鉆井液用離心機(jī)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

范　強(qiáng)，國(guó)國(guó)敬，李鵬宇，糾松濤，陳　彬（西南石油大學(xué)　機(jī)電工程學(xué)院，成都610500）

鉆井液用離心機(jī)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

范強(qiáng)，國(guó)國(guó)敬，李鵬宇，糾松濤，陳彬
（西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都610500）

目前，石油礦場(chǎng)鉆井液固控系統(tǒng)所用離心機(jī)均為臥式螺旋沉降離心機(jī)，其使用效果主要取決于分離因數(shù)和轉(zhuǎn)鼓與螺旋的轉(zhuǎn)速差。利用功能原理設(shè)計(jì)理論對(duì)其傳動(dòng)和差速裝置進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，提出多種傳動(dòng)方案；采用模糊綜合評(píng)判對(duì)不同的傳動(dòng)方案進(jìn)行了評(píng)判，得出雙電機(jī)變頻同步齒形帶傳動(dòng)方案具有較好的綜合性能。該研究可為鉆井液用離心機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品的開發(fā)提供參考。

鉆井液；離心機(jī)；傳動(dòng)方案；模糊綜合評(píng)判

鉆井液用臥式螺旋沉降離心機(jī)的主要作用是清除有害固相和回收有用固相，在離心力場(chǎng)的作用下，固相沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面上，通過螺旋輸送器輸送到轉(zhuǎn)鼓小端的排渣口排出，處理后的澄清液從轉(zhuǎn)鼓大端溢流口排出并返回鉆井液循環(huán)系統(tǒng)［1-2］。目前，石油礦場(chǎng)所用的離心機(jī)主要有WL 355、WL 450和WL 600 3種類型，但其處理量均不能滿足鉆井液全排量處理要求；需要開發(fā)處理量大、使用性能好的新型離心機(jī)。本文采用功能原理設(shè)計(jì)理論對(duì)傳動(dòng)裝置進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，提出多種傳動(dòng)方案；并采用模糊綜合評(píng)判對(duì)不同的傳動(dòng)方案進(jìn)行了模糊綜合評(píng)判，最后做出合理的評(píng)價(jià)與選擇。

1　傳動(dòng)方案功能原理設(shè)計(jì)

功能原理設(shè)計(jì)是在保證實(shí)現(xiàn)功能的前提下，可以采用各種不同的原理、機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)所要求的功能，它是一種創(chuàng)新構(gòu)思的過程，力求提出較多的解法以供比較和選擇［3-7］。通過功能分析，我們可以把離心機(jī)傳動(dòng)的總功能分解為3個(gè)功能元，如圖1所示。

圖1　傳動(dòng)系統(tǒng)功能分解

根據(jù)動(dòng)力源、傳動(dòng)方式和差速器選擇的不同，列出傳動(dòng)方案形態(tài)矩陣如表1所示。

表1　傳動(dòng)方案形態(tài)矩陣

由表1分析得，傳動(dòng)方案有5×5×4=100種。

1）動(dòng)力源的選擇。柴油機(jī)具有自持能力，但從環(huán)保方面考慮，使用柴油機(jī)的污染、噪聲大，且柴油機(jī)的體積比電機(jī)大，占用空間大。因此，選用電機(jī)作為動(dòng)力源較合適［8-9］。

2）動(dòng)力源輸出端的傳動(dòng)方式選擇。齒輪傳動(dòng)和鏈輪傳動(dòng)齒的傳動(dòng)效率高，使用壽命長(zhǎng)，但兩者的制造、安裝要求較高，過載時(shí)起不到保護(hù)。液力傳動(dòng)承載能力大，易于無級(jí)調(diào)速，但需要附加泵站和輸送管道，這就使離心機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜和笨重。因此，選用帶傳動(dòng)方式。V帶傳動(dòng)具有過載打滑、運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲低和緩沖吸振的優(yōu)點(diǎn)，但是不能保證精確的傳動(dòng)比，傳動(dòng)效率低；同步齒形帶傳動(dòng)可保證傳動(dòng)同步，同時(shí)提高了帶傳動(dòng)的傳動(dòng)效率和傳動(dòng)比［10］。

3）差速傳動(dòng)裝置。要求能夠滿足轉(zhuǎn)鼓與螺旋輸送器之間轉(zhuǎn)速差，并且保證差轉(zhuǎn)速恒定。

綜合以上分析，可采用如下5種方案［11-12］：

1）方案1。A2+B1+C1（單電機(jī)行星齒輪差速器傳動(dòng)），如圖2。

主電機(jī)通過皮帶輪、行星齒輪差速器帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓和螺旋輸送器以一定的轉(zhuǎn)速高速旋轉(zhuǎn)。這種傳動(dòng)方式的離心機(jī)適應(yīng)性和通用性較差，不能調(diào)節(jié)速差，并且在重載荷下安全啟動(dòng)時(shí)，需要配備大功率電機(jī)。

圖2　單電機(jī)行星齒輪差速器傳動(dòng)系統(tǒng)

2）方案2。A2+B1+C3（單電機(jī)電磁渦流差速器傳動(dòng)），如圖3。

單電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)鼓與螺旋輸送器間的差速由電磁渦流差速器產(chǎn)生。這種驅(qū)動(dòng)方式便于控制、節(jié)約能源，但其轉(zhuǎn)矩小，螺旋輸渣受到限制。

圖3　單電機(jī)電磁渦流器傳動(dòng)系統(tǒng)

3）方案3。A3+B1（單電機(jī)液壓馬達(dá)傳動(dòng)），如圖4。

通過控制流量泵的流量來改變馬達(dá)轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)鼓與螺旋輸送器之間差速的任意調(diào)節(jié)。單電機(jī)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，具有較大的轉(zhuǎn)矩、速差控制方便，并且取消了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的差速器。但液壓馬達(dá)是高精度、高技術(shù)含量的部件，價(jià)格也偏高。

圖4　單電機(jī)液壓馬達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)

4）方案4。A4+B1+C1（主副雙電機(jī)差速器傳動(dòng)），如圖5。

主電機(jī)通過皮帶輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)，副電機(jī)通過差速器帶動(dòng)螺旋旋轉(zhuǎn)，通過變頻器調(diào)節(jié)主副電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。

圖5　主副雙電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)

5）方案五。A5+B4（雙變頻電機(jī)同步齒形帶傳動(dòng)），如圖6。

采用2臺(tái)變頻調(diào)速電機(jī)，通過同步齒形帶分別驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)鼓和螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)，用2個(gè)變頻器來控制變頻電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)鼓與螺旋輸送器差速度的任意調(diào)節(jié)。這種布置取消了差速器，并且采用同步齒形帶傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，不易打滑。

圖6　雙變頻電機(jī)同步齒形帶傳動(dòng)系統(tǒng)

2　基于模糊綜合評(píng)判法的傳動(dòng)方案評(píng)價(jià)

所謂模糊綜合評(píng)判，是指對(duì)多種模糊因素所影響的事物或現(xiàn)象進(jìn)行總的評(píng)價(jià)［13-17］。在傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)中，因要考慮的因素很多，且許多因素還具有強(qiáng)烈的模糊性，為了比較各方案的優(yōu)劣次序，得出有意義、有價(jià)值的評(píng)判結(jié)果，因此采用模糊綜合評(píng)判。具體評(píng)判步驟如下：

1）建立因素集。影響臥螺離心機(jī)傳動(dòng)方案評(píng)判的因素，主要有設(shè)計(jì)水平、占地面積、工作性能、制造成本、維修費(fèi)用和使用壽命。

U=（u1，u2，u3，u4，u5，u6）（1）

式中：u1為設(shè)計(jì)水平；u2為占地面積；u3為工作性能；u4為制造成本；u5為維修費(fèi)用；u6為使用壽命。

2）建立權(quán)重集。對(duì)傳動(dòng)方案的評(píng)判，需要根據(jù)自己的情況來擬定合適的比重。因此，對(duì)不同的設(shè)計(jì)者，側(cè)重點(diǎn)不同，權(quán)重也就不同。設(shè)計(jì)水平、占地面積、工作性能、制造成本、維修費(fèi)用、使用壽命6種因素權(quán)重可記作

3）建立評(píng)價(jià)集?？傇u(píng)判的結(jié)果為各種滿意等級(jí)，即

V=（v1，v2，v3，v4，v5）=（好，較好，一般，較差，差）（3）

4）單因素模糊評(píng)判。單獨(dú)從1個(gè)因素出發(fā)，不同設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)水平、結(jié)構(gòu)緊湊、工作性能、經(jīng)濟(jì)性、使用壽命的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表2所示。

從單個(gè)因素出發(fā)，可確定對(duì)其備擇集V的隸屬度，即單因素評(píng)判矩陣。由表2可得出各傳動(dòng)方案的因素模糊評(píng)判矩陣為式（4）～（8）。

表2　不同設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

5）傳動(dòng)方案的模糊綜合評(píng)判。當(dāng)注重設(shè)備工作性能時(shí)，各因素權(quán)重可確定為=（0.05，0.05，0.84，0.02，0.02，0.02）（9）

這里采用普通矩陣乘法進(jìn)行模糊合成運(yùn)算

同理可得其余4種傳動(dòng)方案的模糊評(píng)判指標(biāo)為

由上述模糊評(píng)判指標(biāo)可知：當(dāng)注重工作性能時(shí)，方案5的工作性能最好，其次是方案3和方案4，然后是方案2，性能最差的是方案1。

3　結(jié)論

1）采用功能原理設(shè)計(jì)對(duì)鉆井液臥式螺旋離心機(jī)進(jìn)行功能分析，擇優(yōu)設(shè)計(jì)出單電機(jī)行星齒輪差速器傳動(dòng)系統(tǒng)、單電機(jī)電磁渦流器傳動(dòng)系統(tǒng)、單電機(jī)液壓馬達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)、主副雙電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)和雙變頻電機(jī)同步齒形帶傳動(dòng)系統(tǒng)5種較好的傳動(dòng)方案。

2）當(dāng)綜合考慮設(shè)計(jì)水平、占地面積、工作性能、制造成本、維修費(fèi)用及使用壽命時(shí)，同時(shí)注重其工作性能，鉆井液離心機(jī)應(yīng)優(yōu)先選擇雙電機(jī)變頻同步齒形帶傳動(dòng)方案。

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Design and Evaluation of Centrifuge Transmission Scheme for Drilling Fluid

FAN Qiang，GUI Guojing，LI Pengyu，JIU Songtao，CHEN Bin
（School of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

At present，the centrifuge used in the oil field drilling controlling system for drilling flu-id，is horizontal centrifugal sedimentation centrifuge.The effect mainly depends on the separation factor and the difference rotational velocity between the drum and spiral.Some improvements and innovations for the functional principle design theory were made and a variety of drive schemes were put forward in this article.Due to the fuzzy for many factors about these drive schemes，these different drive schemes with the fuzzy comprehensive evaluation were judged and finally the reasonable evaluation and selection were obtained.The reference value to the improvement of cen-trifuge and the development of new products were definite in this study.

drilling fluid；centrifuge；transmission scheme；fuzzy comprehensive evaluation

TE926

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.002

1001-3482（2015）12-0006-04

2015-06-04

范強(qiáng)（1964-），男，河南平頂山人，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)槭豌@采設(shè)備及現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法，Email：fanqiang818＠sina.com。