в стандарте MicroLan.
Силоизмерительный датчик крутящего момента ротора буровой установки предназначен для преобразования приложенной силы в пропорциональный электрический код и применяется в составе станции геолого-технологических исследований для измерения крутящего момента силы на роторе редуктора. Основной областью его применения является измерение крутящего момента силы, при этом измеряется механическая сила, возникающая в одном из звеньев привода ротора. Пересчет измеренной силы в крутящий момент силы должен выполняться по:
– локальной схеме установки на месте эксплуатации с учетом характеристик (передаточных коэффициентов редукторов приводов и оборудования) всех передающих звеньев между точкой измерения и ротором;
– градуировочной характеристике датчика, снятой на месте эксплуатации.
В качестве преобразователей силы в пропорциональный электрический сигнал применяют первичные преобразователи тензометрического типа 2.
Силоизмерительный датчик крутящего момента используют в станциях геолого-технологических исследований (ГТИ) на буровых установках имеющих цепь в приводе ротора. Крутящий момент определяют по измерению изменения натяжения цепной передачи датчиком, который устанавливают под ведущей ветвью цепи привода. Датчик устанавливают под горизонтальной ветвью цепного привода ротора. После установки производится предварительный натяг цепи для создания угла отклонения цепи от горизонтального положения, что способствует возникновению усилия на датчик в связи с разложением вектора тягового усилия на вектор горизонтальный и вертикальный в направлении установленного датчика.
Усилие, возникающее на датчике прямо пропорционально углу предварительного натяга цепи или его вертикальному линейному отклонению.
Настройка датчика – его калибровка производится по показаниям первичного преобразователя и эталонного силоизмерительного датчика. Чувствительность датчика зависит от величины предварительного натяга цепи в паре с датчиком.
Принцип работы датчика заключается в измерении силы натяжения цепи привода первичным тензометрическим преобразователем 2. Усилие, воздействующее на зубчатое колесо 4, через тяговый палец 8 передается на тензометрический преобразователь 2. При изменении крутящего момента на роторе, изменяется натяжение цепи привода, вследствие этого изменяется величина нагрузки на зубчатое колесо 4, которая при помощи упругих элементов 5 действует на преобразователь 2. Аналоговый сигнал датчика принимается блоком электроники и оцифровывается для дальнейшей передачи данных.
Усилие, воспринимаемое преобразователем 2, преобразуется в цифровой сигнал блоком электроники. Выходной величиной датчика является код аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), который соответствует воздействующему усилию. Через кабель 3 осуществляется питание блока электроники и передача данных по цифровой линии связи в стандарте Micro Lan.
Для предотвращения поломки первичного преобразователя 2 при превышении максимальной нагрузки на звездочку, предусмотрен срезной штифт, входящий в комплект принадлежностей.
Датчик прошел опытно-промышленные испытания на ОАО «СУРГУТНЕФТЕГАЗ», ОАО Газпромнефть-Ноябрьскнефтегазгеофизика, а также на ОАО «Нижневартовскнефтегеофизика». Испытания показали высокую надежность, устойчивость к скачкообразным пусковым и знакопеременным нагрузкам при изменении направления движения приводной цепи.