电动机输出扭矩测量装置设计.pdf

2 0 1 1 年第4 0 卷石油矿场机械 第9 期第3 9 页 O i l F I E i DE Q U I P M E N T 2 0 1 1 4 0 9 3 9 4 1 文章编号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 1 0 9 0 0 3 9 0 3 电动机输出扭矩测量装置设计 杨胡坤1 李金民2 王建萍2 卢文玉3 1 东北石油大学机械科学与工程学院 黑龙江大庆1 6 3 3 1 8 2 大庆油田装备制造集团研究院 黑龙江大庆1 6 3 3 1 2 3 渤海石油装备中成机械制造公司 天津3 0 0 2 8 0 摘要 为了实现直接测量出电动机在X 作过程中的输出轴扭矩 以方便分析电动机工作效率 设计 了一种电动机输出轴扭矩直接测量装置 利用带传动紧边拉力 松边拉力 几何结构关系及电动机 输出轴扭矩与力传感器力信号间的关系 分析了该装置的测量原理 给出了测量理论计算方法和过 程 理论分析方法及测试装置结构设计为直接测量电动机输出轴扭矩提供了一种新的方法和手段 关键词 电动机输出扭矩 测量装置 带传动 计算方法 中图分类号 T E 9 3 3 1文献标识码 A E q u i p m e n tD e s i g nf o rM e a s u r i n gE l e c t r i c m o t o rO u t p u t s h a f tT o r q u e Y A N GH u k u n l L IJ i n m i n 2 W A N GJ i a n p i n 9 2 L UW e n y u 3 1 C o l l e g eo fM e c h a n i c a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g N o r t h e a s tP e t r o l e u mU n i v e r s i t y D a q i n g1 6 3 3 1 8 C h i n a 2 R e s e a r c hI n s t i t u t e D a q i n g O i l f i e l dE q u i p m e n tM a n u 扣c t u r eG r o u p D a q i n g1 6 3 3 1 8 C h i n a 3 B o h a iE q u i p m e n tZ h o n g c h e n gM a c h i n e r yM a n u 知c t u r i n gC L t d T i a n j i n3 0 0 2 8 0 C h i n a A b s t r a c t T om e a s u r et h ee l e c t r i c m o t o ro u t p u t s h a f tt o r q u ed i r e c t l yd u r i n gi tw o r k i n ga n da n a l y z e t h ew o r ke f f i c i e n c yo ft h em o t o r am e a s u r i n g e q u i p m e n tw a sd e s i g n T h em e a s u r i n gm e c h a n i s mo f t h i se q u i p m e n tw a sb a s e do nt h et i g h ta n dl o o s et e n s i o n g e o m e t r ys t r u c t u r eo nb e l tt r a n s m i s s i o n a n dt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ee l e c t r i c m o t o ro u t s h a f tt o r q u ea n ds i g n a lo ff o r c es e n s o r T h e m e a s u r i n gp r o c e s sa n dt h e o r e t i cc a l c u l a t i n gm e t h o da r ep r e s e n t e d w h i c ho f f e raF l e Wm e a n sf o r m e a s u r i n gt h ee l e c t r i c m o t o ro u t p u t s h a f tt o r q u ed i r e c t l y K e yw o r d s e l e c t r i c m o t o ro u t p u t s h a f tt o r q u e m e a s u r i n ge q u i p m e n t b e l tt r a n s m i s s i o n c a l c u l a t i n g m e t h o d 电动机是游梁式抽油机的动力来源 其输出轴 扭矩是分析抽油机动力性能和工作状况的重要参数 之一 它的测量对确定电动机输出功率 检查功率 利用情况 检查抽油机平衡状况以及指导抽油机平 衡调节和节能装置设计有非常重要的意义 1 由于 抽油机采用电动机以及减速箱曲柄轴特殊的安装和 工作方式 使得传统扭矩测量装置难以安装 2 此 外 在我国油田 判断游梁式抽油机的平衡依据为测 量电动机电参数o 但是判断抽油机平衡的最佳方 式应是电动机输出轴扭矩或曲柄净抓矩 但曲柄净 扭矩无法直接测量一 因此 不管从何种角度出 发 获知电动机输出轴扭矩在采油机械领域甚至其 他领域具有重要的研究价值 当前 不管是何种类型的抽油机 分析其能耗的 主要方法基本上是从扭矩的角度出发进行研究 一类 是间接测量电动机输出扭矩 另一类为问接测量减速 收稿日期 2 0 1 1 一0 3 3 0 基金项目 国家科技支撑计剜项目 2 0 1 l B A A 0 2 8 0 0 0 1 黑龙江省教育厅科学技术研究项目 抽油机多次精确平衡与能量 补偿节能机理研究 1 2 5 1 1 0 0 6 作者筒介 杨胡坤 1 9 7 5 男 安徽宿松人 副教授 博士 主要从事教学工作及采油机械节能技术研究 E m a i l h k y a n g 1 6 3 c o m 万方数据 4 0 石油矿场机械2 0 1 1 年9 月 器曲柄扭矩 实际上 这2 类方法从根本上都无法直 接反应电动机输出轴的扭矩 有2 方面的原因 一是 从电参数计算电动机输出轴扭矩无法实时考虑电动 机的工作效率 二是从光杆负载间接计算得到的减速 器曲柄轴扭矩很难实际反映四连杆的传动效率 从根 本上无法反映电动机的输出轴扭矩 本文基于上述 原因 开展电动机输出轴扭矩实时测量研究 1电动机扭矩测量装置 正常情况下 抽油机用电动机通过螺栓连接固 定在抽油机底座上 为了能够直接测量电动机输出 轴扭矩 所设计的电动机扭矩测量装置如图1 所示 主要由底座 压力传感器 支撑轴承座 转动支座等 组成 V 小皮带 电 转动支 支撑轴承 压力传感 底 图1电动机扭矩测量装置 其工作原理为 电动机输出轴上小皮带轮在V 带紧边和松边拉力作用下 对电动机输出轴上产生 的反作用扭矩即为电动机输出轴扭矩 由于电动机 安装在可转动的支座上 即转动支座通过支撑轴承 座与底座相连 电动机在其输出轴扭矩作用下导致 电动机与底座发生相对转动 利用这种转动原理及 测量装置的几何尺寸关系 通过安装在底座与电动 机底座间的拉力传感器记录力信号 计算得到电动 机输出轴扭矩 从电动机扭矩测量装置工作原理可以看出 其 设计原理就是把原来的固定安装改变为使原动机安 装在一个可转动的支座上 通过力传感器测得的力 信号来计算其转矩 2 测量计算方法 2 1 测量装置参数分析 为了能更加清晰地分析该测量装置的测量过程 及相关计算方法 采用常规抽油机电动机驱动大 小 带轮方案 利用图1 中所说明的扭矩测量装置原理 并进行简化 其简图如图2 所示 图2 中假设大 小 带轮中心距为H 大带轮基准直径为d z 小带轮基 准直径为d V 带紧边拉力为F 松边拉力为F z 小带轮包角为O t 电机中心与转轴中心距为h 拉力 传感器中心与电动机 转轴 中心水平距为口 拉力 传感器所测量力的大小记为F 由带传动工作原理 可知 小带轮基准直径 V 带紧松边拉力直接决定 了电动机输出轴扭矩的大小 因此 构建测量装置 中力传感器所测力信号F 带紧边拉力F 松边拉 力F 及相关几何尺寸的关系 即达到该装置设计 的目的 电动机 小皮带轮 转动支座 拉力传感器 底座 图2 测量装置传动简图 2 2 测量计算理论方法 首先分析带传动工作过程中大 小带轮的几何 结构关系 8 在如图3 所示的几何关系中 A B C D 四点为V 带与大 小带轮的切点 图3 带传动几何关系 从图3 中V 带与大 小带轮所构建的几何关系 可以得到 0 a r c s i n d z F d l 1 口 兀一2 口 2 式中 a 为小带轮包角 r a d 0 为V 带切线与两轮中 心线所夹锐角 r a d 下文以V 带紧边拉力F 1 为例 分析其在转轴 中心E 点所产生的力矩 所构建的紧边拉力F 与 万方数据 第4 0 卷第9 期杨胡坤 等 电动机输 f j 扭矩测嚣装置设计 转轴中心几何关系如图4 所示 图4 紧边拉力F 与转轴中心几何关系 由图4 可以看出 紧边拉力F 对应转轴中心E 点的力臂即为线段A E 记为长度l 根据图4 中的 几何结构关系 有 小带轮基准直径时 就可获得电动机的输出扭矩 即 J M j 一 F 一F z 芸 9 厶 联立式 7 9 及测试装置结构几何关系 可 以得到拉力传感器所测得的力F 与电动机输出轴 扭矩的关系为 J F 口 扩一1 芸 兰 10 1 h c o s 0 酽一1 睾 厶 式 1 0 中0 a 均可由式 1 2 算得 由式 1 0 可以看出 当带传动机构确定后 在电 动机测试装置中 电动机输出轴扭矩与拉力传感器 所测力F 信号为一函数关系 即由力F 可直接计算 得到电动机输出轴扭矩 z 一 c s 口 鲁 3 3结论 式中 h 为电动机中心至铰链中心E 的垂直高 度 m 则紧边拉力F 在转轴中心E 点所产生的力 矩为 M 1 F l l c o s e 冬 4 同理 与求紧边拉力F 1 对转轴中心E 点的力 矩类似 松边拉力F 对转轴中心E 点的力矩为 M j F 2 c o s 口一冬 5 厶 由于紧边拉力F 1 与松边拉力F 在转轴中心E 点所产生的力矩同向 则V 带紧 松边拉力对转轴 中心所产生的力矩为 M M M 2 一 F F h c o s 口 F 一F 2 冬 6 由图2 可知 该装置在拉力传感器力F 的作用 下平衡 当已知力F 与转轴中心E 点的力臂为a 时 则传感器所采集的力F 的信号值为 F M 7 口 又由带传动紧 松边拉力关系得 F 一e 严 8 n v u r2 式中 皿为带与轮面间的摩擦因数 当为V 带传动时 卢为带与轮面间的当量摩擦 因数 此时它和带与轮的摩擦因数及带轮轮槽角有 关 具体计算过程可参考相关机械工具书 在电动机带轮上 当已知V 带紧 松边拉力及 1 该测量装置直接利用带传动原理 利用力 传感器所测得的力信号转换成电动机输出轴扭矩 2 测量计算结果不涉及传动装置的机械传动 效率的影响 因此所测结果与其他间接测量结果相 比 具有更高的可信度 为精确分析电动机工作效率 提供了可靠的分析数据 3 该装置的测量方法适合需要精确测量电动 机输出轴扭矩的场合 参考文献 1 黄安贻 廖绪兵 朱志宏 等 抽油机中电动机扭矩软测 最方法的研究E J 自动化仪表 2 0 0 9 3 0 9 2 1 2 3 E 2 商维绿 缪德源 钱顺张 现代扭矩测量技术 M 上 海 卜海交通大学出版社 1 9 9 9 3 4 E 3 3 朱海燕 刘清发 肖晓华 等 基于S I M U I I N K 的游梁 抽油机曲柄扭矩分析 J 石油矿场机械 2 0 0 8 3 7 5 3 9 4 2 4 姜民政 乇慧 高源 等 变速驱动抽油机井运行参 数变化规律研究 J 石油矿场机械 2 0 1 0 3 9 1 0 4 7 1 5 黄伟 刘显 吉效科 等 C Y J 7 2 5 2 6 H Y 型抽油 机设计及应用E J 石油矿场机械 2 0 0 3 9 5 3 3 3 5 E 6 3 柯伟 李才良 王启颜 等 一种同轴二次曲柄平衡抽 油机方案及性能分析 J 石油矿场机械 2 0 0 9 3 8 4 7 1 0 E T 章敬 李伟 李绍奇 等 C Y J 5 1 8 1 8 H Y 型整体 弯游梁式抽油机的设计和应用 J 石油矿场机械 2 0 0 8 3 7 9 8 2 8 5 8 杨可桢 机械设计基础 M 北京 高等教育出版社 2 0 0 6 2 0 4 2 0 8 万方数据 电动机输出扭矩测量装置设计电动机输出扭矩测量装置设计 作者 杨胡坤 李金民 王建萍 卢文玉 YANG Hu kun LI Jin min WANG Ji