转盘转矩传感增敏与测试技术研究

作     者：杨玮 

作者单位：西安石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邵军

授予年度：2022年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 082001[工学-油气井工程] 08[工学] 

主      题：超大口径转盘 轮辐联轴式 转矩测试 仿真优化 静态特性 

摘      要：转盘转矩是反映钻具工作状态的重要参数。随着钻井深度不断增加及海上钻井平台的发展,以往的转矩传感器不再适用于超大口径转盘转矩的测试。因此,本文设计一种转矩传感器,在满足超大口径转盘转矩测量要求的前提下以期获得更高灵敏度。本文基于开口直径75.5in(1918mm)超大口径转盘的工作原理,在综述国内外转盘转矩测试技术及转矩增敏技术后,对比转角式和应变式两种测量方法,选择了灵敏度更高,适应性更强的应变式测量方法。基于该方法,结合现有的轴结构转矩传感器,设计了一种轮辐联轴式转矩传感器,建立了四种不同形状辐条轮辐结构的理论传感模型。利用Ansys Workbench对轴结构、轮辐联轴式及四种不同形状辐条轮辐结构进行有限元分析。仿真结果表明,工字形辐条轮辐联轴式弹性元件测量灵敏度较轴结构提高了22.6倍。使用响应面优化与gamultiobj函数优化两种方法对工字形辐条轮辐联轴式弹性元件进行结构优化,优化后的工字形辐条轮辐联轴式结构相较之前应变增加了51.5%。制造结构优化后的四种不同形状辐条轮辐式转矩传感器,并进行传感实验,获得其静态特性。实验结果表明,工字形轮辐传感器的灵敏度和测量准确度高,传感性能更稳定。综上,工字形辐条轮辐联轴式转矩传感器具有结构简单、测量精度高、重复性误差小等优点,能够满足超大口径转盘转矩测试需求。