一種交流變頻自動(dòng)換擋絞車設(shè)計(jì)

許長(zhǎng)生，黃照榮

(上海中曼石油裝備有限公司，上海 201306)①

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一種交流變頻自動(dòng)換擋絞車設(shè)計(jì)

許長(zhǎng)生，黃照榮

(上海中曼石油裝備有限公司，上海 201306)①

摘要：隨著電控系統(tǒng)的不斷發(fā)展和鉆井自動(dòng)化要求的不斷提高，交流變頻絞車的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)得越來越明顯，而交流變頻單速絞車不能同時(shí)滿足鉤速和鉤載要求；雙速絞車雖然可以通過換擋獲得理想的提升性能，但受機(jī)械換擋結(jié)構(gòu)的制約，換擋勞動(dòng)強(qiáng)度大，且必須停車才能換擋，效率低。應(yīng)用一種新型的液壓濕式離合器，通過合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)及電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了絞車的自動(dòng)換擋。

關(guān)鍵詞：交流變頻；絞車；自動(dòng)換擋；液壓濕式離合器

電動(dòng)鉆機(jī)性能優(yōu)于機(jī)械鉆機(jī)，而交流電動(dòng)鉆機(jī)更優(yōu)于直流電動(dòng)鉆機(jī)[1]。直流電驅(qū)動(dòng)鏈傳動(dòng)絞車因目前的大功率鏈條性能不過關(guān)，故采用齒輪傳動(dòng)的單速單軸齒輪傳動(dòng)絞車[2]。因電機(jī)的恒功調(diào)速范圍較窄，不能同時(shí)滿足鉆井的鉤速和鉤載要求，設(shè)計(jì)了雙速單軸絞車，只增加了一對(duì)齒輪，有效地解決了單軸絞車鉤速和鉤載不能同時(shí)滿足的矛盾[3-4]。如何方便快捷地完成換擋成為影響絞車效率的主要因素，各鉆井設(shè)備公司也對(duì)此進(jìn)行了研究，提出了多種換擋方式[5-9]，但均需要停車才能進(jìn)行換擋操作。而停車必須通過點(diǎn)動(dòng)電機(jī)，待換擋內(nèi)外齒圈對(duì)中后用撥叉推動(dòng)外齒圈和內(nèi)齒圈完成嚙合，雖對(duì)齒形進(jìn)行了修磨，有時(shí)內(nèi)外齒圈也很難對(duì)中；因絞車電機(jī)不能實(shí)現(xiàn)理想的點(diǎn)動(dòng)，換擋效率依然不能滿足要求。本文設(shè)計(jì)一種自動(dòng)換擋的減速箱，根據(jù)絞車的工況需求自動(dòng)掛合合適的擋位，無需手動(dòng)換擋，減輕了司鉆工作量，提高了鉆井效率。

1絞車總體方案

1.1技術(shù)方案

絞車由2臺(tái)800 kW、0～2 200 r/min的交流變頻電機(jī)通過雙速齒輪減速箱驅(qū)動(dòng)滾筒軸進(jìn)行作業(yè)，通過電機(jī)的反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。主電機(jī)與減速箱、滾筒軸與減速箱均采用鼓形齒聯(lián)軸器連接。絞車為對(duì)稱布置結(jié)構(gòu)，雙速齒輪箱對(duì)稱布置于滾筒左右側(cè)，減速箱齒輪采用硬齒面磨齒、斜齒輪傳動(dòng)，液壓自動(dòng)換擋(通過控制內(nèi)置液壓濕式離合器實(shí)現(xiàn))；齒輪及軸承采用強(qiáng)制潤(rùn)滑，設(shè)置潤(rùn)滑系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)裝置，一旦潤(rùn)滑系統(tǒng)出現(xiàn)異常，鉆機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)主剎車剎車，保證減速箱安全運(yùn)行。剎車采用主電機(jī)能耗制動(dòng)和伊頓常閉式盤式剎車組合形式。配自動(dòng)送鉆裝置，由45 kW小電機(jī)驅(qū)動(dòng)大傳動(dòng)比齒輪箱，經(jīng)氣動(dòng)推盤離合器與右減速箱輸入軸相連，經(jīng)由減速箱低速擋驅(qū)動(dòng)滾筒完成自動(dòng)送鉆作業(yè)。傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。

1—GII CL15鼓形齒聯(lián)軸器；2—滾筒軸總成；3—伊頓剎車；

1.2絞車主要技術(shù)參數(shù)

輸入功率

1 500 kW(2 000 hp)

電機(jī)額定輸入轉(zhuǎn)矩

10 324 N·m

輸入軸額定轉(zhuǎn)速

740 r/min

絞車擋數(shù)

2正2倒，無極調(diào)速

最大快繩拉力

485 kN

鋼絲繩直徑

?38 mm

滾筒直徑×長(zhǎng)度

?770 mm×1 438.9 mm

最大鉤速

1.65 m/s (12繩)

4 500～7 000 m

減速箱傳動(dòng)比

低速擋

11.282

高速擋

5.3

1.3提升能力和提升曲線

根據(jù)電機(jī)和減速箱的相關(guān)參數(shù)，考慮傳動(dòng)效率得到絞車的提升曲線如圖2。從圖2可以看出，掛合減速箱高速擋，絞車在電機(jī)的恒功率區(qū)即可提起最大鉆柱重，速度0.5～1.05 m/s。絞車的最高鉤速能達(dá)到1.65 m/s(電機(jī)速度約2 200 r/min)，此時(shí)雙電機(jī)提升的最大鉤載為480 kN。掛合減速箱低速檔，電機(jī)在恒功率區(qū)即可提升最大載荷4 500 kN，有效利用了電機(jī)效率，延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。

圖2　雙電機(jī)絞車提升曲線

2雙速自動(dòng)換擋減速箱

該減速箱的換擋方式不同于傳動(dòng)的撥叉換擋，應(yīng)用了一種新式的大扭矩液壓濕式離合器，該離合器在一些行業(yè)應(yīng)用已經(jīng)比較成熟[10-12]。本文設(shè)計(jì)的減速箱采用該離合器，配合相應(yīng)的液壓冷卻系統(tǒng)，可有效快捷地完成換擋操作。

2.1液壓濕式離合器

液壓濕式離合器結(jié)構(gòu)如圖3所示。工作時(shí)壓力油通過旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入離合器缸體內(nèi)，活塞把摩擦盤壓靠在擋板上，這樣離合器產(chǎn)生摩擦嚙合。一旦減壓，復(fù)位彈簧使活塞復(fù)位，離合器松脫。

濕式離合器和制動(dòng)器的顯著優(yōu)點(diǎn)是無磨損。嚙合時(shí)有油的冷卻作用，散熱性能好，在嚙合和脫開頻率較高的情況下尤其明顯。摩擦功比干式離合器和制動(dòng)器要大。此外，濕式離合器和制動(dòng)器可以用到允許連續(xù)打滑的場(chǎng)合，即使產(chǎn)生大量的熱量也可以得到有效地控制。其中最重要的是可以在同步開始和結(jié)束時(shí)達(dá)到所需傳遞的轉(zhuǎn)矩。這樣可以在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和軸系上獲得頻繁的嚙合，噪聲小。

1—復(fù)位彈簧；2—旋轉(zhuǎn)接頭；3—活塞；

2.2雙速自動(dòng)換擋減速箱

絞車的自動(dòng)換擋功能是通過新型減速箱來實(shí)現(xiàn)的，如圖4所示。啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)通過鼓形齒聯(lián)軸器帶動(dòng)輸入齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，然后通過齒輪Ⅰ將動(dòng)力傳動(dòng)到中間軸Ⅰ。如需減速箱高速擋工作，掛合中間軸Ⅰ上的高速擋離合器，此時(shí)，中間軸Ⅰ通過空套齒輪Ⅰ和齒輪Ⅱ嚙合，將動(dòng)力傳到中間軸Ⅱ，再通過中間軸Ⅱ上的齒輪Ⅳ和齒輪Ⅴ嚙合驅(qū)動(dòng)滾筒軸工作；如需減速箱低速擋工作，脫開高速擋離合器，掛合中間軸Ⅱ上的低速擋液壓濕式離合器，此時(shí)通過齒輪Ⅲ和空套齒輪Ⅱ嚙合將動(dòng)力傳到中間軸Ⅱ，再通過中間軸Ⅱ上的齒輪Ⅳ和齒輪Ⅴ嚙合驅(qū)動(dòng)滾筒軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)減速箱的低速擋工作。所有操作通過控制液壓濕式離合器來實(shí)現(xiàn)。

1—箱體；2—齒輪Ⅴ；3—輸出軸；4—高強(qiáng)度螺栓；5—齒輪Ⅳ；6—中間軸Ⅱ；7—圓柱滾子軸承；8—空套齒輪Ⅱ；

3電液控制

絞車的剎車系統(tǒng)是由能耗制動(dòng)和伊頓常閉式剎車組合而成。理想駐車過程是先由交流電機(jī)的能耗制動(dòng)將滾筒速度降至基本為零，然后斷氣剎車，可保證伊頓常閉式剎車在基本無磨損的工況下工作，只有在緊急事故時(shí)才在滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)斷氣剎車。減速箱是通過離合器將動(dòng)力由電機(jī)傳遞到滾筒軸，這就要求離合器必須有效工作，且故障率要盡可能低或無故障，才能保證能耗制動(dòng)及正常工況的需求。從離合器的情況來看，除保證滿足要求的安裝精度外，良好的壓力和冷卻系統(tǒng)非常重要。同時(shí)為防止左右減速箱的誤操作，還需設(shè)置互鎖裝置。

3.1液壓系統(tǒng)

液壓原理如圖5所示，減速箱控制系統(tǒng)需滿足以下2種工況：

1)單減速箱工作，該單減速箱可在高速擋或低速擋工作。

a—壓力傳感器；b—快換接頭；c—蓄能器；d—油壓表；

2)雙減速箱同時(shí)工作，或同時(shí)在高速擋工作，或同時(shí)在低速擋工作，擋位不同禁止運(yùn)行。三位四通電磁閥在中位位置時(shí)，所有離合器均不工作。

減速箱換擋過程如下：

1)只有單減速箱工作時(shí)，可通過控制不同的電磁閥來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)只需要左減速箱工作時(shí)，電磁閥301工作，302處于中位。電動(dòng)或手動(dòng)使電磁閥301在左位，左減速箱高速離合器工作，左箱低速離合器工作油回油箱；電動(dòng)或手動(dòng)使電磁閥301在右位時(shí)，左減速箱低速離合器工作，高速離合器回油。同樣，當(dāng)需右減速箱工作時(shí)，電磁閥301置中位，操作電磁閥302實(shí)現(xiàn)換擋操作。單箱的高低速互鎖是通過二位四通電磁換向閥本身實(shí)現(xiàn)的，不會(huì)出現(xiàn)同一減速箱高低速離合器同時(shí)掛合情況。

2)左右減速箱同時(shí)工作，通過同時(shí)控制301和302電磁換向閥來實(shí)現(xiàn)。圖中位置為空擋。如需兩個(gè)減速箱均在高速擋工作，通過手動(dòng)或電動(dòng)操作使301和302工作在左位，左減速箱高速離合器和右減速箱高速離合器掛合，同時(shí)左右減速箱的工作油通過或門型梭閥201控制液動(dòng)二位二通閥(常閉)101和103導(dǎo)通，左、右減速箱的低速離合器工作油回油箱，實(shí)現(xiàn)擋位互鎖；如需兩個(gè)減速箱均在低速擋工作，301和302工作在右位，左、右減速箱的低速離合器掛合，同時(shí)或門型梭閥202控制102和104導(dǎo)通，左、右減速箱的高速離合器工作油回油箱，實(shí)現(xiàn)擋位互鎖。

3)兩位四通電磁閥帶有手動(dòng)功能，當(dāng)液壓系統(tǒng)或電磁閥本身出現(xiàn)問題時(shí)，可臨時(shí)改為手動(dòng)操作。

4)該系統(tǒng)在每個(gè)離合器進(jìn)油口處設(shè)置了壓力監(jiān)控，確保離合器工作在要求的壓力下。

5)考慮到重載時(shí)離合器發(fā)熱量較大，自然冷卻不能滿足要求，配置回油冷卻器。

6)為減少離合器的嚙合時(shí)間，增加嚙合平穩(wěn)性，系統(tǒng)中增加了蓄能器。

7)為確保系統(tǒng)的可靠性，對(duì)容易損壞的部件如油泵、濾清器和蓄能器進(jìn)行了備份，正常工作情況下只使用一套，當(dāng)其中一套出現(xiàn)故障時(shí)，直接使用另一套。

3.2冷卻和潤(rùn)滑系統(tǒng)

對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械零部件進(jìn)行充分的潤(rùn)滑是非常重要的，它直接影響機(jī)械零件的使用壽命及傳動(dòng)效率。絞車潤(rùn)滑系統(tǒng)分為3個(gè)部分，如圖6所示。

1)絞車主滾筒處的軸承為潤(rùn)滑油脂潤(rùn)滑，需定期加入潤(rùn)滑脂。

a—流量計(jì)；b—節(jié)流閥；c—球閥；d—油壓表；

2)絞車的減速箱采用電動(dòng)齒輪油泵裝置進(jìn)行噴油潤(rùn)滑，正常鉆井時(shí)使用1套電動(dòng)齒輪油泵進(jìn)行潤(rùn)滑即可，另1套作為備份。2套油泵在油箱中均有各自的吸入濾清器，油泵經(jīng)吸入過濾器吸油后再經(jīng)過排出過濾器過濾，過濾后的油送到左右齒輪箱中，通過箱內(nèi)的潤(rùn)滑管路潤(rùn)滑冷卻齒輪和軸承。在左、右箱進(jìn)口油路上裝有流量計(jì)，通過調(diào)整節(jié)流閥調(diào)節(jié)油量。

3)離合器的潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)采用2套并聯(lián)油泵裝置潤(rùn)滑，正常工況只使用1套，在每個(gè)離合器的的進(jìn)油管路處均配置節(jié)流閥和流量計(jì)，用于調(diào)整潤(rùn)滑油流量。

3.3自動(dòng)換擋電控系統(tǒng)

采用液壓濕式離合器后的減速箱，配合液壓系統(tǒng)，選擇合適的換擋時(shí)機(jī)后，通過手動(dòng)或電動(dòng)控制二位四通電磁換向閥，可方便地完成換擋操作，無需調(diào)整換擋花鍵的對(duì)中，極大地提高了效率。本絞車傳動(dòng)方案除了避免內(nèi)外齒圈嚙合換擋的不足外，可根據(jù)大鉤懸重、電機(jī)轉(zhuǎn)向等傳感器信號(hào)，判斷鉆機(jī)工作工況，自動(dòng)判斷并掛合相應(yīng)的高速或低速離合器，完成換擋操作。自動(dòng)換擋系統(tǒng)主要由液壓濕式離合器的絞車機(jī)械部分、離合器的液壓系統(tǒng)、離合器的冷卻系統(tǒng)、傳感器及PLC控制系統(tǒng)組成。

絞車換擋過程是首先判斷鉆機(jī)是處于正常鉆井過程還是完鉆起鉆過程(含鉆頭更換)，如是完鉆起鉆(含鉆頭更換)過程，上提時(shí)，判斷載荷是否大于G1(G1約為最大鉆柱重的90%)，若大于G1，保留低速擋；如果小于G1，換高速擋；下放時(shí)保持原擋位不變，同時(shí)監(jiān)測(cè)大鉤高度，當(dāng)提升系統(tǒng)最下端離臺(tái)面距離低于H1(H1和H2需根據(jù)整個(gè)游動(dòng)系統(tǒng)阻力及泥漿浮力情況設(shè)定)值時(shí)，換低速擋。正常鉆井過程時(shí)，如果是上提鉆具過程，首先判斷載荷是否大于G1，如大于G1，保持低速擋；如果載荷小于G1，換高速擋；如是下放鉆具過程，保留原擋位不變，當(dāng)提升系統(tǒng)最下端離臺(tái)面距離低于H2數(shù)值時(shí)，換低速擋。同時(shí)該系統(tǒng)需和鉆機(jī)上碰、下砸系統(tǒng)互鎖，避免發(fā)生事故。

在液壓和冷卻系統(tǒng)中均設(shè)置傳感器，一旦出現(xiàn)出現(xiàn)故障，直接停機(jī)。液壓系統(tǒng)中設(shè)有保壓結(jié)構(gòu)，可在壓力突然失去時(shí)保持離合器的工作狀態(tài)，且蓄能器中有一定油量的儲(chǔ)備，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)鉆具的坐卡。電磁閥帶有手動(dòng)功能，可通過手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)絞車的換擋操作。

4結(jié)論

1)該絞車可根據(jù)實(shí)際工況自動(dòng)選取合適的擋位，減少停機(jī)時(shí)間，無需手動(dòng)換擋，減輕司鉆工作強(qiáng)度，減少電機(jī)功率損耗，節(jié)省鉆井成本。

2)剎車釆用電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)與氣控盤式剎車的組合形式，只有一個(gè)手柄和一個(gè)旋鈕即可實(shí)現(xiàn)操作，操作簡(jiǎn)單。

3)該種形式的絞車容易實(shí)現(xiàn)絞車的系列化。因其液壓系統(tǒng)基本相同，只需根據(jù)不同級(jí)別鉆機(jī)的技術(shù)參數(shù)選擇不同的輸入電機(jī)和減速箱的傳動(dòng)比和輸入轉(zhuǎn)矩，即可完成不同級(jí)別絞車設(shè)計(jì)。

4)絞車起下鉆過程實(shí)現(xiàn)機(jī)械化是實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)機(jī)械化、自動(dòng)化甚至是智能化其中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[10]，該絞車可為未來鉆機(jī)的智能化提供一種選擇。

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Design and Analysis of a VFD Auto-gearing Drawworks

XU Changsheng，HUANG Zhaorong

(ZhongmanPetroleumEquipment(Shanghai)Co.，Ltd.，Shanghai201306，China)

Abstract：VFD Dual-speed Drawworks is commonly used in drilling，the ideal performance curve can be obtained by changing the shifting，but it must be stopped before shifting，it is difficult to finish the gear changing.In view of this situation，a new type of hydraulic wet clutch in our drawworks is used，and its mechanical structure，hydraulic system and electronic control systems are designed to finish the process of Auto-gearing automatically.

Keywords：VFD；drawworks；auto-gearing；hydraulic wet clutch

中圖分類號(hào)：TE923

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.009

作者簡(jiǎn)介：許長(zhǎng)生(1980-)，男，河南信陽人，工程師，碩士，主要從事石油鉆井機(jī)械研究，E-mail：xcs209@163.com。

收稿日期：①2015-09-06

文章編號(hào)：1001-3482(2016)03-0042-05