【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 和密度影響攪拌軸扭矩 、 攪拌軸轉(zhuǎn)速影響攪拌軸扭矩，扭矩的變化影 響電機(jī)實(shí)際功率，所以 液位高度、密度、轉(zhuǎn)速、扭矩 為整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的參數(shù) ，其中扭矩的變化是反映整個(gè)系統(tǒng)的主要參數(shù)。如表 22 所示為攪拌器檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)表 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 7 表 22 攪拌器測(cè)試參數(shù) 攪拌器檢測(cè)點(diǎn) 攪拌軸的扭矩 攪拌器的電機(jī)功率 條件參數(shù) 常溫條件，轉(zhuǎn)速 100,額定功率，泥漿密度 被測(cè)參數(shù) 鉆井液液位 高度，電機(jī)實(shí)際功率， 攪拌軸 扭矩 綜上所述， 攪拌器工況參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)功能主要有扭矩檢測(cè)功能、電機(jī)功率檢測(cè)功能、鉆井液液位高度檢測(cè)功能。 （ 1） 扭矩檢測(cè)的功能 攪拌器在整個(gè)工作過(guò)程中，攪拌軸的主要功能是傳 送動(dòng)力的部件，同時(shí)也是主要受力部件。 它的受力來(lái)自鉆井液反作用力，所以鉆井液是影響攪拌軸受力的主要方面。當(dāng)攪拌器轉(zhuǎn)速、鉆井液高度一定時(shí)，攪拌器的受力因素是鉆井液密度的大小，通過(guò)檢測(cè)攪拌軸扭矩大小的變化，可以檢測(cè)鉆井液密度的變化。當(dāng)鉆井液密度、高度一定時(shí)，攪拌器轉(zhuǎn)速的快慢，對(duì)攪拌軸的扭矩是有影響的。 通過(guò)檢測(cè)各個(gè)鉆井液攪拌器的扭矩后，縱向比較各個(gè)攪拌軸的扭矩變化，從而可以反映整個(gè)鉆井液的密度變化。 檢測(cè)攪拌軸的扭矩對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是主要檢測(cè)方面，有了攪拌軸扭矩的實(shí)時(shí)變化，可以 總體把握鉆井液的泥漿密度。 通過(guò)比較 從而可以得到鉆井液密度是否符合鉆井要求，如果不符合則可以及時(shí)報(bào)警，減少不必要的損失。 （ 2） 電機(jī) 功率檢測(cè)功能 攪拌器電機(jī)功率的額定功率就是電機(jī)的輸出功率，電機(jī)的輸入功率要比電機(jī)的輸出功率大 。所以檢測(cè)電機(jī)的實(shí)際功率可以檢測(cè)整個(gè)攪拌器系統(tǒng)運(yùn)行的正常與否。 （ 3） 鉆井液液位高度檢測(cè)功能 液位高度檢測(cè)能實(shí)時(shí)有效地檢查鉆井液的液位高度，可以 實(shí)時(shí)傳輸給 上位機(jī) ，能夠檢測(cè) 鉆井液 的 液位高度 是否符合標(biāo)準(zhǔn) ； 能夠 在 不影響 攪拌器 的 正常 工作下，總體把握鉆井液的狀態(tài) ； 能夠采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以備后面的數(shù)據(jù)的對(duì)比和參考 ,同時(shí)保證 檢測(cè) 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確 性 。 攪拌器檢測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 在廣泛獲取 攪拌器 資料調(diào)研后，根據(jù) 攪拌器 的機(jī)械特點(diǎn)，初步確定了整體的測(cè)量方案， 根據(jù) 研究 目的和要求，將 設(shè)計(jì)一個(gè) 對(duì)攪拌器實(shí)時(shí)檢測(cè) 測(cè)試系統(tǒng) ,對(duì) 攪拌器的性能進(jìn)行檢測(cè)，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)將分為 三個(gè)部分，分別為 攪拌軸扭矩 檢 測(cè)、鉆井液攪拌器工況參數(shù)檢測(cè)方法研究 8 電機(jī)功率 檢 測(cè)、 鉆井液 高度 檢 測(cè) ，來(lái)完成對(duì)攪拌器的實(shí)時(shí)工況檢測(cè)。攪拌器扭矩檢 測(cè)是對(duì)攪拌器真實(shí)的工況受力反應(yīng)，電機(jī)功率測(cè)試是對(duì)整個(gè)運(yùn)行狀況的總體把握，泥漿高度的檢測(cè)可以從側(cè)面反應(yīng)攪拌器受力情況，輔助反應(yīng)攪拌器的檢測(cè)，使其更加具有可靠性 。 攪拌器檢測(cè) 系統(tǒng)框圖 如 圖 21 所示 。 圖 21攪拌器檢測(cè)系統(tǒng)框圖 電機(jī) 功率的測(cè)量 方案 （ 1） 影響攪拌功率的因素 在不同的攪拌過(guò)程中，不同的物性、不同的物料量在完成其攪拌過(guò)程中所需要的動(dòng)力肯定不同，這就是由于工藝過(guò)程中的物性所決定的。這個(gè)動(dòng)力的大小是被攪拌的物體物理、化學(xué)性能以及各種攪拌過(guò)程所需要的最終結(jié)果的函數(shù)所決定的。 只有知道了攪拌器達(dá)到攪拌過(guò)程所需要的結(jié)果而必須用于被攪拌介質(zhì)的功率，才能知道流體作用力的大小。 電機(jī)功率的消耗是攪拌器轉(zhuǎn)速，攪拌漿的直徑 ，攪拌器本身結(jié)構(gòu)及下列一系列 混合環(huán)境的因素的 函數(shù)： 攪拌器中流體介質(zhì)的物性； 攪拌槽的集合尺寸； 扭矩測(cè)點(diǎn) 功率測(cè)點(diǎn) 測(cè)量轉(zhuǎn)速 工況計(jì)算 高度測(cè)點(diǎn) 液面到測(cè)定距離 上位機(jī) 信號(hào)處理 單元 數(shù)據(jù)采集模塊 信號(hào)傳輸單元 數(shù)據(jù) 傳輸 模塊 信號(hào)存儲(chǔ) 單元 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上位機(jī) 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 9 攪拌漿相對(duì)于槽體和流體界面的位置及相對(duì)槽中其他物體或者障礙物的位置； 這些都是有實(shí)際意義的主要變量，雖在某些特殊的情況下，需要考慮 其他的重要因素。例如在裝有同一物料的攪拌槽中，無(wú)界面時(shí)與有氣液界面或者自由表面時(shí)相比較，都會(huì)有不同值的消耗功率存在。然而，盡管存在這些很特殊的情況，但在對(duì)鉆井液攪拌器的檢測(cè)中只考慮影響因素最大的那些因素。 （ 2） 測(cè)量攪拌功率的方法 功率是機(jī)械性能的一個(gè)重要指標(biāo) ，是衡量電機(jī)工作強(qiáng)度的一個(gè)重要參數(shù)，只有了解了功率的大小才能，掌握機(jī) 械做功的多少。功率大小，除理論計(jì)算外，很多時(shí)候還需要進(jìn)行實(shí)際的測(cè)量?，F(xiàn)在測(cè)量功率的方法很多 ，比如有機(jī)械功率表法和測(cè)量轉(zhuǎn)速求功率法。 前者 就是用機(jī)械功率表直接測(cè)量電機(jī)的機(jī)械功率消耗，它屬于直接測(cè)量的方法。這種方法當(dāng)然比較理想，但操作起來(lái)需要專(zhuān)門(mén)的儀器，而且操作很不方便。后者是從測(cè)量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速入手，根據(jù)電機(jī)本身相關(guān)參數(shù)的關(guān)系，從而得到電機(jī)的實(shí)際輸出功率。 根據(jù)牛頓阻力定律，可以求出攪拌器的功率關(guān)系。假設(shè)流體以相對(duì)速度流經(jīng)過(guò)某一平板，所以作用在平板上的力 Fw為： 2 2wACFww ???? ? （ 2— 1） 式中： w— 流體相對(duì)速度； A— 平板在在垂直平面上的投影面積； Cw— 阻力系數(shù)。 由于攪拌槽內(nèi)的流場(chǎng)很復(fù)雜，作用在槳葉上的相對(duì)速度大小不容易確定，但與槳葉葉端的速度 u 成正比例關(guān)系： DNuw ???? ? （ 2— 2） 與此同時(shí)，投影面積 A 在幾何相似的一族攪拌漿中與攪拌 槳 直徑 D 的平方成正比例關(guān)系。 2DA? （ 2— 3） 將 式（ 22）、（ 23） 帶入（ 21）得到作用力 Fw 42 DNFw ???? （ 2— 4） 假設(shè)力作用點(diǎn)距離攪拌軸中心的距離與攪拌槳 直徑 D 成正例，由此可以得到攪拌器的功率為： 532 DNNMP ?????? ?? (2— 5) 鉆井液攪拌器工況參數(shù)檢測(cè)方法研究 10 則用無(wú)因次的功率準(zhǔn)數(shù) Np 來(lái)表示攪拌器的功率特性，得到 53 DNNP P ???? ? (2— 6) 式中： P— 功率， W； Np— 功率準(zhǔn)數(shù)； ?— 流體密度， kg/ 3m ； N— 攪拌器的轉(zhuǎn)速， sr ； D— 攪拌漿的直徑， m； 由以上公式知道，攪拌器的功率與攪拌器的轉(zhuǎn)速是有 直接 關(guān)系 ，測(cè)得攪拌器的轉(zhuǎn)速?gòu)亩涂梢缘玫綌嚢杵鞯南墓β省?所以檢測(cè)攪拌器電機(jī)功率最終轉(zhuǎn)化為檢測(cè)攪拌器的轉(zhuǎn)速來(lái)反映攪拌器電機(jī)功率的大小。 攪拌軸扭矩的測(cè)量 方案 使機(jī)器元件旋轉(zhuǎn)的力或者力矩叫做轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，簡(jiǎn)稱(chēng)轉(zhuǎn)矩。任何機(jī)械元件在轉(zhuǎn)矩的作用下，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生某種程度的扭矩變形。所以，我們習(xí)慣上又把轉(zhuǎn)動(dòng)力矩叫扭矩力矩，簡(jiǎn)稱(chēng)扭矩 。同時(shí)，扭矩又可以分為靜態(tài)扭矩和動(dòng)態(tài)扭矩。靜態(tài)扭矩是扭矩值不隨時(shí)間變化，或隨時(shí)間變化量很小。動(dòng)態(tài)扭矩則是扭矩值隨時(shí)間變化很大的扭矩。 測(cè)量攪拌軸扭矩是本檢測(cè)系統(tǒng)中很重要的環(huán)節(jié)，只有得到攪拌軸的實(shí)時(shí)扭矩才可以實(shí)時(shí)檢測(cè)整個(gè)攪拌器系統(tǒng)。 隨著科技的進(jìn)步，測(cè)量扭矩的方法很多。下面介紹幾種測(cè)量扭矩的方法。 測(cè)反作用力測(cè) 量 扭矩 測(cè)反作用力測(cè)量 扭矩是通過(guò)測(cè)量制動(dòng)扭矩來(lái)進(jìn)行測(cè)量，具體說(shuō)就是通過(guò)阻止電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)從而施加的反作用扭矩，這種扭矩我們就叫做制動(dòng)扭矩。這一種扭矩的測(cè)量方案簡(jiǎn)單易行，采集、傳輸數(shù)據(jù)很方便。但這種方法有一定的局限性，它只能測(cè)量靜態(tài)扭矩，比如采用這種方法的扭矩測(cè)量案例中有：扭力扳手，靜態(tài)扭矩實(shí)驗(yàn)測(cè)量 設(shè)備 等 。 磁彈性效應(yīng)測(cè)扭矩 磁彈型扭矩傳感器是利用了鐵磁材料和其他一些合金逆向磁致伸縮效應(yīng)。逆向磁致伸縮效應(yīng)，我們也稱(chēng)作彈性性效應(yīng)，指的是鐵磁材料在外力或者扭矩的作用下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，產(chǎn)生了應(yīng)力 ，材料內(nèi)部磁疇之間的位置發(fā)生移動(dòng)，磁疇磁 化強(qiáng)度矢量發(fā)生旋轉(zhuǎn)，而使材料的磁化強(qiáng)度發(fā)生相應(yīng)的變化。 如果將鐵磁材料的軸放在磁場(chǎng)中并且對(duì)它施加扭矩，鐵磁材料的磁化強(qiáng)度的變化將表現(xiàn)在磁導(dǎo)率的變化上，從而如果測(cè)量出這一變化，就可以得知對(duì)應(yīng)的扭矩信號(hào)。 根據(jù)磁彈性效應(yīng)的原理，可以制成各種不同類(lèi)型的磁彈性扭矩傳感器。國(guó)內(nèi)西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 11 外從 20 世紀(jì) 80 年代中期已經(jīng)開(kāi)始此種傳感器的研究和開(kāi)發(fā)，其中具有代表性的設(shè)計(jì)是雙“Ⅱ”逆磁致伸縮效應(yīng)傳感器。此種類(lèi)型的傳感器磁芯正交于軸側(cè) ，將線圈繞在磁極上，構(gòu)成了兩組勵(lì)磁線圈和兩組測(cè)量線圈，交變電流通過(guò)勵(lì)磁線圈從而在軸的表面建立磁場(chǎng)，彈性軸被加 載了扭矩后，軸表面就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，由于磁致伸縮逆效應(yīng)在軸的表面的磁場(chǎng)發(fā)生改變，這種等效磁阻的變化使測(cè)量線圈中產(chǎn)生與扭矩成比例的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。但是由于轉(zhuǎn)動(dòng)軸常用的鐵磁性材料的磁致伸縮逆效應(yīng)較弱，通常會(huì)影響扭矩測(cè)量靈敏度和精度，而且對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸材料的均勻性和旋轉(zhuǎn)精度的要求較嚴(yán)格 [4]~[7]。 這種扭矩傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是磁彈性元件的選取和制造，磁彈性元件的磁致伸縮效應(yīng)越明顯，該傳感器的靈敏度就會(huì)越高。磁彈性扭矩傳感器屬于非接觸式傳感器，而且安裝及其使用很方便，還不占用較大空間。在軸的表面粘貼或者噴涂一層磁致伸縮材料，就 可以減少軸表面材料部均勻性帶來(lái)的誤差，對(duì)提高測(cè)試精度和靈敏度有很大的幫助。 [13]此類(lèi)傳感器實(shí)際測(cè)得的是磁致伸縮層材料應(yīng)力，如何將其轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)軸本省的應(yīng)力或者扭矩值還需要相當(dāng)大的一部分工作，同時(shí)這種傳感器致命之處受到外界電磁干擾影響極大，對(duì)屏蔽電磁輻射的要求很高，所以它不能在惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期工作。 測(cè)相位差測(cè)量扭矩 在轉(zhuǎn)角型扭矩傳感器中， 激光式、磁電式和 振弦式 扭矩傳感器都是利用相位差來(lái)進(jìn)行扭矩測(cè)量 ，轉(zhuǎn)角型扭矩傳感器是基于材料力學(xué)中圓柱形彈性軸扭矩與扭轉(zhuǎn)角成正比例的關(guān)系來(lái)測(cè)量扭矩，可以用傳遞法求出。傳遞法又稱(chēng) 轉(zhuǎn)軸法，它是根據(jù)彈性軸承在傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)所產(chǎn)生的物理參數(shù)變化而測(cè)量扭矩的方法。這些變化的物理參數(shù)可以是軸承的應(yīng)變、應(yīng)力和變形。 根據(jù)相位差測(cè)量原理做成的扭矩傳感器在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有 30 余年的歷史，技術(shù)很成熟，但在與其他類(lèi)型扭矩傳感器相比較，它對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性比較差，在苛刻惡劣的工作環(huán)境中（比如汽車(chē)扭矩測(cè)量和鉆井作業(yè)扭矩測(cè)量）其可靠性大大的降低，因?yàn)槠渥陨碣|(zhì)量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝調(diào)試很不方便，而且在其在動(dòng)態(tài)測(cè)量準(zhǔn)確度也很低。 在近些年中一些新型 光電轉(zhuǎn)角型 扭矩傳感器不斷的開(kāi)發(fā)、研制出來(lái)。 例如清華大學(xué)于 1999 年研制成德無(wú)線無(wú)源 表面波扭（ SAW）矩傳感器，這種扭矩傳感器把雷達(dá)技術(shù)與 SAW 傳感器綜合在一起，同電阻應(yīng)變式扭矩傳感器一樣，都是都過(guò)測(cè)量與軸成 45 度角方向上的應(yīng)變來(lái)對(duì)彈性軸上的扭矩進(jìn)行測(cè)量。它的主要組成部分有壓電基片、反射柵、叉指換能器（ IDT）等等，在技術(shù)上運(yùn)用了真空鍍膜、光刻等現(xiàn)代工藝技術(shù)。其工作原理是利用被反射的 SAW 相速度在應(yīng)變前后產(chǎn)生的變化，從而間接測(cè)量扭矩的大小。此外， 在扭矩測(cè)量發(fā)展過(guò)程中還出現(xiàn)了一些更加實(shí)用的新型傳感器，例如美國(guó)弗吉尼亞西蒙斯飛行器公司利用光纖技術(shù)研制出的光纖傳感器，可應(yīng)用于飛行器渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩 的測(cè)試；英國(guó)福特汽車(chē)鉆井液攪拌器工況參數(shù)檢測(cè)方法研究 12 公司委托南安普大學(xué)機(jī)械工程系為其研制出的電容式扭矩測(cè)試儀，可以用來(lái)連續(xù)的監(jiān)測(cè)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)或者齒輪箱中傳動(dòng)軸扭矩測(cè)試。 2020 年由馮浩教授提出一種新型光柵扭矩傳感器，并在 2020 年申請(qǐng)了發(fā)明和實(shí)用新型國(guó)家專(zhuān)利。這些發(fā)展足以說(shuō)明在社會(huì)發(fā)展過(guò)程中，轉(zhuǎn)角型扭矩傳感器被越來(lái)越多的應(yīng)用在社會(huì)生產(chǎn)中 。但這些轉(zhuǎn)角型扭矩傳感器在使用過(guò)程中對(duì)周?chē)沫h(huán)境要求比較高，不適合在高惡劣環(huán)境中應(yīng)用。 應(yīng)變型扭矩傳感器 應(yīng)變式扭矩傳感器是目前國(guó)內(nèi)使用較多的一種測(cè)量扭矩的傳感器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，技術(shù)較成熟 。如圖 22 所示，在扭矩 M 作用下，在旋轉(zhuǎn)軸表面貼應(yīng)變片，使其與軸線成 45 度和 135 度角，將他們連成 橋式電路 ，扭矩使應(yīng)變片的電阻率發(fā)生了變化，電阻變化通過(guò)電橋輸出的電壓與外加扭矩成正關(guān)系 [14]。 圖 22 電阻應(yīng)變傳感器貼片示意圖 應(yīng)變式扭矩傳感器 中使用的 應(yīng)變片很小且很輕，對(duì)軸承的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)不會(huì)產(chǎn)生影響、不會(huì)影響軸 的 正常工作運(yùn)行。 由于應(yīng)變式扭矩傳感器是通過(guò)電阻變化來(lái)反映軸的扭矩大小的變化，所以可以用于多種工作環(huán)境中，亦可以用于高惡劣的工作環(huán)境中，但通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量扭矩大小的精確度不是很高，不適合應(yīng)用于對(duì)扭矩測(cè)量數(shù)據(jù) 要求比較精確的測(cè)試中。 綜合以上比較，由于 鉆井液 攪拌器屬于簡(jiǎn)單機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且在泥漿攪拌過(guò)程中始終處于比較惡劣的工作環(huán)境下，且對(duì)扭矩測(cè)量大小的精度要求不高 。所以選擇利用應(yīng)變式扭矩傳感器來(lái)測(cè)量鉆井液攪拌器的扭矩 ，鉆井液攪拌器屬于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械 ，濺起的鉆井液很容易影響應(yīng)變扭矩傳感器， 若使用有線 應(yīng)變 扭矩傳感器影響攪拌器的工作狀態(tài)，所以本論文應(yīng)采用無(wú)線扭矩傳感器 ，并且采用塑料罩保護(hù)應(yīng)變片扭矩傳感器。 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 13 鉆井液液位高度的測(cè)量方案 目前 國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)實(shí)踐中采用的液位測(cè)量方法很多，主要有 機(jī)械浮