DB4000型變頻電動繩索絞車的研制與應用

潘飛，藏臣坤，孫軍盈，楊碩，齊華

（中國地質裝備總公司，北京 100102）

繩索取心鉆進工藝是當前我國鉆探取心的主導工藝方法，以“三高兩低”（巖心采取率較高，鉆頭壽命較高，鉆進效率高，降低成本，降低勞動強度）的優(yōu)勢取代傳統(tǒng)提鉆取心方法。巖心打撈是繩索鉆進的核心環(huán)節(jié)，繩索絞車的選擇對于巖心打撈的成功與否、效率高低具有決定性影響。

目前常用的繩索絞車類型，以JS系列機械絞車為主，輔以較少的液壓繩索絞車。JS絞車由電動機、皮帶、離合器、變速箱、卷筒及帶式剎車組成，作為立軸鉆機的配套設備。在常規(guī)1000m以淺的鉆探取心施工中，滿足了基本的功能要求。隨著我國“深部找礦”戰(zhàn)略的推進，2000～3000m深孔，甚至大于3000m的超深孔取心鉆探對于繩索絞車提出越來越高的技術要求、功能要求及操控要求，JS系列繩索絞車在速度控制、拉力控制、剎車控制、離合控制以及一體化遠程控制等方面存在一定的盲目性，導致事故頻發(fā)。尤其在深孔鉆探過程中與繩索取心的工藝要求很不協(xié)調，不能滿足當前地質取心鉆探發(fā)展的需要。液壓繩索絞車在操控性能上較機械絞車有所提升，但仍有一定的局限性：大多液壓絞車作為全液壓鉆機的配套，無獨立動力源，主機動力機和液壓系統(tǒng)在長時間打撈輔助過程中仍需保持運轉狀態(tài)，不節(jié)能；液壓傳動效率低，深孔重載能耗更大；液壓系統(tǒng)復雜、不易查找故障點、設備維修困難；液壓油在維修過程中的泄露造成環(huán)境污染，不減排。因此，有必要研制清潔、高效、高精度操作的深孔繩索取心絞車。

DB4000型變頻繩索絞車（圖1）是中國地質裝備總公司自主研發(fā)的XD35DB型全電驅鉆探設備的重要組成部件，采用變頻電機、電磁離合、測速和張力傳感器，可進行遠程一體化監(jiān)控與操作。該絞車可在3000m～4000m超深孔繩索取心鉆探施工中高效、便捷、可靠地完成打撈巖心、下放內管等作業(yè)，可作為深孔立軸鉆機、液壓鉆機和電驅動巖心鉆機的配套。

圖1 DB4000型電驅繩索絞車

1 關鍵技術

1.1 自由落鉤

DB4000型絞車在減速機與卷筒之間裝有電磁離合器，離合器通電閉合，卷筒在電機驅動下可控升降鉆具；斷電脫開，卷筒無動力自由回轉。在深孔、超深孔下放打撈矛時，可先在可控狀態(tài)下將打撈矛下放至一定深度，在打撈矛及鋼絲繩重量大于泥漿浮力及摩擦阻力時，離合器脫開切換為無動力自由下放狀態(tài)。凸顯兩大優(yōu)勢：高速、節(jié)能，這是深孔打撈最值得重視的目標要求。

傳統(tǒng)絞車只能實現(xiàn)有動力可控升降，下放速度控制較慢的情況下，以30m／min計算，4000m打撈時間需要將近4個半小時，超長時間的剎把操作，勞動強度太大，非人力所能承受；超長時間的工作需要更多的動力消耗，如果是液壓鉆機，整個主機動力消耗，動輒在數(shù)十萬千瓦時以上，絕不是點點滴滴的節(jié)省。如果具備無動力可控自由落鉤，在超深孔取心時采用可控自由落放，4000m打撈矛下降時間可以控制在1小時之內，既節(jié)省動力，實現(xiàn)快速下放，又降低勞動強度，同時保證打撈矛帶鋼絲繩在一定比重泥漿中的自然下落狀態(tài)。

1.2 能耗制動與盤剎制動相結合

DB4000型繩索絞車采用交流變頻電機驅動，電機由變頻器驅動，絞車電機裝有編碼器，變頻器在編碼器的識別轉速基礎上實現(xiàn)對于電機的無級調速控制，并在小于1500r／min額定轉速時以恒扭矩特性輸出轉矩及拉力，在高于1500r／min額定轉速時以恒功率特性輸出轉矩及拉力，根據(jù)負載要求輸出轉矩，滿足不同孔深的拉力需求，調速無級柔和，輸出轉矩平穩(wěn)，而且可實現(xiàn)零速懸停。絞車在減速運行、緩慢升降以及臨時停止運行過程中的制動方式為能耗制動，操作者調速的同時即可實現(xiàn)有效制動，不必操控剎車，降低操作難度，大大提高操控精度，滿足深孔巖心打撈時對于速度及轉矩自動控制的工藝需求。

DB4000型繩索絞車的駐車制動為液壓盤剎，為常閉式剎車，彈簧夾緊，液壓松開，可由主機提供液壓源或配套獨立的液壓動力站。主要確保在巖心打撈過程中出現(xiàn)現(xiàn)場斷電、離合失靈或者電機故障等異常情況，防止絞車失控，確保安全駐車，巖心安全懸停。

能耗制動作為運行主制動，液壓盤剎作為駐車輔助制動，二者有效結合，為確保繩索絞車的操控精度、操作難度以及打撈的安全性方面提供了基礎型的保障。

1.3 自動排繩、適用不同直徑鋼絲繩

DB4000型繩索絞車設置有專門的排繩機構，采用螺旋桿、滑銷與導繩輪的組合運動實現(xiàn)鋼絲繩的自動導向及軸向有序排列，采用雙向螺桿實現(xiàn)鋼絲繩的自動換向及徑向有序排列。DB4000型繩索絞車螺旋絲桿的螺距32mm與Ф8mm鋼絲繩的直徑成4倍關系，導繩輪移動一個螺距，鋼絲繩排列4圈。排繩螺旋桿的動力來自于卷筒輸出軸，二者通過鏈輪及齒輪實現(xiàn)；該齒輪副同時具備手動調節(jié)功能，將大小齒輪脫開后可實現(xiàn)手動排繩，在初始安裝及運轉過程中偶爾出現(xiàn)亂繩時可脫開機械動力，手動調節(jié)螺旋桿，恢復到有序排繩狀態(tài)。在2000m以上的深孔巖心打撈過程中，6～8mm直徑鋼絲繩在高速運轉過程中，如果僅僅設置導向輪，沒有排繩機構，很容易造成壓繩、亂繩、咬繩、跳繩等問題，不僅嚴重影響鋼絲繩的適用壽命、也容易引起打撈事故。

采用此種排繩機構具有以下優(yōu)點：

（1）排繩機構的動力來自于絞車電機，不需要額外動力，同時可保證卷筒及排繩機構的轉速具有一定相關性。

（2）排繩機構僅與鋼絲繩直徑有關，與鋼絲繩層數(shù)無關。這樣就不需要編寫相關程序，同時可降低由于排繩誤差導致的排繩混亂。

（3）排繩機構有手動調節(jié)功能，出現(xiàn)導繩輪與鋼絲繩位置不一致時，絞車停轉，手動將導繩輪調至合適位置即可實現(xiàn)自動排繩，操作簡單方便。

（4）DB4000型絞車針對不同直徑鋼絲繩配有不同配比的鏈輪，通過更換鏈輪就可適用不同直徑鋼絲繩，滿足深孔打撈作業(yè)可能需要根據(jù)取心直徑、地層情況、泥漿比重等不同情況選用不同直徑鋼絲繩的需求。

1.4 精確控制打撈矛孔內位置

在傳統(tǒng)的繩索絞車取心過程中，打撈矛投放位置主要是靠工人經驗感覺，打撈成功率會大打折扣；特別是在深孔取心過程中，下放深度是否到位，內管打撈是否成功，不容易被確認。為解決這些問題，DB4000型變頻繩索絞車設計安裝了繩長繩速傳感器、鋼絲繩拉力傳感器，可實時測量鋼絲繩受力及打撈矛的投放位置。

（1）測速裝置

DB4000型變頻繩索絞車設計有測速裝置，主要包括導繩輪和測速傳感器，測速傳感器安裝在導繩輪側板上，導繩輪上對稱加工兩個計數(shù)孔。絞車控制程序會先判斷絞車正反轉，在根據(jù)傳感器輸出的計數(shù)數(shù)據(jù)，通過公式進行邏輯計算，得出鋼絲繩移動長度。

圖2 測速裝置

鋼絲繩長度計算公式為：

其中：L－鋼絲繩長度，m

D－導繩輪分度圓直徑，m

n－傳感器檢測數(shù)值。

鋼絲繩速度計算公式為

其中：v－鋼絲繩速度，m／s。

采用此種測量方式，鋼絲繩長度與速度的計算和卷筒長度、鋼絲繩層數(shù)沒有任何關系，僅和導繩輪直徑有關，可防止由于鋼絲繩亂繩導致的長度和速度計算誤差，保證鋼絲繩相關數(shù)據(jù)計算的準確性；而且這種測量方式簡單可靠，成本低廉，為操作人員提供實時的打撈矛位置及速度數(shù)據(jù)。

（2）張力監(jiān)測裝置

在繩索取心過程中，打撈矛是否打撈成功，巖心堵塞后是否會造成鋼絲繩拉斷的情況，如沒有監(jiān)測就只能靠操作人員經驗判斷。DB4000型變頻繩索絞車設計安裝了張力傳感器（圖3），該傳感器為應變式傳感器，分為前后導輪和測量輪，可測量運動中鋼絲繩的受力。通過絞車程序計算可得出鋼絲繩及時受力。

鋼絲繩張力計算公式：

其中：α為鋼絲繩與測量輪之間的夾角。

DB4000型變頻繩索絞車鋼絲繩張力傳感器前后導輪在同一平面內，保證鋼絲繩進出張力傳感器的角度始終不變，可夠避免由于鋼絲繩在運行過程中的擺動造成鋼絲繩張力測量誤差，避免錯誤的張力檢測數(shù)據(jù)使操作者判斷錯誤造成事故發(fā)生。

圖3 張力監(jiān)測裝置

1.5 遠程操作，程序化控制

DB4000型變頻繩索絞車，采用獨立的邏輯控制器或者主機系統(tǒng)的PLC進行邏輯控制，并通過司鉆房內的觸摸屏（HMI）的一個界面（圖4）進行遠程操作。操作者可在司鉆房內操作絞車電機的起停、打撈矛的上升下放、絞車懸停、盤剎的打開剎死等一系列動作；也可在操作界面上觀察到打撈矛投放位置及鋼絲繩拉力情況；報警界面，可視危險情況自動剎車，防止由于操作者的失誤造成作業(yè)事故；繩索絞車處安裝有攝像頭，可實時觀看絞車運行狀態(tài)。

圖4 HMI界面

DB4000型變頻繩索絞車也配有遠程監(jiān)控系統(tǒng)（圖5），工程師可不必在井場就可獲得井場內施工的任何數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)可保存絞車相關數(shù)據(jù)并制作相應圖標，方便工程師遠程監(jiān)控。

圖5 遠程監(jiān)控

2 絞車主要參數(shù)

項目 參數(shù)電機額定功率45kW電機額定轉速 1480r／min單繩最大拉力30kN鋼絲繩公稱直徑 Ф8mm絞車檔數(shù) 1＋1R 無極變速滾筒尺寸（直徑×長度） Ф400×968mm滾筒轉速 83r／min繩速 0～1.75m／s剎車 液壓盤式剎車剎車盤尺寸（外徑×厚度） Ф800×20mm絞車外形尺寸（長×寬×高）2320×1200×1350mm

3 應用情況

2012年8月至2013年五月，在江西相山大型鈾礦“中國鈾礦地質第一科學深孔”施工中（圖6），DB4000型變頻繩索絞車作為主要部件承擔了繩索取心重要工作，實現(xiàn)全孔繩索取心2818.88m（圖7），終孔口徑122mm；創(chuàng)造并刷新了國內S114大口徑繩索取心鉆探記錄。絞車整體運行可靠，排繩有序，檢測精準，控制靈活，順利的完成了取心任務。

4 結語

DB4000型變頻繩索絞車由電機驅動，變頻器控制，速度控制穩(wěn)定、調速平滑。由于絞車安裝了測試裝置、排繩機構、盤剎系統(tǒng)等，在現(xiàn)場施工中表現(xiàn)優(yōu)異。主要優(yōu)點包括：

（1）鋼絲繩排列整齊，有效的防止了亂繩、咬繩等問題的發(fā)生；

（2）數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)化施工；

（3）遠程操作、程序化控制，保證了施工的安全性、可靠性，防止事故發(fā)生；

（4）具有可控自由落鉤功能，降低能耗。

DB4000型變頻繩索絞車設計先進，功能齊全，該產品的推廣應用可加快我國繩索取心絞車的更新?lián)Q代，進一步推進我國繩索取心工藝的推廣，市場前景廣闊。

圖6 DB4000繩索取心絞車

圖7 中核科鉆2818m巖心

［1］劉躍進，朱江龍，潘飛，黃洪波.新一代電驅動深孔巖心鉆機的實踐與展望［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2013（z1）.

［2］何磊，沈懷浦，杜江.YSJ3000型深孔繩索取心液壓絞車的研制［J］.地質裝備.2011（11）.

［3］孫軍盈，楊碩，臧臣坤，李溪清.DB4000型變頻電驅動繩索絞車的智能化控制［J］.地質裝備.2013（14）.