直流伺服電動機(jī)用于石油測井儀推靠裝置的分析

趙發(fā)明,鹿蔚旭，閻治安

(1西京學(xué)院，陜西西安 710123；2中國電建青海火電工程公司，青海西寧 810000)

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直流伺服電動機(jī)用于石油測井儀推靠裝置的分析

趙發(fā)明,鹿蔚旭，閻治安

(1西京學(xué)院，陜西西安 710123；2中國電建青海火電工程公司，青海西寧 810000)

針對石油測井中現(xiàn)有液壓、氣囊式推靠裝置所存在的問題，對直流伺服電動機(jī)用于石油測井儀推靠裝置進(jìn)行了分析，提出了石油測井儀推靠裝置設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)出了直流伺服電動機(jī)、傳動系統(tǒng)以及推靠裝置的控制器。實(shí)踐證明，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。

直流伺服電動機(jī)；推靠裝置；傳動系統(tǒng)；控制器

0 引言

石油是國民經(jīng)濟(jì)的命脈，隨著石油需求量的不斷增加，全球石油天然氣儲量的自然遞減，開采難度不斷增加[1]。因此，就需要更加精確有效的勘探手段來判斷礦井中有無油氣藏以及油氣藏的面積大小。近幾年出現(xiàn)的地震勘探技術(shù)在國內(nèi)外被廣泛采用，被認(rèn)為是一種很有發(fā)展前景的測井技術(shù)[2]。為了保證勘探過程中地震波信號的采集質(zhì)量，人們設(shè)計(jì)了帶推靠裝置的測井儀。推靠裝置作為石油測井儀器中的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，一方面通過施加足夠的推靠力，使測井儀器緊貼井壁以確保安全工作；另一方面將震波發(fā)生器產(chǎn)生的地震波經(jīng)推靠裝置中的推靠機(jī)械塊傳遞出去，有效地消除了由于儀器振動對信號采集質(zhì)量的影響[3、4]。

1 現(xiàn)有推靠裝置存在的問題

目前國內(nèi)外生產(chǎn)的推靠裝置主要有氣囊型、液壓型和機(jī)械型三大類，但這些推靠裝置或多或少地存在制造成本高、加工難度大、使用不方便等問題[5]。

1.1 氣囊型推靠裝置

氣囊型推靠裝置通過逐節(jié)對氣囊充氣來實(shí)現(xiàn)推靠動作，這種推靠裝置雖然結(jié)構(gòu)簡單，柔韌性好，但是需要龐大的地面氣壓站支持，而且氣囊剛度小，推靠力不穩(wěn)定，將對檢波器的頻響以及測試精度影響較大。

1.2 液壓型推靠裝置

液壓型推靠裝置根據(jù)液壓平衡原理和體積補(bǔ)償原理，使得推靠動作平穩(wěn)，推靠力大，動力系統(tǒng)的密封性好，從根本上解決了氣囊式推靠裝置剛度不夠的問題。但是，液壓型推靠裝置需要龐大復(fù)雜的地面液壓控制系統(tǒng)，這不僅需要在地面設(shè)置液壓站，進(jìn)行一系列的管路布置，而且拆裝極為不方便，過程繁瑣成本高。

機(jī)械型推靠裝置目前在國內(nèi)外使用比較普遍，其典型產(chǎn)品是斯倫貝謝公司(Schlumberger)生產(chǎn)的32臂井徑成像測井儀中的推靠裝置[6]。目前市場上存在的機(jī)械型推靠裝置存在的主要問題是機(jī)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低，機(jī)構(gòu)運(yùn)動到位時推靠力不足，這些缺陷嚴(yán)重影響了測井信號的采集質(zhì)量，有時甚至造成生產(chǎn)事故。

國內(nèi)在測井儀推靠裝置方面的研究比較少，被廣泛采用的產(chǎn)品不多。所以設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、密封性好、成本低廉的推靠裝置來克服上述缺點(diǎn)是石油、礦物勘探中急需解決的現(xiàn)實(shí)問題。

2 石油測井儀推靠裝置設(shè)計(jì)

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一種石油測井儀推靠裝置，能夠有效保證該裝置在惡劣狀況下能順利作業(yè)。推靠裝置由直流伺服電動機(jī)、扭矩限制器、超越離合器、滾珠絲杠、位移傳感器、連接桿和碟簧組成。其工作原理是通過直流伺服電動機(jī)帶動機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)(滾珠絲杠、推力桿等等)，使得推靠機(jī)械塊慢慢張開并與井壁緊密耦合，完成推靠動作，方能完成后續(xù)的地震測井。

2.1 直流伺服電動機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

直流伺服電動機(jī)實(shí)際上是永磁直流電動機(jī)和齒輪減速器的組合體。設(shè)計(jì)上使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩經(jīng)過齒輪減速機(jī)構(gòu)以低轉(zhuǎn)速、大力矩輸出。對所設(shè)計(jì)的直流伺服電動機(jī)要求比較特殊，其參數(shù)如表1所示。減速器的參數(shù)還有減速比和轉(zhuǎn)矩放大倍數(shù)，其中減速比為1166 ∶1，轉(zhuǎn)矩放大倍數(shù)為896。

表1 直流伺服電動機(jī)參數(shù)

2.1.1 直流伺服電動機(jī)材料選擇

由于直流伺服電動機(jī)在大于200℃的環(huán)境溫度下工作，選用的材料必須有足夠的耐熱性、熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和介電強(qiáng)度[7]。金屬材料應(yīng)選機(jī)械強(qiáng)度高、耐磨性好、容易加工的。少數(shù)零部件需選用特殊的金屬材料。電機(jī)絕緣采用國內(nèi)比較高級的、主要是聚酸亞胺系絕緣材料，屬于C級絕緣，只有極少數(shù)部件采用H級絕緣。線圈、槽絕緣及換向器的片間絕緣均選用耐高溫、耐腐蝕聚酞亞胺絕緣材料， 其長期使用溫度規(guī)定為260℃，短期工作溫度有時可達(dá)400℃。

2.1.2 減速器

所謂互聯(lián)網(wǎng)+家校共育，是指學(xué)校和家庭被互聯(lián)網(wǎng)連接為一個整體，通過學(xué)校網(wǎng)站、QQ群、微信群等網(wǎng)絡(luò)平臺，共同探討教育方法，從而使傳統(tǒng)的單點(diǎn)家校溝通變成多點(diǎn)交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。實(shí)施互聯(lián)網(wǎng)+家校共育，需要打造互聯(lián)網(wǎng)+家校共育機(jī)制，打造家校溝通平臺，打造家長委員會線上溝通群。要充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)方便快捷的優(yōu)勢，做到家校隨時隨地溝通交流。

采用周轉(zhuǎn)輪系四級行星齒輪減速方式。其特點(diǎn)是減速比大、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、傳遞力矩大，可以方便地實(shí)現(xiàn)力矩的輸入與輸出同軸線傳動。每一級減速器有四個行星齒輪，齒輪受力均勻，負(fù)載能均勻分布在四個行星輪上，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。這種減速器的加工精度要求較高，運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性、傳動效率、齒輪壽命都與加工精度直接相關(guān)。

2.2 傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

推靠裝置傳動系統(tǒng)如圖1所示，它是由直流伺服電動機(jī)、扭矩限制器、超越離合器、滾珠絲杠、位移傳感器、連接桿和碟簧組成，其作用是將直流伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為沿絲杠的直線運(yùn)動，在推桿和推靠板的作用下帶動推靠臂張開或收攏，從而完成測井儀器的推靠和回收動作。

圖1 推靠裝置傳動系統(tǒng)

2.2.1 扭矩限制器

推靠裝置傳動系統(tǒng)所用扭矩限制器結(jié)構(gòu)簡單、限位方便(要求可調(diào))、占用空間小，其主要特點(diǎn)如下。

(1)當(dāng)沖擊、 過載時，通過打滑來限制傳動系統(tǒng)中的扭矩。當(dāng)過載消除后，設(shè)計(jì)上能滿足自動復(fù)位，可反復(fù)使用。

(2)對負(fù)載變化反應(yīng)靈敏，精確度高，脫開動作準(zhǔn)確，復(fù)位及時。

(3)在一定范圍內(nèi)扭矩任意調(diào)節(jié)，使用范圍廣。

2.2.2 超越離合器

超越離合器采用雙向楔塊式結(jié)構(gòu)，一端軸孔接主動軸；另一端軸孔接從動軸。當(dāng)外環(huán)不動而主動軸順時針或逆時針轉(zhuǎn)動時，從動軸也同步轉(zhuǎn)動；當(dāng)從動軸受外力矩的作用時，順時針或逆時針都不能轉(zhuǎn)動。與滾珠絲杠配套使用，雙向自鎖。 這樣既為儀器推靠力度提供保證，也可在過載時保護(hù)直流伺服電動機(jī)不受損害。

2.3 推靠裝置控制器設(shè)計(jì)

推靠裝置的控制器設(shè)計(jì)采用井上交流供電，井下實(shí)現(xiàn)推靠控制的方案。推靠裝置控制電路原理框圖如圖2所示。

圖2 推靠裝置控制電路原理框圖

測井時，地面電纜 1#、2# 提供交流220 V電壓，經(jīng)變壓器降壓至120V后傳給繼電器 K1，繼電器 K1接到 DSP 采集控制命令后吸合，120V 交流電壓通過繼電器 K1，經(jīng)過整流和濾波電路，轉(zhuǎn)換成 115V 直流電壓，繼電器 K2接到 DSP 控制命令后開關(guān)動作改變電壓的極性，控制直流伺服電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)直流伺服電動機(jī)推靠執(zhí)行機(jī)構(gòu)-推靠臂的推開和收攏。

推靠控制板為整個控制器的核心，主要采用TMS320F2808DSP模塊發(fā)出推開和收攏的控制命令，通過驅(qū)動器 NCV1413BDG對推靠器控制電路的繼電器進(jìn)行控制，使繼電器開關(guān)動作，完成推靠臂推靠功能，推靠裝置控制原理圖如圖3所示。

圖3 推靠裝置控制原理圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過現(xiàn)場測井實(shí)驗(yàn)，該推靠裝置設(shè)計(jì)方案滿足了測井要求，且實(shí)現(xiàn)了自動控制。推靠裝置實(shí)測數(shù)據(jù)表如表2所示。

表2 推靠裝置實(shí)測數(shù)據(jù)表

電源電壓115V施加到電樞繞組，測得空載轉(zhuǎn)速8010r/min；推靠過程中，推靠動作時電動機(jī)的電流表讀數(shù)為77.5mA，在該裝置靠緊過程中電流表讀數(shù)逐漸增加，到大于180mA時，直流伺服電動機(jī)將自動斷電，完成推靠動作，則測井裝置在井中進(jìn)行可靠地測井。當(dāng)測井結(jié)束推靠裝置開始收臂，收臂動作時測得電動機(jī)電流表讀數(shù)為65mA。設(shè)置繼電器斷電延時時間為115ms。當(dāng)推靠裝置控制電路通電時間大于115ms時，推靠裝置控制電路斷電，推靠裝置停止工作。由于直流伺服電動機(jī)自動控制電路的斷電電流與時間控制構(gòu)成了雙重保護(hù)，經(jīng)試驗(yàn)證明可以提高推靠裝置工作的可靠性。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的石油測井儀推靠裝置已經(jīng)在西安某測井公司進(jìn)行多次實(shí)際測井，應(yīng)用情況良好，這表明該裝置具有成本低廉，運(yùn)行可靠，推靠力大等特點(diǎn)，相比同類氣囊型、機(jī)械型以及現(xiàn)有機(jī)械型推靠裝置大大降低了成本，提高了安全系數(shù)，為井下地震數(shù)據(jù)采集和物質(zhì)勘探提供了一種更加高效、安全的方法。

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[7] 陳隆昌，閻治安，劉新正. 控制電機(jī)[M]. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2013.

Analysis on DC Servo Motor Used in Pushing Device of Petroleum Logging Instrument

ZhaoFaming,LuWeixu,andYanZhian

(1.Xijing University, Xi′an 710123, China；2.PowerChina Qinghai Thermal Power Construction Company, Xining 810000, China)

In view of the problems existing in hydraulic gasbag pushing device for petroleum well logging, this paper analyzes DC servo motor used in the pushing device of petroleum well logging instrument and proposes a design scheme of the device including DC servo motor, driving system and controller of the pushing device. The practice has proved that the device has the characteristics of simple structure and reliable operationo.

DC servo motor；pushing device；driving system；controller

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.06.02

TM383.4+1

A

1008-7281(2016)06-0004-003

趙發(fā)明 男 1988年生；西京學(xué)院研究生，研究方向?yàn)樗欧姍C(jī)CAD及其控制.

2016-07-26