修井機(jī)油電雙驅(qū)動力傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

王仁鵬，楊兵，雷凱龍，李鵬，王寶全

（陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

修井機(jī)油電雙驅(qū)動力傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

王仁鵬，楊兵，雷凱龍，李鵬，王寶全

（陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

針對現(xiàn)有油電雙驅(qū)修井機(jī)動力傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動效率低和動力切換不可靠的問題，開發(fā)一種新型油電雙驅(qū)傳動系統(tǒng)。該系統(tǒng)分電驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動兩種動力傳動路線；電驅(qū)動直接從井場電源取電，利用超級電容儲能裝置進(jìn)行充放電，通軸電機(jī)帶動各傳動部件完成動力傳遞；機(jī)械驅(qū)動從發(fā)動機(jī)取力，經(jīng)過各傳動部件完成動力傳遞。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，不僅提高了修井作業(yè)時動力傳動效率，而且節(jié)約了修井成本。通過試驗(yàn)，該系統(tǒng)適用良好。

修井機(jī)；油電雙驅(qū)；動力傳動系統(tǒng)

CLC NO.:U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-60-03

前言

為響應(yīng)國家節(jié)能減排政策，降低油田修井作業(yè)成本，油電雙驅(qū)修井機(jī)得到大力推廣和應(yīng)用。其中修井機(jī)動力傳動系統(tǒng)直接影響整車的使用壽命，因此該系統(tǒng)傳動路線的設(shè)計尤為重要，簡單可靠的傳動路線不僅可以提高動力傳動效率，提升整車性能，而且還會降低整車作業(yè)成本。

1、現(xiàn)有油電雙驅(qū)動力傳動系統(tǒng)

現(xiàn)有油電雙驅(qū)修井機(jī)的動力傳動系統(tǒng)由各部件并聯(lián)組成，如圖1所示。該系統(tǒng)分為電驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動兩條傳動路線，電驅(qū)動傳動路線為：電容儲能裝置→調(diào)頻電機(jī)→分動箱Ⅰ→聯(lián)軸器→變速箱→傳動軸→角傳動箱→絞車；機(jī)械驅(qū)動傳動路線為：取力器→分動箱Ⅱ→液力變矩器→分動箱Ⅰ→聯(lián)軸器→變速箱→傳動軸→角傳動箱→絞車。此傳動路線具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用空間大、維修性差等缺陷，因此大大降低了整個系統(tǒng)的傳動效率。

圖1 現(xiàn)有油電雙驅(qū)動力傳動系統(tǒng)示意圖

2、新型油電雙驅(qū)動力傳動系統(tǒng)

2.1 動力傳動系統(tǒng)簡介

為解決現(xiàn)有油電雙驅(qū)修井機(jī)動力傳動系統(tǒng)的不足，設(shè)計了一款新型油電雙驅(qū)傳動系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用串聯(lián)形式，主要元件包含：新型分動箱、可移位聯(lián)軸器、通軸電機(jī)、聯(lián)軸器、新型三檔角傳動箱、絞車。其中新型分動箱輸出軸、可移位聯(lián)軸器、通軸電機(jī)、聯(lián)軸器、新型三檔角傳動箱同軸設(shè)計，提高了傳動效率，縮短了傳動路線，減少了傳動元件，達(dá)到節(jié)約成本、降低能耗的目的。

2.2 動力傳動系統(tǒng)方案設(shè)計

2.2.1 傳動路線的確定

修井作業(yè)時，根據(jù)井場實(shí)際情況，優(yōu)先選擇電驅(qū)作業(yè)。

油電雙驅(qū)傳動路線如下：

2.2.2 設(shè)計方案的確定

修井作業(yè)時，首先操作分動箱的手柄切斷底盤動力，然后根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場基本情況，選擇最優(yōu)、最經(jīng)濟(jì)的傳動路線方案進(jìn)行作業(yè)。

電驅(qū)動作業(yè)時，首先通過可移位聯(lián)軸器的操作手柄斷開發(fā)動機(jī)動力源，通軸電機(jī)驅(qū)動聯(lián)軸器、新型三檔角傳動箱、絞車依次進(jìn)行動力的傳遞。

機(jī)械驅(qū)動作業(yè)時，首先切斷通軸電機(jī)勵磁裝置，發(fā)動機(jī)動力經(jīng)傳動軸輸出到新型分動箱、可移位聯(lián)軸器、芯軸（通軸電機(jī)）、聯(lián)軸器、新型三檔角傳動箱、絞車依次進(jìn)行動力的傳遞。

圖2 新型油電雙驅(qū)動力傳動系統(tǒng)示意圖

新型油電雙驅(qū)動力傳動系統(tǒng)相對現(xiàn)有的動力傳動系統(tǒng)，在動力切換傳遞過程中，通軸電機(jī)的芯軸一軸兩用，不但縮短了傳動路線，而且提高了其傳動效率，從而降低了成本。動力傳動系統(tǒng)示意圖如2所示。

2.2.3 傳動效率的確定

根據(jù)結(jié)構(gòu)已知：傳動軸的效率：η傳=0.98；分動箱Ⅰ的效率：ηⅠ分=0.96；聯(lián)軸器的效率：η聯(lián)=0.99；角傳動箱的效率：η角=0.98；變速箱的效率：η變=0.98；惰輪的效率：η惰=0.98；離合器的效率：η離=0.99；滾筒的效率：η滾=0.97；分動箱Ⅱ的效率：ηⅡ分=0.98；液力變矩器：η液=0.85；芯軸（通軸電機(jī)）η通軸=0.98；新型三檔角傳動箱的效率：η新角=0.97；鏈條的效率：η鏈=0.96；新型分動箱的效率：η新分=0.96；可移位聯(lián)軸器的效率：η可=0.99[1]。

1）現(xiàn)有動力傳動系統(tǒng)的傳動效率確定：

2）新型動力傳動系統(tǒng)的傳動效率確定：

3）傳動系統(tǒng)的傳動效率對比分析確定：

2.3 動力傳動系統(tǒng)主要部件三維模型設(shè)計及參數(shù)

根據(jù)確定的設(shè)計方案及傳動效率的要求，首先計算該動力傳動系統(tǒng)主要部件的參數(shù)，再利用CATIA軟件建立傳動系統(tǒng)主要部件三維模型，分析計算傳動系統(tǒng)尺寸和干涉情況。在建立三維模型時，先確定系統(tǒng)傳動力路線主軸的同軸度，再建立各個部件的連接固定平臺，最后搭建連接傳動系統(tǒng)中的主要部件及相關(guān)附件。

圖3 新型油電雙驅(qū)動力傳動系統(tǒng)三維模型

2.3.1 新型分動箱三維設(shè)計

圖4 新型分動箱三維模型

表1 新型分動箱參數(shù)表

在修井機(jī)作業(yè)過程中，新型分動箱動力傳遞具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：①具有一個輸入口和四個輸出口（X液壓泵、Y液壓泵、上裝、底盤），采用強(qiáng)制加飛濺潤滑方式，滿足長時間的連續(xù)作業(yè)需求；②傳動軸的傳動角度接近直線狀態(tài)，提升了傳動系統(tǒng)的可靠性和壽命，同時也提高了傳動效率；③焊接鑲套式箱體的合理設(shè)計使得箱體加工成本低，工藝性簡便；④動力切換裝置設(shè)有鎖緊機(jī)構(gòu)，降低故障及誤操作。

新型分動箱三維數(shù)模及主要參數(shù)如上。

2.3.2 可移位聯(lián)軸器三維設(shè)計

可移位聯(lián)軸器是一種軸向彈性聯(lián)軸器，有效地降低傳動軸運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動和沖擊?？梢莆宦?lián)軸器兩軸端由齒型鍵連接，在圓周方向相互錯開半個齒距，裝入梅花形彈性體，有效避免應(yīng)力集中，糾正軸向、徑向和角向的安裝偏差。

可移位聯(lián)軸器三維模型及主要參數(shù)表如下：

圖5 可移位聯(lián)軸器三維模型

表2 可移位聯(lián)軸器參數(shù)表

2.3.3 通軸電機(jī)三維設(shè)計

通軸電機(jī)選用三相異步交流變頻型電機(jī)，用以電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為該新型油電雙驅(qū)動力傳動系統(tǒng)動力源。通軸電機(jī)傳動軸根據(jù)設(shè)計計算結(jié)果進(jìn)行特殊工藝處理，滿足新型油電雙驅(qū)動力傳動系統(tǒng)的性能參數(shù)要求。

通軸電機(jī)三維模型及主要參數(shù)表如下：

圖6 通軸電機(jī)三維模型

表3 通軸電機(jī)參數(shù)表

2.3.4 新型角傳動箱三維設(shè)計

在修井機(jī)作業(yè)過程中，新型三檔角傳動箱可根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行液壓遠(yuǎn)程控制，無需切斷動力就能實(shí)現(xiàn)修井作業(yè)中不停車換擋。新型三檔角傳動箱可控制三套液壓濕式離合器的斷開與嚙合，調(diào)整速比和輸出扭矩，滿足大鉤提升力和提升速度的三種組合需求，減少操作程序，提高修井機(jī)的作業(yè)效率。

新型三檔角傳動箱三維模型及主要參數(shù)[2]如下：

圖7 新型三檔角傳動箱三維模型

表4 新型三檔角傳動箱參數(shù)表

2.3.5 絞車三維設(shè)計

絞車是修井機(jī)上重要的起吊裝置，修井作業(yè)時，絞車?yán)p繞鋼絲繩通過井架、游動系統(tǒng)、提升大鉤實(shí)現(xiàn)油管和抽油桿的起升、下放操作，絞車主要部件包含：氣胎離合器、鏈輪、滾筒、剎車裝置、過圈防碰裝置、絞車軸、絞車護(hù)罩等。其中滾筒體直徑取決于纏繞鋼絲繩曲率半徑，滾筒寬度取決于作業(yè)鋼絲繩長度。同時滾筒體采用里巴斯繩槽設(shè)計，便于絞車的自動排繩同時提高了鋼絲繩使用壽命。

絞車三維模型及主要參數(shù)如下：

圖8 絞車三維模型

表5 絞車參數(shù)表

3、結(jié)論

新型油電雙驅(qū)動力傳動系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)有效簡化了現(xiàn)有修井機(jī)的動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低整車成本、提升作業(yè)性能，同時采用液壓換擋更方便可靠。該傳動系統(tǒng)主驅(qū)動為電驅(qū)動，不但降低了整車能耗，響應(yīng)國家節(jié)能減排政策，而且有效降低了油田修井作業(yè)成本。

[1] 成大先,機(jī)械設(shè)計手冊[M],北京:化學(xué)工業(yè)出版社2008年1月第五版.

[2] 薛亞剛,楊兵,王仁鵬,司浩,朱陽.石油修井機(jī)新型角傳動箱設(shè)計.汽車實(shí)用技術(shù),2016年第8期.

New Hybrid Drive Transmission System Design of a Petroleum Workover Rig

Wang Renpeng, Yang Bing, Lei Kailong, Li Peng, Wang Baoquan
( Shaanxi automobile group co., LTD, Shaanxi Xi'an 710200 )

In view of the problems, complex structure, low transmission efficiency and unreliable power switch, of the power transmission system of the traditional hybrid drive workover rig, a new type of hybrid drive system is developed. The system include two power transmission lines: electric drive and mechanical drive; electric drive draws power directly from the well site and charges or discharges using super reservoir capacitance, co-axial motor drives the transmission part completing power transfer; the mechanical drive draws force from the engine, completing power transfer through the transmission part. The system has the advantages of simple structure and high reliability, not only improves the power transmission efficiency during workover operation, but also saves cost. Through the experiment, the system applies well. Keywords: workover rig; hybrid drive; power transmission system

U463.2

A

1671-7988 (2017)08-60-03

王仁鵬，男，（1987-），助理工程師，就職于陜西汽車控股集團(tuán)有限公司?，F(xiàn)從事特種車整車設(shè)計開發(fā)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.020