杨 璐，黄新春，张光一，杜丹阳，李令喜

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

0 引言

在我国海上油田85%的机采井依靠潜油电泵举升，其产量贡献达到90%以上。由于常规电泵机组推荐的运转高效区较窄，而油田油藏地质不确定性，导致油井实际产能产前预测不准，电泵往往不能工作在其高效区内，长期偏离高效区的运行，将造成叶轮及止推垫片严重偏磨，影响电泵效率，大大降低运行寿命[1]。此外，常规电泵不满足油井后期产能变化需要，需要进行换泵作业，造成生产时效降低、作业费用和产油损失。

针对这些问题，设计开发宽幅潜油电泵产品，应用效果良好。目前叶导轮压紧工艺采用人工压紧方式，存在费时、费力、易粘扣等问题，为大规模生产，进一步推广、扩大应用，需要机械化替代手工操作，开发专用压紧设备及工装，制定不同型号、级数叶导轮的压紧力矩标准化作业规程文件，简化操作提高可靠性。因此急需设计开发扭矩采集系统，通过对宽幅叶导轮的压紧力矩进行测试采集数据，分析其变化规律，以确定宽幅叶导轮标准压紧力矩，为机械化压紧叶导轮提供技术支持。

1 压紧工艺技术分析

宽幅泵装配工艺中是将叶导轮压紧装配。采用的方法是依靠人工旋转上泵头，通过上泵头挤压叶导轮，达到压紧的目的，压紧工艺如图1 所示。

图1 压紧工艺

目前存在的问题为：在压紧过程中，人工压紧无法保证完全均匀的加力，容易粘扣，也不可避免的会出现导壳受力不均匀的情况；此外只能通过作业工人的经验进行压紧，但是宽幅泵少则几十级多则几百级，而且不同型号的叶导轮压缩量也不同，压紧扭矩难以控制和监测，扭矩过大或未达到预设压紧量状态时，叶导轮的性能都将受到影响。

2 扭矩采集系统功能

针对以上背景，设计开发的扭矩采集系统具有以下功能：

（1）可针对不同宽幅叶导轮型号、级数，测量单级压缩量、总压缩量、扭矩等参数，实时记录并处理检测的扭矩数据，生成报表。

（2）可判定粘扣及遇阻等特殊工况并及时给予报警声光警示。

（3）当达到预定压缩量可自动判断完成叶导轮压紧工作，并通过声光提示制动，从而通过手动或自动方式控制气源的启动、停止及调节。

3 扭矩采集系统结构设计

扭矩采集系统主要包括扭矩传动和测量控制两个部分，由控制柜、扭矩传感器（弾性轴、应变片）、PLC 电控箱、气动压紧机、气体调压阀、连接接头、声光报警器、联轴器和工装台等组成（图2）。

图2 扭矩采集系统

扭矩采集系统工作过程及原理如下：

（1）系统通过外接气源为气动压紧机提供动力，气动压紧机与气源间设有气体调压阀和过滤器，通过气体调压阀调节动力源大小来控制气动压紧机的输出扭矩。

（2）扭转传感器由弾性轴与应变片组成，采用应变片电测技术，在弹性轴上组成应变桥，向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的频率信号，扭矩传感器原理如图3 所示，输送给控制柜进行数据采集，实现实时检测输出扭矩的大小。

图3 扭矩传感器原理

此输出扭矩即压紧力矩，其可等效成轴向力，也就是叶导轮压紧作业时的压紧力。

根据机械原理推导螺栓拧紧力矩与轴向力的关系式（1）如下：

式中 M——拧紧力矩，N·m

P——螺栓轴向力，N

d2——螺纹中径，mm

λ——螺纹升角，°

f——螺母与被连接面之间的摩擦系数

ρ——螺旋副的当量摩擦角，°

R——螺母承力面外半径，mm

r——螺母承力面内半径，mm

经过简化可得螺栓拧紧力矩与轴向力的简化式（2）如下：

式中 d——公称直径，mm

k——螺栓拧紧力矩系数

转速测量如图4 所示，通过光耦合及相应的处理电路，将转速信号转换成脉冲信号，输送给控制柜进行数据采集。旋转设备每转动一圈输出60 个脉冲。

图4 转速测量原理

频率输出信号电气特性：当扭矩为0 时，频率为10 kHz±10 Hz；当负额定扭矩时，频率为5 kHz±10 Hz；当正额定扭矩时，频率为15 kHz±10 Hz。扭矩及转速频率输出电气特性如图5 所示，扭矩传感器主要性能见表1。

表1 扭矩传感器主要性能

图5 扭矩及转速频率输出电气特性

（3）扭矩传动部分包括连接接头、联轴器、固定卡套和支架。连接接头用于对接宽幅泵和扭矩采集系统；联轴器用于气动压紧机和扭矩传感器、扭矩传感器和连接接头间的连接与扭矩传输。

（4）声光报警器连接扭矩传感器，可实时显示并采集传感器状态，通过PLC 远程上报设备状态，并可根据设定要求对扭矩突然增大的情况进行声光报警（黄色为机器启动未工作状态、绿色为机器正常工作过程状态、桔色为扭矩突然增大报警状态，红色为完成压紧或达到预设压紧量状态）。

（5）声光报警器、扭矩传感器、气体减压阀、声光报警器与PLC 连接，PLC与控制柜连接。

（6）测量控制系统包括控制柜和控制软件，软件内可输入泵系列、叶轮型号、级数、单级压缩量、总压缩量、设定扭矩等参数，实时记录并处理检测扭矩数据，可输出“扭矩—压缩量”曲线，生成报表；可判定粘扣及遇阻等特殊工况并及时给予报警声光警示，当达到预定压缩量可自动判断完成叶导轮压紧工作，并通过声光提示制动，从而通过手动或自动方式控制气源的启动、停止及调节。

4 结束语

综合考虑，设计开发的扭矩采集系统，实现对宽幅叶导轮压紧力矩的实时测试，为研究确定宽幅叶导轮标准压紧力矩及机械化压紧叶导轮提供技术支持。