金刚石串珠绳张力传感器和性能指标分析

　　水下金刚石绳锯机在完成海底石油管道切割过程中串珠绳的张力对切割效率和串珠绳的使用寿命有着重要的影响。串珠绳的张力过大,疲劳损坏加剧,易引起断绳,另外,导向轮和驱动轮的橡胶衬垫产生过度磨损。串珠绳的张力太小,串珠绳和驱动轮之间容易打滑,切割效率下降。通过检测控制系统调整绳锯机的切割径向进给状态,使金刚石串珠绳在安全合理的张力范围内进行工作具有非常重要的意义。

　　目前测量张力的传感器,主要局限于采用串入测力计或测力传感器,也有采用接触式张力测定传感器,该传感器采用“三点接触”或“五点接触”弯曲方法,将串珠绳张力信号转换为传感器的压紧力信号及位移信号,获得张力测定计算模式[1-4]。由于串珠绳的工作情况和绳锯机的空间结构的限制,以上的方法都不适合金刚石串珠绳的张力测量,所以自行研制了测量张力传感器及检测系统。

　　由于金刚石绳锯机在60m以浅的海水中工作,这样就要求张力传感器及检测系统应该具有良好的水下密封性能。另外,张力传感器在体积结构方面必须能与绳锯机本体相适应,同时,应满足具有抗振动性能、易于安装、耗电小等要求。

　　1　张力传感器的工作原理

　　串珠绳的张力传感器工作简图如图1所示,其工作原理是基于金属电阻的应变效应^[5]。如图1 (a)所示,绳锯机在切割过程中串珠绳对导向轮产生压力,压力传给弹性轴使之产生与张力成比例的应变,利用粘贴在弹性轴上的应变计将应变转化为电阻的变化,然后再通过电桥转化电路将电阻的变化转化为电压的变化,测量出电压值,根据传感器的标定就可以求出相应的串珠绳的张力^[6]_。

　　如图1 (b)所示,在不考虑串珠绳抗弯刚度的前提下,得出传感器和串珠绳的受力状态。

　　传感器受力

　　式中:F_P为传感器受力, N;F_T为串珠绳的张力,N;θ为传感器受力与串珠绳张力之间的夹角, (°)。

　　串珠绳的张力

　　式中:K为标定系数, N/mV;ΔU为传感器输出电压信号, mV。

　　由于K和为固定的常数,因此传感器输出电压信号与张力F_T之间成线性正比关系。

　　在弹性轴中间部分铣削出上下两个平面,用以贴应变计。将4个电阻值为R的应变计贴到弹性轴上下两个平面上,把4个应变计连接成传感器的测量电桥见图2。

　　4个应变计电阻值R₁=R₂=R₃=R₄=R,U为输入电压,ΔU为输出电压。测量电桥处于平衡状态时ΔU=0。