朱正都，程文池，陳佳俊

海洋平臺升降系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩傳感器標(biāo)定方法

朱正都，程文池，陳佳俊

介紹自升式海洋平臺的升降系統(tǒng)及轉(zhuǎn)矩監(jiān)測系統(tǒng)，針對大噸位爬升小齒輪中傳感器批量標(biāo)定裝置復(fù)雜昂貴的問題，設(shè)計出一種新的標(biāo)定方法，利用ABS船級社型式試驗工裝進(jìn)行標(biāo)定，介紹新型標(biāo)定方法的原理，并應(yīng)用于電動齒輪齒條升降系統(tǒng)項目。

升降系統(tǒng)；傳感器；海洋平臺；電動齒輪齒條

為滿足海洋油氣開發(fā)需求，石油公司需要裝備相當(dāng)數(shù)量的自升式鉆井平臺，而這一領(lǐng)域任為國外所壟斷。為滿足國內(nèi)平臺配套需求，國內(nèi)許多企業(yè)紛紛進(jìn)行研發(fā)，力圖開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的齒輪齒條升降及鎖緊系統(tǒng)，而鉆井平臺核心技術(shù)為電動齒輪齒條式升降系統(tǒng)。鉆井平臺核心技術(shù)是電動齒輪齒條式升降系統(tǒng)，其輸出爬升小齒輪的承載能力直接關(guān)系到整個平臺的升降能力，其轉(zhuǎn)矩的實時監(jiān)控成為平臺的必要保障。

為此，圍繞自升式鉆井平臺齒輪齒條式升降系統(tǒng)，針對升降系統(tǒng)的特殊結(jié)構(gòu)，結(jié)合正在調(diào)試的電動齒輪齒條升降系統(tǒng)對爬升小齒輪的轉(zhuǎn)矩標(biāo)定進(jìn)行設(shè)計分析，每一批爬升齒輪箱都會整體有一個型式試驗，其載荷為預(yù)壓載的1.5倍，只要測量出爬升齒輪箱的效率，就可以間接標(biāo)定爬升小齒輪。本標(biāo)定方法的一個最大好處就是標(biāo)定的時候可以借用齒輪箱廠家型式試驗的標(biāo)定試驗臺架，避免單獨進(jìn)行轉(zhuǎn)矩試驗臺架的設(shè)計制造。

1 升降系統(tǒng)及載荷監(jiān)測簡介

目前使用較多的自升式平臺的升降系統(tǒng)可以分為齒輪齒條式和液壓插銷式。由于齒輪齒條式升降系統(tǒng)具有升降速度快、故障率小、易對井位和操作簡單等優(yōu)點，普遍得到新造海洋平臺的應(yīng)用。選擇的自升式海洋平臺基本結(jié)構(gòu)見圖1[1]。

安裝架箱體是傳動箱的結(jié)構(gòu)支撐部件，3個傳動單元都安裝在箱體上，3個傳動單元在箱體上均勻布置，傳動單元的2個輸出齒輪(與齒條嚙合齒輪)對稱布置，分別與安裝架箱體通過法蘭螺栓連接。整個升降系統(tǒng)最終的載荷集中在爬升小齒輪和齒條上，爬升小齒輪上安裝轉(zhuǎn)矩傳感器可以準(zhǔn)確實時的監(jiān)測出整個升降系統(tǒng)的載荷分布情況[3]。轉(zhuǎn)矩傳感器的精度直接決定著整個升降系統(tǒng)的安全性和可靠性，由此可見，大轉(zhuǎn)矩大噸位轉(zhuǎn)矩傳感器的標(biāo)定的重要性。

由于齒輪箱的結(jié)構(gòu)型式?jīng)Q定了轉(zhuǎn)矩傳感器必須安裝到齒輪箱爬升小齒輪內(nèi)的中心孔內(nèi)才能進(jìn)行標(biāo)定，若用行內(nèi)常規(guī)標(biāo)定方法，需將齒輪軸拆卸出來，制作大噸位試驗臺(目前國內(nèi)沒有超過120萬N·m的)和專業(yè)工裝方可進(jìn)行標(biāo)定，成本及工時耗費難以滿足工程項目需求。因此，提出一種新型標(biāo)定方法。

2 轉(zhuǎn)矩傳感器標(biāo)定方法

如圖2所示，試驗中通過轉(zhuǎn)矩杠桿提供爬升小齒輪主動力，整個標(biāo)定過程為靜態(tài)標(biāo)定，齒輪箱無需轉(zhuǎn)動。

設(shè)定惰輪效率為η1，齒輪箱效率為η2。通過輸入轉(zhuǎn)矩杠桿某一轉(zhuǎn)矩值，轉(zhuǎn)矩傳感器M1上顯示的數(shù)值為T1，此時測量出轉(zhuǎn)矩傳感順M2上的數(shù)值為T2。此時，有：

(1)

式中：η1及η2為未知數(shù)。

將計算出來的T小齒輪1及T小齒輪2對2個齒輪箱的小齒輪進(jìn)行轉(zhuǎn)矩標(biāo)定[2]。此時小齒輪1和小齒輪2有轉(zhuǎn)矩顯示。

實際項目布置(見圖4)，在轉(zhuǎn)矩傳感器后端用了傳動比為10的小齒輪箱，以便加載和固定。加載時采用砝碼加載達(dá)到需求值附近(見圖5)，通小型轉(zhuǎn)矩傳感器讀出數(shù)值。

如表1中記錄試驗數(shù)值顯示，通過項目進(jìn)行試驗驗證，轉(zhuǎn)矩傳感器的批量精度可以保證在3%以內(nèi)，滿足海洋平臺升降系統(tǒng)使用要求[5]。

4 結(jié)論

1)本標(biāo)定方法對同一批次或者相同結(jié)構(gòu)的齒輪箱標(biāo)定時，可用迭代得出的效率進(jìn)行批量標(biāo)定，并且所得出試驗數(shù)據(jù)表明轉(zhuǎn)矩可達(dá)到工程應(yīng)用3%的要求。

2)本標(biāo)定方法有效地利用海洋平臺升降系統(tǒng)齒輪箱的型式試驗臺(船級社規(guī)定)進(jìn)行標(biāo)定，達(dá)到與同行業(yè)標(biāo)定[5]相同誤差等級，進(jìn)而避免了常規(guī)標(biāo)定方法復(fù)雜龐大工裝的設(shè)計制造。

3)針對大噸位爬升小齒輪中傳感器批量標(biāo)定，通過試驗數(shù)據(jù)測量齒輪箱效率，并根據(jù)實際項目給出了標(biāo)定后驗證結(jié)果，可為國內(nèi)制作海工平臺升降系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩傳感器的標(biāo)定提供經(jīng)濟、新穎的解決方案。

表1 轉(zhuǎn)矩標(biāo)定組件數(shù)據(jù)記錄(北京世通科創(chuàng)技術(shù)有限公司)

注：1#及2#齒輪箱是相對的，每2個齒輪箱一起標(biāo)定。

[1] 朱正都.自升式海洋平臺電動升降系統(tǒng)傳動設(shè)計研究[J].海洋工程裝備，2003(11)：64-67.

[2] 黃波,朱正都,毛炳坤.自升式平臺升降系統(tǒng)小齒輪載荷監(jiān)測與均衡化技術(shù)研究[J].船舶與海工,2015(5)：54-56.

[3] 孫永泰.自升式海洋平臺齒輪齒條升降系統(tǒng)的研究[J].石油機械,2004(10)：23-26.

[4] 萬德安,章陽寧.一種新型轉(zhuǎn)矩傳感器的研制[J].傳感器技術(shù)，2003，22(11).

[5] 王超,高學(xué)仕,盛利民.井底鉆壓轉(zhuǎn)矩傳感器標(biāo)定系統(tǒng)的設(shè)計研究[D].中國石油大學(xué)，2010.

(武漢船用機械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

Calibrating Method of the Torque Sensor for Jacking System on Jack-ups

ZHU Zheng-du, CHENG Wen-chi, CHEN Jia-jun

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

The jacking system and torque sensor of jack-ups was expatiated. For large tonnage climb pinion sensor, the calibration device was complicated and expensive, a new way for calibration was set forth by using classification society type test equipment to calibrate. The principle of the calibration method was elaborated. The method has been applied successfully in an actual electric jacking system project.

jacking system; torque sensor; calibration method; electric-driven pinion and rack

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.029

2016-07-14

工業(yè)和信息化部項目(工信部聯(lián)裝[2014]508號)

朱正都(1986—)，男，碩士，工程師研究方向:海洋平臺升降系統(tǒng)

U674.38

A

1671-7953(2017)01-0119-03

修回日期：2016-09-18