Роторный моментомер Советский патент 1984 года по МПК E21B45/00 

Изобретение относится к глубок му бурению, а именно к устройствам для контроля и регулирования разл ных параметров бурения, и предназ чено для измерения крутящего моме та, развиваемого ротором буровой установки при проводке глубоких с жин. Известны роторные моментомеры, содержащие первичный преобразоват тель усилия в осевое перемещение . вторичный (гидравлический) преобр зователь перемещения в выходной. сигнал 11 , Эти устройства характеризуются невысокой точностью измерения мо. мента, недостаточной надежностью в работе, большим гистерезисом пр реверсном вращении. Наиболее близким к предлагаемом по технической сущности является роторный моментомер, содержащий ведущую и ведомую муфты, связанные :через шарнирные опоры с упругими стержнями различной и одинаковой жесткости, вторичный преобразователь усилия в электрический сигнал Недостатками этого устройства являются невысокая чувствительност ограниченный диапазон измерения крутящего момента, обусловленный постоянной жесткостью стержней и использованием тензодатчиков на стержнях в качестве вторичных преобразователей, требующих наличия контактных токосъемников с присущи ми им недостатками, снижающими точ ность измерения. Цель Изобретения - увеличение чувствительности и расширение диап зона измерения в пределах упругой деформации стержней, Поставленная цель достигается тем, что в роторном моментомере, содержащем ведущую и ведомую полумуфты, связанные через шарнирные опоры с упругими стержнями и одина ковой жесткости, преобразователь перемещения в электрический сигнал в ведомой полумуфте выполнены огра ничительные пазы конусной формы, угол 4 уклона конуса которых выбирается из соотношения е м. ..OTCtq;, где 2 - рабочая длина упругого стержня; R - расстояние от оси полумуф Ты до оси стержня; i - крутящий момент i-й пары стержней одинаковой жесткости;С - жесткость i-и пары стерж ней; п - число пар упругих стержне при этом опоры размещены в пазах, а одинаковой жесткости стержни диаметрально противоположно относительно оси полумуфт, пара стержней наименьшей жесткости установлена в ведомой полумуфте неподвижно, а подвижный в осевом направлении якорь преобразователя перемещения размещен на внешней поверхности ведомой полумуфты и кинема-тически связан с ведущей полумуфтой. Кроме того, якорь преобразователя выполнен в виде подпружиненного цилиндра с расположенными на нем профильными кулачками и ферромагнитным диском и связан с ведущей полумуфтой с помощью закрепленных на ней роликов. На фиг, 1 схематически представлен предлагаемый роторный моментомер. Общий вид; на фиг, 2 - разрез А-А на фиг, 1; .на фиг, 3 - разрез В-Б на фиг, 1, Роторный моментомер содержит вращающиеся ведущую полумуфту 1 и ведомую полумуфту 2, связанные между собой упругими стержнями 3, При этом стержни одинаковой жесткости расположены диаметрально противоположно по окружности полумуфты (фиг, 2) и подвижно укреплены одними концами в шаровых опорах 4 ведущей полумуфты 1, а вторыми концами - в поворотных опорах 5 ведомой полумуфты 2, Поворотные опоры 5 размещены в ограничительных конусных пазах б полумуфты 2, за исключением одной пары опор со стержнями (I - I ) наименьшей жесткости. Эти опоры установлены в пазах 7 прямоугольной формы-, что исключает возможность их поворота. На внешней поверхности полумуфты 2 смонтирован якорь 8 преобразователя 9 перемещений. Электромагнитная система 10 преобразователя 9 укреплена на внутренней поверхности неподвижного Кожуха 11, которым закрыты полумуфты 1 и 2. Якорь 8 укреплен на полумуфте 2 с помощью пружин 12 и выполнен в форме цилиндра с расположенным на ней ферромагнитным диском 13 и профильными кулачками 14, Цилиндр якоря 8 свободно посажен на .полумуфту 2, а штыри 15 в замкнутых пазах 16 обеспечивают перемещение якоря- 8 относительно полумуфты 2 только в осевом направлении На ведущей полумуфте 1 установлены ролики 17, обеспечивающие совместно с кулачками 14 связь якоря 8 с ведущей полумуфтой 1, Полумуфта 1 жестко закреплена на ведущем валу 18 редуктора, а полумуфта 2 свободно посажена на подшипниках на втулку ведущей полумуфты 1 и жестко связана с валом 19 ротора буровой установки. Количество пар стержней и их жесткость определяют ся в зависимости от заданной максимальной величины измеряемого крутящего момента, а жесткость первой пары стержней, установленных в неподвижных опорах, выбирается с учетом заданной минимальной величины измеряемого момента и допускаемых напряжений изгиба для выбранного материала стержней при передаче наибольшего момента. Конусные пазы шарнирных опор позволяют, начиная с первой пары стержней, последовательно вступать в работу с ростом величины крутящего момента на полумуфте 2., При передаче.максимально го момента все пары нагружены силам при этом стрела прогиба концов каждой пары упругих стержней обратно пропорциональна нарастанию угла Ч уклона конуса пазов, а суммарная энергия деформации изгиба стержней равна сумме моментов, передаваемых каждой парой. Предлагаемый роторный моментомер работает следующим образом. Вращающий момент с вала 18 редук тора передается на жестко закреплен ную на нем полуформу 1 и через упру гие стержни 3 за ведомую полумуфту 2 и на вал 19 ротора. В начале рабо ты за счет сопротивления полумуфты 2 начинает изгибаться пара (I-J) стержней 3 наименьшей жесткости, не подвижная относительно полумуфты 2 УГОЛ поворота шарнира первой пары Чц - О. Изгиб стержней происходит до определенной, заранее выбранной величины крутящего момента. При этом шарнирные опоры, несущие последующую пару и - стержней 3, поворачиваются до упора в стенку паза б без нагрузки на угол 7,«rct TF т: При дальнейшем увеличении момента начинается изгиб второй пары стержней и поворот шарнирных опор третье пары на угол 2 /м м V-4-|ric74l И т.д. Прк достижении максимального педаваёмого момента в работе находятся все пары упругих стержней. При передаче крутящего момента вследствие изгиба стержней 3 возникает угловое перемещение полумуфты 2 относительно полумуфты 1, ролики 17,воздействуя на профильные кулачки 14, вызывают осевое перемещение подпружиненного якоря 8 электромагнитного преобразователя 9. Ферромагнитный диск 13, перемещаясь вместе с якорем 8, изменяет воздушный зазор в электромагнитной системе 10 преобразователя 9. Таким образом, крутящий момент, передаваемый с вала 18 на вал 19 ротора буровой установки, преобразуется с помощью упругих стержней 3 в угловое перемещение полумуфт 1 и 2, которое, в свою очередь, с помощью роликов 17 и кулачков 14 преобразуется в осевое перемещение якоря 8 и затем с помощью электромагнитной системы 10 в выходной сигнал, пропорциональный измеряемому моменту. Использование электромагнитного преобразователя перемещения в электрический сигнал позволяет осуществить бесконтактный съем сигнала с вращающихся полумуфт моментомера, что повышает точность и стабильность измерения и повышает надежность передачи сигнала к измерительным прибо- . рам. Кроме того, предлагаемый.моментомер может использоваться в роторных установках как с цепным, так и с карданным приводом, а благодаря более высокой точности и чувствительности возможно более точно определять моменты заклинки долота при бурении, оценивать более полный износ долота в забое, сокращая тем самым количество спускоподъемных операций, что непосредственно способствует увеличению скорости проходки скважины. fO a ..j Фс/г.-f

Фиг.2. 49 S

1. РОТОРНЫЙ МОМЕНТОМЁР, содержащий ведущую и ведомую полумуфты, связанные через шарнирные опоры с упругими стержнями различной и одинаковой жесткости, преобразователь перемещения в электрический сигнал, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и расширения диапазона измерения в пределах упругой деформации стержней, в ведомой полумуфте.выполнены ограничительные пазы конусной формы, угол Ч| уклона конуса которых выбирается из соотношения ; е -nrcicr -1 . 3R . С; .- -; ..... где Е - рабочая длина упругого. стержня; R - расстояние от оси полумуфты до оси стержня; М; - крутящий момент i-и пары .стержней одинаковой жесткости; С; - жесткость 1-й пары стержней; ti - число пар упругих стержней, при этом опоры размещены в пазах, а одинаковой жесткости стержни диаметрально противоположно относительно оси полумуфт, пара стержней наименьшей жесткости установлена в ведомой полумуфте неподвижно, а подвижный в осевом направлении (Л якорь преобразователя перемещения размещен на внешней поверхности ведомой полумуфты и кинематически связан с ведущей полумуфтой. 2.Моментомер поп.1, отличаю щ и и с я тем, что якорь преобразователя перемещения выполнен в виде подпружиненного цилиндра с рассд положенными, на нем профильным кулачком и ферромагнитным диском и да to связан с ведущей полумуфтой с помощью закрепленных на ней роликов. со