Измерение крутящего момента

Главная цель контроля крутящего момента—предупреждение больших его значений, которые могут привести к скручиванию и обрыву колонны бурильных труб. Кроме того, измерение крутящего момента в сочетании с измерением осевой нагрузки позволяет су­дить о состоянии скважин, о характере разбуриваемых пород и о техническом состоянии породоразрушающего инструмента. Иссле­дования показывают, что 75—80% времени опоры шарошек долота работают в условиях постепенного износа, после чего наступает резкое увеличение износа, разрушение и заклинивание опоры. Воз­никающее при этом значительное увеличение крутящего момента указывает на необходимость прекращения долбления и замены до­лота.

Измерение момента на валу привода позволяет избежать многих осложнений в процессе бурения. Так, во время проводки глубоких, наклонных или искривленных скважин, когда инструмент «зависа­ет», а индикатор веса не «чувствует» нагрузку на забой, для косвен­ного контроля нагрузки на долото применяют моментомер. Он поз­воляет своевременно обнаружить начало образования сальника, зна­чительно облегчает проведение ловильных работ, а при аварийном перебуривании ствола избавляет от опасности зарезки в ствол, за­крепленный обсадной колонной. Моментомер незаменим для обнару­живания заклинивания опор долота. Во всех случаях этот прибор может работать как индикатор, абсолютные показания которого не интересны.

На рис. 10.2 приведена схема датчика типа ДМ, принцип действия которого заключается в использовании явления магнитоупругости вращающегося вала, передающего крутящий момент. Этот дат­чик конструктивно состоит из рабочего вала / и неподвижно за­крепленной в корпусе кольцевой электромагнитной системы, через отверстие которой свободно проходит вращающийся вал. Под действием приложенного крутящего момента в нем возникают меха­нические напряжения, которые приводят к изменению его магнитных характеристик. Кольцевая электромагнитная система совместно с охваченным ею участком рабочего вала образует электромагнит­ный преобразователь. Электромагнитная система состоит из двух цепей: возбуждения и измерительной. Цепь возбуждения представ­ляет собой кольцевой многополюсный статор 2 с катушками W₁, ко­торые включаются последовательно, обеспечивая чередование полю­сов. Ток в цепи возбуждения создает в материале вала магнитные потоки, пути которых показаны на рис. 10.2. Измерительная цепь представляет собой совокупность П-образных магнитопроводов 3, расположенных вдоль оси вала между полюсами возбуждения с из­мерительными катушками W₂, включенными последовательно.

При отсутствии крутящего момента и полной однородности вала чувствительного элемента суммарный магнитный поток возбужде­ния Фв направлен под прямым углом к оси измерительной катушки, и поэтому эдс в этих катушках не наводится.

Возникающие под действием крутящего момента механические напряжения приводят к такому изменению магнитных характеристик материала вала (чувствительного элемента), при котором магнит­ный поток направляется под некоторым (непрямым) углом к оси измерительной катушки. При этом появляется составляющая маг­нитного потока Фц, наводящая в измерительной катушке W₂ эдс. Из­менение направления скручивания приводит к изменению фазы вы­ходного сигнала на 180°. Индуцированная эдс в измерительной об­мотке измеряется соотношением

где К.—коэффициент пропорциональности; В—индукция, создавае­мая обмоткой возбуждения; Rм — магнитное сопротивление вала на участке между полюсами одного П-образного магнитопровода; С — коэффициент магнитоупругости; Rми. — магнитное сопротивление це­пи измерительной обмотки; σ_max — максимальное значение напряже­ния во вращающемся вале (σ_mах не должно превышать 0,3 МПа).

Магнитопроводы датчика выполнены из листовой трансформа­торной стали. Магнитная система датчика с обмотками после сбор­ки и проверки заливается эпоксидной смолой, что обеспечивает за­щиту от механических повреждений и герметизирует от внешней среды.

Характеристика датчика E=f(M) достаточно линейна и при диаметре его вала, равном 90 мм и изготовленном из стали марки 38ХМЮА, выражается зависимостью:

где Е— напряжение, В; М—момент силы, Н*м.

Длина участка вала, являющегося чувствительным элементом, изменяется в пределах 80—100 мм. На этой длине вал должен иметь один и тот же наружный и внутренний диаметры без каких-либо кольцевых расточек и шлицевых пазов.

Биение кольцевой магнитной системы датчика относительно ва­ла—чувствительного элемента—не должно превышать 0,1 мм. Датчики ДМ обладают незначительной чувствительностью к осевым усилиям, действующим на вал—чувствительный элемент. К их не­достаткам следует отнести зависимость коэффициента преобразова­ния от частоты вращения вала.

Схема моментомера для определения измеряемого параметра по натяжению цепи привода ротора показана на рис. 10.3. Изменение усилия цепи 1 привода ротора через ролик 3, закрепленный на ры­чаге 2, и упругий элемент 4 передается трибосекторному механизму 5,

который поворачивает ось ротора малоинерционного сельсина 6 датчика типа БС-3 на угол, пропорциональный измеряемому момен­ту. Сельсин 6 по трансформаторной схеме подключен к приемному сельсину 7 указателя. Сигнал рассогласования сельсинов через фазосдвигающую R—C цепочку подается на вход усилителя, выход которого подключен к управляющей обмотке реверсивного двигате­ля РД-09. Двигатель на оси имеет стрелку 8 указателя. Сельсин 7 механически связан с сельсином 9, который по индикаторной схеме подключен к сельсину 10. На оси ротора сельсина 10 закреплен ку­лачок 11, который управляет пером 12, записывающим изменение момента на диаграммном бланке.

Поскольку роторная цепь передает на датчик момента резкие динамические нагрузки с частотой в несколько герц, что может вы­звать размазывание записи, быстродействие прибора замедлено при­менением двигателя РД-09 с передаточным числом i=l/l37. Изме­ритель момента на роторе ИМР-2 имеет диапазоны измерения кру­тящего момента 0—30 кН*м, основная приведенная погрешность усилия, действующего на датчик, составляет ±2,5%.

Датчик момента монтируется в специальном приспособлении, ко­торое преобразует натяжение движущейся цепи в усилие, действую­щее на неподвижный датчик.