剪切閥泥漿脈沖器扭桿標定裝置研制

鮑東升 郭心宇 曲漢武

（中海油田服務股份有限公司，三河 065201）

剪切閥泥漿脈沖發(fā)生器擺動頻率高，調(diào)制方式豐富，傳輸速率在20 b·s-1以上。它的關鍵部件主要包括定子和轉(zhuǎn)子。扭桿的一端連接轉(zhuǎn)子，另一端連接驅(qū)動泥漿脈沖發(fā)生器的電機。工作時，轉(zhuǎn)子在電機的驅(qū)動下做一定角度的往復擺動，有規(guī)律地剪切流體產(chǎn)生脈沖壓力信號。信號經(jīng)過鉆桿傳輸?shù)降孛媪⒐苌希瑪?shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集立管上壓力傳感器的相關數(shù)據(jù)，通過解調(diào)系統(tǒng)解碼井下的壓力信號，從而獲得地層信息與工程參數(shù)[1-3]。

剪切閥泥漿脈沖發(fā)生器設計和制作時，充分考慮了水力轉(zhuǎn)矩對泥漿脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)子的關閉趨勢，設計了扭簧扭轉(zhuǎn)機構(gòu)，有效降低了脈沖發(fā)生器對電機轉(zhuǎn)矩及功率的需求，簡化了脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)。扭簧設計時，不同扭轉(zhuǎn)角度和對應的轉(zhuǎn)矩值之間有一個理論計算值。考慮到這個理論計算值的準確性，加工過程的誤差對這種對應關系產(chǎn)生的影響，所用材料可能造成的誤差以及影響實際轉(zhuǎn)矩的其他因素，脈沖發(fā)生器進入循環(huán)系統(tǒng)實驗或者井場鉆進時需要進行嚴格檢驗和標定，以便控制系統(tǒng)調(diào)整控制參數(shù)。由于扭簧扭轉(zhuǎn)裝置的剛度系數(shù)與電機瞬時輸出轉(zhuǎn)矩存在對應關系，為了能更精確地控制驅(qū)動電機，使電機輸出轉(zhuǎn)矩與扭簧扭轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)矩匹配，需要進行轉(zhuǎn)矩常數(shù)的標定。為此，設計了一套扭桿標定裝置，對脈沖器扭簧和電機進行檢驗和標定。

1 扭桿標定裝置結(jié)構(gòu)設計

剪切閥泥漿脈沖發(fā)生器扭桿標定裝置主要由扭矩測試儀和固定臺架組成[4-5]，如圖1 所示。標定的扭桿放入電機中并由電機驅(qū)動，電機由上下V 形板緊固住，扭桿尾端與扭桿測試儀用聯(lián)軸器連接。由驅(qū)動板驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子在某個角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度間隔0.5°，電機轉(zhuǎn)子與扭桿以相同的角速度運動。電機轉(zhuǎn)動角度由旋轉(zhuǎn)變壓器檢測。

當電機轉(zhuǎn)動角度和實際位置由旋轉(zhuǎn)變壓器反饋，按0.5°（可根據(jù)需要調(diào)整轉(zhuǎn)動角度間隔）驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，帶動扭軸扭轉(zhuǎn)，并記錄扭矩測試儀顯示的扭矩值。

以扭轉(zhuǎn)角度為橫坐標，以扭矩儀顯示的扭矩值為縱坐標，繪出扭轉(zhuǎn)角度與測得扭矩值變化的關系曲線。在脈沖發(fā)生器中添加的扭桿裝置輸出扭矩是線性變化的。在扭桿長度一定的情況下得到該直線的斜率，可簡單理解為扭桿的剛度系數(shù)。

斷開聯(lián)軸器，固定脈沖器尾端，驅(qū)動電機利用旋轉(zhuǎn)變壓器反饋的數(shù)值得到扭軸的扭轉(zhuǎn)角度。此時，利用電機的q 軸電流，通過換算關系也能得出角度與q軸電流轉(zhuǎn)矩之間的變化關系曲線。

2 電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)的計算及應用

以三相星形連接的永磁同步電機為例，根據(jù)矢量控制和坐標變換基本原理，可知電機d、q 軸電流和a、b、c 三相電流之間滿足以下關系：

對于三相星形連接的永磁同步電機，三相電流滿足以下關系（即c 相能用a、b 相求得）：

由于本電機系統(tǒng)采用id=0 矢量控制，因此電機的q 軸電流與三相電流關系滿足：

q 軸電流乘以一個系數(shù)可得轉(zhuǎn)矩，這個系數(shù)即為電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

通過扭桿標定裝置可以測得電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)。在循環(huán)系統(tǒng)中進行試驗時，實時監(jiān)測得到三相電流，進而可輸出轉(zhuǎn)矩值。通過轉(zhuǎn)矩能進行脈沖發(fā)生器工作時的準確功率評估，既便于井下中央控制系統(tǒng)對井下儀器的供電進行管理，對井下儀器供電進行有效分配，又能夠通過比較水力關閉趨勢轉(zhuǎn)矩和扭簧轉(zhuǎn)矩獲知電機控制的可靠性。

3 標定流程

步驟1：將電機非輸出端用聯(lián)軸器連接到具有扭簧扭轉(zhuǎn)機構(gòu)的標定裝置上，如圖2 所示，即利用電機驅(qū)動電路驅(qū)動電機在所述扭簧扭轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作角度內(nèi)轉(zhuǎn)動，監(jiān)測并記錄所述電機的三相電流值；

步驟2：按一定的角度間隔驅(qū)動電機并進行位置停留，記錄電機上旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度，記錄所述標定裝置上顯示儀的轉(zhuǎn)矩數(shù)值，記錄三相電流值；

步驟3：在到達扭簧扭轉(zhuǎn)角度后，利用電路驅(qū)動電機在回程的同樣位置停留，再次記錄旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度，標定裝置上顯示儀的轉(zhuǎn)矩數(shù)值和三相電流值；

步驟4：根據(jù)步驟2 和步驟3 繪制扭轉(zhuǎn)角度/轉(zhuǎn)矩關系曲線，如圖3 所示；

步驟5：根據(jù)步驟2 和步驟3 計算q 軸電流；

步驟6：根據(jù)步驟2 和步驟5 繪制扭轉(zhuǎn)角度/q 軸電流曲線；

步驟7：擬合步驟4 和步驟6 的曲線計算電流/轉(zhuǎn)矩常數(shù)，如圖4 所示；

步驟8：重復步驟2 至步驟7，計算取平均值后的電流/轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

4 驗證及結(jié)論

在深入了解扭桿標定裝置的結(jié)構(gòu)與功能后，針對不同的設計制造方案反復進行比較，最終加工組裝，形成一套如圖5 所示的扭桿標定裝置。

5 結(jié)語

通過實測，該裝置能夠準確檢驗和標定扭簧，對批量生產(chǎn)的來料檢驗提供了便利，也可以準確測得電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)，能夠評估脈沖發(fā)生器工作時的準確功率，對井下儀器的供電管理和檢驗電機的可靠性具有重要意義。