液壓傳動(dòng)行星減速器在鉆井絞車中的應(yīng)用

孟獻(xiàn)

（南陽(yáng)二機(jī)石油裝備集團(tuán)股份有限公司，河南 南陽(yáng) 473006）

液壓傳動(dòng)行星減速器在鉆井絞車中的應(yīng)用

孟獻(xiàn)

（南陽(yáng)二機(jī)石油裝備集團(tuán)股份有限公司，河南 南陽(yáng) 473006）

根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)行星減速器在鉆井絞車應(yīng)用中存在傳動(dòng)噪聲大、平穩(wěn)性差、外形尺寸和重量大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)液壓傳動(dòng)鉆井絞車，并對(duì)該絞車所使用減速器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行確定。以JC14絞車為例，對(duì)液壓鉆井絞車所用減速器進(jìn)行分析，對(duì)馬達(dá)、泵參數(shù)的選定方法進(jìn)行說(shuō)明，對(duì)減速器的結(jié)構(gòu)形式和齒輪進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)實(shí)際使用，表明其克服了機(jī)械傳動(dòng)鉆井絞車使用中存在的問(wèn)題。

液壓行星減速器；鉆井絞車；傳動(dòng)

行星減速傳動(dòng)器在石油鉆修機(jī)上主要用作絞車［1］，分機(jī)械和液壓傳動(dòng)形式，具體應(yīng)用有液壓小絞車、測(cè)井絞車、鉆井絞車。液壓小絞車安裝在鉆臺(tái)上，用于將地面上的鉆桿或其他重物提升至鉆臺(tái)和井架二層臺(tái)，通過(guò)纏繞在絞車滾筒上的鋼絲繩提升物體。由于其自身結(jié)構(gòu)限制和實(shí)際需要，一般選擇液壓馬達(dá)和單速行星減速器傳遞動(dòng)力，其工作原理和減速器在絞車上的應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖分別見圖1和圖2。測(cè)井車上使用的絞車也是液壓傳動(dòng)，其安裝在車內(nèi)，但需要輸出較大扭矩和低速度，一般采用變量馬達(dá)和雙速行星減速器來(lái)傳遞動(dòng)力，目前雙速行星減速器已成為常規(guī)產(chǎn)品，其主要結(jié)構(gòu)見圖3。

鉆井絞車是鉆井設(shè)備的品種，由于輸出大扭矩和較高速度，目前一般使用機(jī)械傳動(dòng)絞車，其采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)定軸系齒輪減速箱來(lái)傳遞動(dòng)力，通過(guò)自身滾筒上的鋼絲繩來(lái)下放和提升鉆桿。但該種絞車存在整個(gè)外形尺寸大、重量大、傳動(dòng)噪聲大、平穩(wěn)性差等缺陷，在一些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用中受到限制。如隨著對(duì)海洋鉆井平臺(tái)用鉆機(jī)使用要求的提高，作為鉆井設(shè)備的重要傳動(dòng)部件，絞車的整體質(zhì)量需要進(jìn)一步提升，從傳動(dòng)平穩(wěn)性、降低噪聲、縮小絞車整體外形尺寸和重量等方面考慮，逐步引入馬達(dá)和行星減速器組成的液壓傳動(dòng)絞車結(jié)構(gòu)。但該種結(jié)構(gòu)中的減速器不是單純的動(dòng)軸系行星減速器，而是采用定軸系與動(dòng)軸行星系相組合的減速結(jié)構(gòu)。該種減速器的制造和安裝精度要求較高，本文配套設(shè)計(jì)的液壓傳動(dòng)鉆井絞車提升了絞車的整體質(zhì)量，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用考察使用效果良好，能滿足特殊工況的實(shí)際需要。

由于液壓小絞車和測(cè)井絞車所使用的減速器基本已標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，因此本文重點(diǎn)對(duì)液壓傳動(dòng)鉆井絞車所使用的液壓行星減速器進(jìn)行討論。

1 液壓傳動(dòng)行星減速器相關(guān)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)包括絞車滾筒軸最大扭矩和轉(zhuǎn)速計(jì)算，泵和馬達(dá)參數(shù)確定，泵和馬達(dá)參數(shù)驗(yàn)證，減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件設(shè)計(jì)等。

圖1 液壓小絞車工作

圖2 液壓小絞車結(jié)構(gòu)

圖3 雙速行星減速器結(jié)構(gòu)

1.1 減速器的結(jié)構(gòu)確定及泵和馬達(dá)選用

根據(jù)以往絞車傳動(dòng)用減速器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合結(jié)構(gòu)尺寸和安裝位置要求，將減速器的結(jié)構(gòu)確定為定軸輪系與動(dòng)軸輪系相組合的減速結(jié)構(gòu)，全液壓控制與驅(qū)動(dòng)。由絞車所需要的輸入扭矩及最高轉(zhuǎn)速、減速器的總減速比，確定液壓泵和馬達(dá)的選型和參數(shù)。

1.1.1 絞車滾筒軸最大扭矩和最高轉(zhuǎn)速計(jì)算

①絞車滾筒軸最大傳遞扭矩計(jì)算如下：

式（1）（2）中，F(xiàn)為最大快繩拉力，N；D平為絞車滾筒平均直徑，m；Do為滾筒直徑，m；e為絞車滾筒纏繩層數(shù)，一般取3；φ為增量系數(shù)，一般取0.9；d繩為大繩直徑，m。

②絞車滾筒軸最高轉(zhuǎn)速計(jì)算如下：

式（3）（4）中，v為快繩線速度，m/s；D平為絞車滾筒平均直徑，m；v大鉤為大鉤線速度，m/s；n為繩系數(shù)，n=2×游系數(shù)。

1.1.2 馬達(dá)參數(shù)確定。根據(jù)減速器總傳動(dòng)比、絞車滾筒軸所需的最大扭矩和最高轉(zhuǎn)速，并結(jié)合常用變量馬達(dá)參數(shù)，先初步確定馬達(dá)的型號(hào)和數(shù)量。根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般選擇斜軸變量馬達(dá)，該種馬達(dá)有2個(gè)排量點(diǎn)：①當(dāng)馬達(dá)在最大排量點(diǎn)時(shí)，能夠使減速器為絞車傳遞最大扭矩，此時(shí)絞車為大鉤提供的鉤速一般處于中速位置，如果要降低此時(shí)鉤速，調(diào)節(jié)泵排量即可；②當(dāng)馬達(dá)在下一個(gè)排量點(diǎn)時(shí)，減速器傳遞的動(dòng)力能夠?yàn)榇筱^提供額定鉤載，并可通過(guò)調(diào)節(jié)泵排量，來(lái)控制鉤速。

1.1.3 減速器最大輸出扭矩及轉(zhuǎn)速的校核計(jì)算。馬達(dá)確定后，減速器最大輸出扭矩及轉(zhuǎn)速的校核分為以下3種情況。

①當(dāng)馬達(dá)在最大排量點(diǎn)時(shí)，減速器最高輸出扭矩及轉(zhuǎn)速為：

式（5）中，n0為馬達(dá)在最大排量點(diǎn)時(shí)扭矩因數(shù)；P為馬達(dá)額定壓力，bar；n1為馬達(dá)數(shù)量；i為減速器總傳動(dòng)比；η為機(jī)械傳動(dòng)效率，一般取0.98。

式（6）中，q2為泵排量，mL/r；n2為泵數(shù)量；v2為泵持續(xù)輸入轉(zhuǎn)速，r/min；η2為泵容積效率，一般取0.95；η1為馬達(dá)容積效率，一般取0.95；q1為馬達(dá)排量，mL/r；n1為馬達(dá)數(shù)量；i為減速器總傳動(dòng)比。

此時(shí)，幾臺(tái)馬達(dá)同時(shí)工作，減速器輸出最大扭矩，應(yīng)大于絞車滾筒軸傳遞給大鉤的最大鉤載要求。減速器輸出的最高轉(zhuǎn)速一般使大鉤處于中速位置，并可通過(guò)調(diào)節(jié)泵的排量來(lái)降低此時(shí)大鉤鉤速。

②當(dāng)馬達(dá)排量為另一個(gè)排量點(diǎn)時(shí)，減速器最高輸出轉(zhuǎn)速及扭矩為：

式（7）中，q2為泵排量，mL/r；n2為泵數(shù)量；v2為泵持續(xù)輸入轉(zhuǎn)速，r/min；η2為泵容積效率，一般取0.95；η1為馬達(dá)容積效率，一般取0.95；q1＇為馬達(dá)另一個(gè)排量點(diǎn)，mL/r；n1為馬達(dá)數(shù)量；i為減速器總傳動(dòng)比。

式（8）中，n0＇為馬達(dá)在第2個(gè)排量點(diǎn)時(shí)扭矩因數(shù)；P為馬達(dá)額定壓力，bar；n1為馬達(dá)數(shù)量；i為減速器總傳動(dòng)比；η為機(jī)械傳動(dòng)效率，一般取0.98。

此時(shí)，幾臺(tái)馬達(dá)同時(shí)工作，減速器輸出最高轉(zhuǎn)速，應(yīng)大于絞車滾筒軸傳遞給大鉤的最高鉤速要求。同時(shí)，所傳遞的扭矩使大鉤達(dá)到額定鉤載，并可通過(guò)調(diào)節(jié)泵的排量來(lái)控制鉤速。

③當(dāng)絞車滾筒軸達(dá)到最高扭矩時(shí)，馬達(dá)實(shí)際壓力的確定：

式（9）中，Tmax為絞車最高傳遞扭矩；n0為馬達(dá)在最高排量口時(shí)扭矩因數(shù)；n1為馬達(dá)數(shù)量；i為減速箱總傳動(dòng)比；η為機(jī)械傳動(dòng)效率，一般取0.98。

1.1.4泵參數(shù)的確定。根據(jù)幾臺(tái)馬達(dá)同時(shí)工作所需排量，經(jīng)過(guò)計(jì)算選擇泵。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般選擇軸向柱塞泵。

1.2 減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓傳動(dòng)鉆井絞車所使用的減速器主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：多臺(tái)馬達(dá)同時(shí)傳遞動(dòng)力，馬達(dá)輸出的扭矩和轉(zhuǎn)速由一級(jí)定軸齒輪減速結(jié)構(gòu)，經(jīng)由3個(gè)行星輪組成的行星齒輪減速結(jié)構(gòu)，和最后一級(jí)定軸齒輪減速，通過(guò)最后一級(jí)齒輪與滾筒軸之間的鍵連接來(lái)傳遞給絞車。減速器輸出扭矩和轉(zhuǎn)速即為絞車滾筒軸輸入扭矩和轉(zhuǎn)速。具體結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 減速器結(jié)構(gòu)圖

2 液壓傳動(dòng)行星減速器設(shè)計(jì)結(jié)果

技術(shù)條件：JC14絞車，最大快繩拉力140kN，額定功率257kW，滾筒直徑353.4mm，大繩直徑22mm，最大鉤載675kN，額定鉤載400kN，大鉤速度0.2～1.2m/s，游動(dòng)系統(tǒng)4×3，游系數(shù)為3，減速器減速比7.02。

2.1 絞車滾筒軸最大扭矩和最高轉(zhuǎn)速計(jì)算

①絞車滾筒軸最大傳遞扭矩計(jì)算：

②絞車滾筒軸最高轉(zhuǎn)速計(jì)算：

2.2 馬達(dá)參數(shù)的確定

根據(jù)減速器總傳動(dòng)比7.02，絞車所需要的最大傳遞扭矩30 436N·m，最高轉(zhuǎn)速316r/min，結(jié)合常用變量馬達(dá)的參數(shù)，選擇斜軸變量馬達(dá)250，3臺(tái)。其額定轉(zhuǎn)速3 400r/min和2 200r/min，最高轉(zhuǎn)速4 250r/min和2 700r/min。額定壓力42MPa。變量馬達(dá)有2個(gè)排量點(diǎn)：一個(gè)為250mL/r，一個(gè)為150mL/r。

2.3 泵的參數(shù)確定

根據(jù)3個(gè)馬達(dá)所需要的排量，經(jīng)過(guò)計(jì)算，選擇90系列軸向柱塞泵250，2臺(tái)。排量250mL/r，持續(xù)輸入轉(zhuǎn)速2 300r/min，額定壓力42MPa。

2.4 馬達(dá)和泵確定后減速器最大輸出扭矩及轉(zhuǎn)速的校核計(jì)算

①當(dāng)馬達(dá)排量為250mL/r時(shí)，減速器最高輸出扭矩及轉(zhuǎn)速為：

此時(shí)，3臺(tái)馬達(dá)和2臺(tái)泵同時(shí)工作，減速器最大輸出扭矩34 500N·m，達(dá)到了絞車滾筒軸最高傳遞扭矩30 436N·m的要求。當(dāng)n=197rpm時(shí)，由nmax=v/（π×D平）= v大鉤×n/（π×D平）=v大鉤×2×游系數(shù)/（π×D平）=3.28r/s= 197rpm，得出大鉤鉤速v大鉤=0.75m/s，處于大鉤線速度（0.2～1.2m/s）的中等要求，如果要降低此時(shí)的鉤速，調(diào)節(jié)泵的排量即可。

②當(dāng)馬達(dá)排量為150mL/r時(shí)，減速器最高輸出轉(zhuǎn)速及扭矩為：

此時(shí)，3臺(tái)馬達(dá)同時(shí)工作時(shí)，減速器輸出最高轉(zhuǎn)速為328.5rpm，達(dá)到了絞車滾筒軸最高轉(zhuǎn)速316r/min的要求。當(dāng)M=20 700N·m時(shí)，由Tmax=F×D平/2=20 700N·m，得出快繩拉力F=95 216N，由F=大鉤鉤載/（繩系數(shù)×繩系效率），得出大鉤鉤載=95 216×6×0.81=463kN，達(dá)到了大鉤額定鉤載400kN的要求，通過(guò)調(diào)節(jié)泵的排量，來(lái)控制鉤速。

③當(dāng)絞車滾筒軸達(dá)到最高扭矩30 436N·m時(shí)，馬達(dá)實(shí)際壓力為：

2.5 減速器結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)以上對(duì)液壓絞車減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算，以及對(duì)齒輪計(jì)算知識(shí)和計(jì)算軟件的利用，將各級(jí)齒輪均設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)漸開線圓柱直齒輪，其參數(shù)確定為：①一級(jí)減速結(jié)構(gòu)，m=6，Z1=45，Z2=54，齒寬B=115mm；②行星減速結(jié)構(gòu)，m= 8，ZA=28，ZC=35，ZB=98，齒寬B=120mm；③三級(jí)減速結(jié)構(gòu)，m=10，Z3=40，Z4=52，齒寬B=120mm。

3 應(yīng)用效果

通過(guò)對(duì)液壓傳動(dòng)鉆井絞車用減速器的設(shè)計(jì)和使用，達(dá)到了提高鉆機(jī)傳動(dòng)平穩(wěn)性、降低噪聲、縮小絞車整體外形尺寸和重量等方面的要求，同時(shí)使傳動(dòng)系統(tǒng)精度更高。定軸系與動(dòng)軸系相組合的減速器設(shè)計(jì)制造技術(shù)最初應(yīng)用在南陽(yáng)二機(jī)石油裝備集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的JC12、JC14絞車上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用考察達(dá)到了預(yù)期效果。計(jì)劃進(jìn)一步將該技術(shù)拓展至JC18、JC21等相對(duì)小型的鉆井絞車上。由于使用液壓和高精度的齒輪傳動(dòng)，將使南陽(yáng)二機(jī)石油裝備集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的小型鉆井絞車在整體制造技術(shù)和質(zhì)量上均有較大提高。

［1］劉廣平，朱國(guó)牛.液壓絞車行星傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.液壓與氣動(dòng)，2010（12）：4-6.

Application of Hydraulic Transmission Planetary Reducer in Drilling Winch

Meng Xian
（RG PETRO-Machinery Group Co.Ltd.，Nanyang Henan 473006）

Due to the problems of large transmission noise,poor stability,large size and weight in the application of the mechanical transmission planetary reducer in drilling winch,hydraulic transmission drilling winch was designed, the design method of the reducer used in the winch was determined.Taking the JC14 winch as an example,this paper analyzed the reducer used in the hydraulic drilling winch,described the selection method of the motor and pump pa?rameters,and designed the structure and the gear of the reducer.The optimized design has been used in practice, which shows that it overcomes the problems in the use of the mechanical drive drilling winch.

hydraulic planetary reducer；drilling winch；transmission

TH132.41

：A

：1003-5168（2017）03-0061-03

2017-02-06

河南省重大科技專項(xiàng)“智能化斜直井鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”（141100210700）子課題。

孟獻(xiàn)（1983-），男，本科，工程師，研究方向：石油機(jī)械設(shè)計(jì)及開發(fā)。