книги из ГПНТБ / Овчаренко, В. М. Основы автоматизации производства и контрольно-измерительные приборы учебник

Рис. 57. Общий вид показывающих приборов изме­ рителя МКН:

а — П РП -1; б — ПРП-2

100

Порядок определения веса бурового снаряда прибором ПРП-2 аналогичен ПРП-1. При определении осевой нагрузки в зависимости от того, ведется ли бурение с разгрузкой или дополнительной на­ грузкой, переключатель Вв соответственно ставится в положение «Шпиндель вверх» или «Шпиндель вниз». Положения остальных переключателей аналогичны ПРП-1. Измерение нагрузки на крюке возможно только при наличии датчика ДНР-1 или ДНС-1.

Для взятия более точных отсчетов осевой нагрузки, что бывает необходимо при встрече угольных пластов, переключатель Въ ста­ вится в положение «Т : 3». В этом случае цена одного деления шкалы «Нагрузка» уменьшается в три раза.

Г л а в а 6

ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА

Измерение и регистрация крутящего момента позволяют судить о характере буримых пород, о мощности, затрачиваемой на бурение и спуско-подъемные операции, и производить анализ баланса рабо­ чего времени бурового станка.

По принципу действия измерители крутящего момента можно разбить на четыре группы.

Работа приборов первой группы основана на свойстве ферромаг­ нитных материалов изменять свою магнитную проницаемость под действием механических сжатий и растяжений, возникающих в мате­ риале при передаче крутящего момента. Изменение магнитной проницаемости фиксируется магнитоупругим датчиком, на выходе которого создается переменная э. д. с., пропорциональная крутящему моменту Эта э. д. с. измеряется прибором. На данном принципе работают измерители крутящего момента, входящие в состав комплек­ сной аппаратуры ИРБ, ПКМ и ТИС-1200.

В приборах второй группы изменение крутящего момента вызы­ вает перемещение механических деталей, воздействующее на мем­ брану. Это в свою очередь приводит к изменению давления масла, измеряемого прибором манометрического типа. На данном принципе работает измеритель крутящего момента аппаратуры ГП-18А.

Работа приборов третьей группы основана на зависимости между крутящим моментом, действующим на шпиндель бурового станка, и активной мощностью, потребляемой электродвигателем этого станка. К приборам данной группы относятся соответствующим образом переделанные показывающие и самопишущие ваттметры, а также измеритель и автоматический ограничитель крутящего момента ОМ40, рассматриваемые в данной главе.

Вприборах четвертой группы, к которым относится описываемый

вданной главе измеритель крутящего момента ИКМ, изменение момента вызывает пространственное перемещение деталей датчика, передаваемое с помощью сельсинной пары и реверсивного двигателя на показывающий и регистрирующий приборы.

101

§ I. САМОПИШУЩИЙ ВАТТМЕТР Н-348

Как известно, всякое изменение механической нагрузки на валу электродвигателя приводит к изменению скорости вращения его ротора, что в свою очередь вызывает изменение тока ротора, а сле­ довательно, и тока, поступающего в статор.

Активная мощность, потребляемая трехфазным электродвига­ телем от сети,

где Р г — активная мощность в Вт; U — линейное напряжение в В; / — линейный ток в А; ср — угол сдвига фаз между фазным напряже­ нием и фазным током.

С другой стороны, вращающий момент на валу двигателя, а сле­ довательно, и крутящий момент, действующий на шпиндель бурового станка,

где М 2 — вращающий (крутящий) момент в кгс-м; Р 2 — полезная мощность на валу двигателя в кВт; ге2 — скорость вращения ротора двигателя.

Отношение полезной мощности к потребляемой есть не что иное, как к. п. д. двигателя

Таким образом, крутящий момент может быть выражен через потребляемую мощность, к. п. д. и скорость вращения двигателя

где i \ — потребляемая двигателем мощность в кВт.

При подсчете крутящего момента необходимо учитывать, что часть мощности, потребляемой двигателем от сети, затрачивается на холостое вращение. Поэтому Р г = Pw — Рхх, где Pw — пока­ зание ваттметра, а Рхх — мощность холостого хода. Кроме того, при градуировке о д н о ф а з н ы х ваттметров учитывается также, что мощность, потребляемая трехфазным двигателем, в три раза больше мощности, поступающей на прибор.

Пример. При скорости вращения шпинделя бурового станка п = 128 об/мин

однофазный ваттметр показал мощность Pw = 12 кВт. Определить крутящий мо­

102

Использование самопишущего ваттметра феррорезонансной системы типа Н-348 для измерения и регистрации крутящего момента было предложено рационализаторами Норильской экспедиции. Транс­ форматор тока ТА (рис. 58), включенный в один из проводов трех­ фазной сети, соединен через многополюсныйпереключатель , Я с первичной обмоткой вспомогательного трансформатора напряже­ ния Т Р г; к вторичной обмотке этого трансформатора подключается амперметровая обмотка ваттметра, а вольтметровая обмотка через добавочное сопротивление

ростей вращения шпинделя. Из-за этого при отсутствии пере­ ключателя Я одинаковая потребляемая мощность, а следовательно, и одинаковое отклонение стрелки прибора соответствовали бы раз­ ным значениям крутящего момента. Так, например, для станков ЗИФ-1200 А при скорости вращения шпинделя 67 об/мин максималь­ ная мощность, потребляемая двигателем, соответствует крутящему моменту 578,9 кгс-м, при п =128 об/мин М = 302,3 кгс-м, при п = = 238об/минМ = 163,2 кгс■ми при п = 346 об/минМ = 112,2 кгс-м.

Чтобы сделать шкалу единой для всех скоростей станка, в прибор введен переключатель Я , с помощью которого при одинаковой мощ­ ности, потребляемой двигателем, изменяют мощность сигнала, по­ даваемого в прибор, так, чтобы она была кратна отношению моментов на разных скоростях станка.

Регистрация крутящего момента осуществляется на диаграммной ленте, продвигающейся со скоростью 60 мм/ч. Так как на ленте прибора Н-348 масштаб нанесен в кВт, то для облегчения

103

расшифровки записи рассчитываются и вычерчиваются масштабные линейки для перевода кВт в кгс-м. Диаграммные ленты позволяют анализировать параметры бурения и выявлять простои при мини­ мальном объеме хронометражных работ.

§ 2. ИЗМЕРИТЕЛЬ И АВТОМАТИЧЕСКИЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ОМ40

Прибор ОМ40 предназначен для:

измерения крутящего момента на шпинделе бурового станка с асинхронным электродвигателем и ступенчатой коробкой передач; предупредительной сигнализации о превышении крутящим момен­

том заранее заданной величины; автоматического ограничения крутящего момента путем отклю­

чения электродвигателя станка или путем подъема бурового инстру­ мента (при бурении с гидравлической подачей);

оценки нагрузки на крюк талевой системы и предупредительной сигнализации о перегрузке при подъеме бурового инструмента.

Основные технические данные

Прибор комплектуется в двух вариантах. В комплект 1, обеспе­ чивающий автоматическое ограничение крутящего момента только путем отключения электродвигателя бурового станка, входят пульт прибора ОМ40, трансформатор тока и кабель питания. Этот комплект можно устанавливать как при бурении со свободной подачей, так

ипри бурении с гидроподачей.

Вкомплект 2, обеспечивающий автоматическое ограничение момента отключением электродвигателя или подъемом бурового инструмента, дополнительно входят панель гидравлической защиты, кабель этой панели и пять гидравлических рукавов. Этот комплект можно устанавливать только на станках, оборудованных гидравли­ ческой подачей.

104

Принцип работы

Структурная схема прибора ОМ40, показанная на рис. 59, состоит из трех основных частей: измерительного блока, блока сигнализации и блока автоматического ограничения момента.

Рис. 59. Структурная схема прибора ОМ40

В состав измерительного блока входят два трансформатора Т р х и Т р 2, квадратичный фазовый детектор КФД, эмиттерный повто­ ритель ЭП2и измерительный прибор магнитоэлектрической системы. Первичная обмотка трансформатора Т р х включена между одним из линейных проводов и средней точкой обмоток статора электродви­ гателя, благодаря чему на нее подается фазовое напряжение Щ. Первичная обмотка трансформатора Т р2 присоединена к транс­ форматору тока ТА, включенному в линейный провод, благодаря чему напряжение, подаваемое на эту обмотку, пропорционально фазному току / ф.

105

Квадратичный фазовый детектор преобразует поданные на него переменные напряжения в напряжение постоянного тока, пропор­ циональное а к т и в н о й мощности. Необходимость ф а з о в о г о детектирования объясняется тем, что активная мощность Р — = UI cos ср и поэтому величина постоянного напряжения на выходе детектора должна зависеть не только от амплитуд поданных на его

напряжения сдвигуты относительно друг друга на четверть периода, угол сдвига фаз ф = 90°, cos ф = 0 и активная мощность в этом случае также равна нулю.

С выхода фазового детектора постоянное напряжение, пропор­ циональное измеряемой мощности, а следовательно, и крутящему моменту, подается через эмиттерный повторитель ЭП 2 на измери­ тельный прибор магнитоэлектрической системы. Эмиттерный повто­ ритель согласовывает высокое выходное сопротивление фазового детектора с низким сопротивлением прибора. Шкала прибора отгра­ дуирована от 0 до 250 кгс-м, максимальному отклонению стрелки соответствует напряжение 3 В. В приборе предусмотрен делитель,

При холостом вращении бурового инструмента, когда крутящий момент равен нулю, двигатель все же потребляет определенную активную мощность, на выходе фазового детектора появляется напряжение, но стрелка прибора при этом должна находиться на нуле. Это достигается подачей на измерительный прибор встречного напряжения через переменное сопротивление «Уст. нуля».

В состав блока сигнализации входят эмиттерный повторитель ЭП3, пульс-пара ПП, собранная на двух транзисторах, реле Р г и переклю­ чатель-уставка «Перегрузка». Отрицательное по отношению к кор­ пусу напряжение постоянного тока с выхода фазового детектора через эмиттерный повторитель поступает на базу первого транзистора пульс-пары. Одновременно на базу с переключателя «Перегрузка» подается определенное положительное напряжение, соответствующее выбранному для сигнализации значению крутящего момента. Пока крутящий момент не превышает установленного значения, отрица­ тельное напряжение, снимаемое с выхода фазового детектора, меньше положительного напряжения, подаваемого на базу с переключателя «Перегрузка», транзистор заперт, пульс-пара не работает, реле Р г обесточено, его контакты 1Р х разомкнуты и сигнальная лампа СЛ не горит. Когда же крутящий момент превысит установленное значение, напряжение на выходе фазового детектора будет больше напряжения уставки, результирующее напряжение на базе станет отрицательным, транзистор откроется и пульс-пара заработает. Через обмотку реле Р г, включенную в цепь коллектора второго транзистора пульс-пары, будут проходить импульсы тока, кон­

106

такты 1Р г начнут периодически замыкаться и размыкаться и лампа будет мигать, сигнализируя о перегрузке.

В состав блока автоматического ограничения момента входят эмиттерный повторитель ЭП Х, усилитель постоянного тока УПТ, реле Р 2 и переключатель-уставка «Ограничение». Пока крутящий момент не превышает значения, установленного для ограничения, положительное напряжение, подаваемое с переключателя уставки, больше отрицательного напряжения, поступающего с фазового детек­ тора через эмиттерный повторитель, результирующее напряжение

питания магнитного пускателя МП, а разомкнутые контакты 2Р 2 и 4 Р 2 не замыкают цепи сигнальной лампы и электрогидравлического золотника. Когда же крутящий момент превысит установленное для ограничения значение, результирующее напряжение на базе тран­ зистора УПТ станет отрицательным, транзистор откроется, включен­ ное в его коллекторную цепь реле Р 2сработает и самозаблокируется. При этом контакты ЗР 2 разомкнут цепь магнитного пускателя, который отключит статор электродвигателя от питающей сети, что приведет к остановке станка. Контакты 2Р 2замкнут цепь сигнальной лампы, а контакты 4Р 2 — цепь обмотки соленоида электрогидравли­ ческого золотника, находящегося на панели гидравлической защиты; последнее приведет к подъему бурового инструмента. Возврат схемы в исходное положение осуществляется нажатием кнопки «Съем», разрывающей цепь самоблокировки реле Р 2 (на рис. 59 не показана).

Эксплуатация

Пульт прибора крепится на стене буровой, трансформатор тока монтируется внутри магнитной станции, а панель гидрозащиты — на буровом станке. Электрическое соединение узлов аппаратуры осуществляется с помощью кабелей, входящих в комплект прибора.

Для подготовки прибора к работе необходимо включить питание

ипри холостом ходе электродвигателя станка ручкой «Уст. нуля» поставить стрелку прибора на нуль. При этом переключатель шкалы прибора должен находиться в положении, соответствующем скорости вращения бурового станка. Затем устанавливаются в требуемое положение переключатели уставок «Перегрузка» и «Ограничение».

Впроцессе эксплуатации необходимо устанавливать прибор на нуль после окончания каждого рейса, но не реже одного раза в смену

икаждый раз при изменении скорости вращения шпинделя. При спуско-подъемных операциях переключатели «Перегрузка» и «Огра­ ничение» следует устанавливать в положение «Отключено».

§ 3, ИЗМЕРИТЕЛЬ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ИКМ

Прибор ИКМ применяют при глубоком эксплуатационном буре­ нии. Этот прибор может применяться самостоятельно для измерения одного параметра или в комплекте пульта контроля процесса

107

бурения — ПКБ-3. Принципиальная схема прибора ИКМ показана на рис. 60. ч

Датчик момента I монтируется в специальном приспособлении ПДМ1, состоящем из крепежной плиты и натяжного ролика. Натяж­ ной ролик 3 располагается посередине между центрами цепных колес ротора 2 и лебедки 1, соприкасаясь с поверхностью цепи, имеющей заранее установленную стрелу прогиба. При передаче крутящего момента происходит натяжение цепи, в результате чего создается усилие на балку 4 измерительного элемента, вызывающее

Рис. 60. Измеритель крутящего момента:

I — датчик, I I — указатель, I I I — регистратор

ее изгиб. Через дезаксиальный кривошипно-шатунный механизм 5 и трибосекторную передачу 6 прогиб балки преобразуется в угловое перемещение, сообщаемое ротору сельсина-датчика 7. Чтобы избежать недопустимых погрешностей передачи угла из-за значительной нагрузки на ротор сельсина-приемника 8, включение осуществлено по трансформаторной схеме. При такой схеме напряжение питания подается только к обмоткам возбуждения сельсина-датчика. Вели­ чина и фаза наведенного напряжения в однофазной обмотке сель­ сина-приемника будет определяться разностью положений роторов сельсинов. Это напряжение через усилитель 9 поступает на упра­ вляющую обмотку ОУ реверсивного двигателя 11 {РД-09), который будет вращать ротор сельсина-приемника до тех пор, пока угол рассогласования, а следовательно, и выходное напряжение сельсинаприемника не станет равным нулю. Вал реверсивного двигателя механически связан со стрелкой показывающего прибора 12, дубли­ рующим сельсином 13 и через редуктор 10 с сельсин-приемником 8.

108

Дублирующий сельсин указателя соединен с сельсином регистра­ тора 18 по индикаторной схеме. На оси регистрирующего сельсина посажен кулачок 14, отклоняющий водило 16 с пером 17. Водило прижимается к кулачку пружиной 15. Запись показаний возможна на круглом бланке или диаграммной ленте. Наличие в составе схемы

реверсивного двигателя с редуктором (i = замедляет действие

прибора и тем самым исключает размазывание записи из-за резких динамических нагрузок, возникающих при движении цепи.

В практике горно-буровых работ часто производят измерения количества и расхода различных жидкостей, смесей, воздуха и газа. Так, например, при бурении разведочных и эксплуатационных скважин необходимо контролировать количество подаваемой в сква­ жину промывочной жидкости или газа. При тампонаже скважин обязательно измеряют количество закачиваемых смесей и растворов, что позволяет контролировать подачу тампонажного раствора в нуж­ ном количестве и в заданный участок скважины.

Измерения количества и расхода также производят при определе­ нии дебита и удельного дебита в эксплуатационных скважинах на нефть, газ и воду.

Количество — это масса или объем вещества, протекающего по

где Q' — измеренное количество вещества; q — количество вещества, проходящее через прибор за один рабочий ход; п — число ходов механизма, измеряющего количество.

Количество вещества измеряют в кг и м3, объемный расход газов, воздуха и жидкостей — в м3/ч, м3/мин, м3/с, а массовый расход — в кг/с, кг/мин, кг/ч, т/ч.

Приборы для измерения количества называются счетчиками, а для измерения расхода — расходомерами.

Возможна также комбинированная конструкция прибора, когда расходомер снабжается счетным устройством. В этом случае измеряют одновременно расход и количество.

109