剪切阀泥浆脉冲器扭杆标定装置研制

鲍东升 郭心宇 曲汉武

（中海油田服务股份有限公司，三河 065201）

剪切阀泥浆脉冲发生器摆动频率高，调制方式丰富，传输速率在20 b·s-1以上。它的关键部件主要包括定子和转子。扭杆的一端连接转子，另一端连接驱动泥浆脉冲发生器的电机。工作时，转子在电机的驱动下做一定角度的往复摆动，有规律地剪切流体产生脉冲压力信号。信号经过钻杆传输到地面立管上，数据采集系统采集立管上压力传感器的相关数据，通过解调系统解码井下的压力信号，从而获得地层信息与工程参数[1-3]。

剪切阀泥浆脉冲发生器设计和制作时，充分考虑了水力转矩对泥浆脉冲发生器转子的关闭趋势，设计了扭簧扭转机构，有效降低了脉冲发生器对电机转矩及功率的需求，简化了脉冲发生器结构。扭簧设计时，不同扭转角度和对应的转矩值之间有一个理论计算值。考虑到这个理论计算值的准确性，加工过程的误差对这种对应关系产生的影响，所用材料可能造成的误差以及影响实际转矩的其他因素，脉冲发生器进入循环系统实验或者井场钻进时需要进行严格检验和标定，以便控制系统调整控制参数。由于扭簧扭转装置的刚度系数与电机瞬时输出转矩存在对应关系，为了能更精确地控制驱动电机，使电机输出转矩与扭簧扭转装置的转矩匹配，需要进行转矩常数的标定。为此，设计了一套扭杆标定装置，对脉冲器扭簧和电机进行检验和标定。

1 扭杆标定装置结构设计

剪切阀泥浆脉冲发生器扭杆标定装置主要由扭矩测试仪和固定台架组成[4-5]，如图1 所示。标定的扭杆放入电机中并由电机驱动，电机由上下V 形板紧固住，扭杆尾端与扭杆测试仪用联轴器连接。由驱动板驱动电机转子在某个角度范围内转动，转动角度间隔0.5°，电机转子与扭杆以相同的角速度运动。电机转动角度由旋转变压器检测。

当电机转动角度和实际位置由旋转变压器反馈，按0.5°（可根据需要调整转动角度间隔）驱动电机转子转动，带动扭轴扭转，并记录扭矩测试仪显示的扭矩值。

以扭转角度为横坐标，以扭矩仪显示的扭矩值为纵坐标，绘出扭转角度与测得扭矩值变化的关系曲线。在脉冲发生器中添加的扭杆装置输出扭矩是线性变化的。在扭杆长度一定的情况下得到该直线的斜率，可简单理解为扭杆的刚度系数。

断开联轴器，固定脉冲器尾端，驱动电机利用旋转变压器反馈的数值得到扭轴的扭转角度。此时，利用电机的q 轴电流，通过换算关系也能得出角度与q轴电流转矩之间的变化关系曲线。

2 电机转矩常数的计算及应用

以三相星形连接的永磁同步电机为例，根据矢量控制和坐标变换基本原理，可知电机d、q 轴电流和a、b、c 三相电流之间满足以下关系：

对于三相星形连接的永磁同步电机，三相电流满足以下关系（即c 相能用a、b 相求得）：

由于本电机系统采用id=0 矢量控制，因此电机的q 轴电流与三相电流关系满足：

q 轴电流乘以一个系数可得转矩，这个系数即为电机转矩常数。

通过扭杆标定装置可以测得电机转矩常数。在循环系统中进行试验时，实时监测得到三相电流，进而可输出转矩值。通过转矩能进行脉冲发生器工作时的准确功率评估，既便于井下中央控制系统对井下仪器的供电进行管理，对井下仪器供电进行有效分配，又能够通过比较水力关闭趋势转矩和扭簧转矩获知电机控制的可靠性。

3 标定流程

步骤1：将电机非输出端用联轴器连接到具有扭簧扭转机构的标定装置上，如图2 所示，即利用电机驱动电路驱动电机在所述扭簧扭转机构的工作角度内转动，监测并记录所述电机的三相电流值；

步骤2：按一定的角度间隔驱动电机并进行位置停留，记录电机上旋转变压器的旋转角度，记录所述标定装置上显示仪的转矩数值，记录三相电流值；

步骤3：在到达扭簧扭转角度后，利用电路驱动电机在回程的同样位置停留，再次记录旋转变压器的旋转角度，标定装置上显示仪的转矩数值和三相电流值；

步骤4：根据步骤2 和步骤3 绘制扭转角度/转矩关系曲线，如图3 所示；

步骤5：根据步骤2 和步骤3 计算q 轴电流；

步骤6：根据步骤2 和步骤5 绘制扭转角度/q 轴电流曲线；

步骤7：拟合步骤4 和步骤6 的曲线计算电流/转矩常数，如图4 所示；

步骤8：重复步骤2 至步骤7，计算取平均值后的电流/转矩常数。

4 验证及结论

在深入了解扭杆标定装置的结构与功能后，针对不同的设计制造方案反复进行比较，最终加工组装，形成一套如图5 所示的扭杆标定装置。

5 结语

通过实测，该装置能够准确检验和标定扭簧，对批量生产的来料检验提供了便利，也可以准确测得电机转矩常数，能够评估脉冲发生器工作时的准确功率，对井下仪器的供电管理和检验电机的可靠性具有重要意义。