JC50DBZ型直驅(qū)絞車結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)分析

吳書平，何楠楠，田 雨，唐 浩，肖淋中(.四川宏華石油設(shè)備有限公司，四川 廣漢 68300；.四川宏華電氣有限責任公司，成都 60036)

JC50DBZ型直驅(qū)絞車結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)分析

吳書平1，何楠楠2，田 雨1，唐 浩1，肖淋中1
(1.四川宏華石油設(shè)備有限公司，四川 廣漢 618300；2.四川宏華電氣有限責任公司，成都 610036)

為了提高石油鉆機絞車的效率、節(jié)約能源和環(huán)保、提高鉆井效率，促進鉆機的輕量化發(fā)展，方便使用、安裝和運輸，采用機電融合的直驅(qū)技術(shù)，研制了JC50DBZ型直驅(qū)絞車。該絞車采用直驅(qū)技術(shù)，提高了傳動效率，減少了故障點，縮短了絞車檢查和維護時間，使鉆井效率提高；通過絞車結(jié)構(gòu)優(yōu)化，縮小了絞車尺寸和質(zhì)量；采用直推盤剎和集成新型盤剎液壓站，提高了剎車的響應(yīng)速度。分析了直驅(qū)絞車的結(jié)構(gòu)、原理和關(guān)鍵技術(shù)，并和齒輪傳動的一擋和兩擋結(jié)構(gòu)絞車進行了性能對比。

絞車；直驅(qū)；機電融合；傳動效率；盤剎

絞車是石油鉆機的核心部件之一[1]，主要功能是起下鉆具、下套管、鉆井、起下輔助工具、處理井下事故以及起放井架底座等。

最初的石油鉆機絞車是與機械鉆機配套的多軸機械絞車，一般有4根軸，即傳動軸、中間軸、貓頭軸和滾筒軸[2]，鏈條傳動。缺點是體積龐大，笨重且效率低。后來發(fā)展的直流電機驅(qū)動的鉆機也采用了類似結(jié)構(gòu)的多軸絞車。20世紀90年代中后期，隨著交流變頻鉆機的發(fā)展，出現(xiàn)了齒輪箱傳動的單軸絞車，這種絞車體積小、質(zhì)量輕、傳動效率有所提高。但是，到了目前這個時代，對絞車的效率、占用空間、環(huán)保等，提出了更高的要求，直驅(qū)絞車應(yīng)運而生。

當今世界，經(jīng)濟的快速發(fā)展和全球化造就了一個人類歷史上的黃金時代。但是，帶來的負效應(yīng)是：資源過度開發(fā)、能源危機、環(huán)保問題、溫室效應(yīng)等。因此，節(jié)約能源、節(jié)約材料、保護環(huán)境和低碳是當今社會的主題和重要任務(wù)，是我們國家可持續(xù)發(fā)展的要求。機電融合技術(shù)的直驅(qū)技術(shù)，核心就是低碳、節(jié)能、環(huán)保。直驅(qū)絞車采用的直驅(qū)技術(shù)具有重要的社會意義和經(jīng)濟價值。

1 技術(shù)分析

機電融合技術(shù)的直驅(qū)技術(shù)是四川宏華石油設(shè)備有限公司自行研制的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，是石油鉆采裝備領(lǐng)域首次提出的設(shè)計新理念，取消了繁雜、笨重的機械傳動裝置，催生了具備引領(lǐng)行業(yè)潮流的直驅(qū)頂驅(qū)、直驅(qū)泥漿泵和本文的直驅(qū)絞車等相關(guān)新產(chǎn)品。

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

表1為JC50DBZ型絞車的主要技術(shù)參數(shù)。鉤載、快繩拉力和功率是按照游動系統(tǒng)繩數(shù)12繩、游動系統(tǒng)效率0.782[4]計算得到的。根據(jù)國家標準，鉆探深度5 000 m的鉆機，最大鉤載是3 150 kN[3]。該絞車提升的最大鉤載是3 400 kN，優(yōu)于國家標準。

表1 JC50DBZ型直驅(qū)絞車的主要技術(shù)參數(shù)

1.2 結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1為安裝在鉆臺上的JC50DBZ型直驅(qū)絞車照片。該絞車的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

序號2絞車架為整個絞車的骨架，安裝和支撐其他所有部件。序號7滾筒安裝在序號9滾筒軸上，構(gòu)成滾筒軸總成。滾筒軸總成通過調(diào)心滾子軸承和軸承座安裝在絞車架的墻板(序號8)上。專門融合設(shè)計的直驅(qū)電機安裝在滾筒軸總成的兩端，定子裝在絞車墻板上，轉(zhuǎn)子安裝在滾筒軸上，電機定子機座固定在絞車底座上。序號1浮動盤剎直接安裝在墻板上，新型盤剎液壓站安裝在絞車后部兩個盤剎之間。序號3和4組成的交流變頻直驅(qū)電機直接驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn)，完成起下鉆、鉆進、下套管、起放井架底座、處理井下事故等鉆井工作。工作制動為DBS電控系統(tǒng)能耗制動，緊急制動和駐車制動由常閉的2個浮動式的直推盤剎完成。

圖1 安裝在鉆臺上的JC50DBZ型直驅(qū)絞車

1—浮動式直推盤剎；2— 絞車架；3—電機轉(zhuǎn)子；4—電機定子；5—電機定子和絞車墻板連接螺栓和止口；6—剎車盤；7—滾筒；8—絞車墻板；9—滾筒軸；10—齒輪泵盤剎液壓站。圖2 JC50DBZ型直驅(qū)絞車的傳動原理

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 機電融合的直驅(qū)技術(shù)

傳統(tǒng)交流變頻鉆機絞車的驅(qū)動模式為電機+減速傳動裝置+執(zhí)行機構(gòu)(滾筒)。本絞車采用2臺交流變頻直驅(qū)電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，不采用常規(guī)石油鉆機絞車的減速器和聯(lián)軸器。由于沒有減速傳動裝置，因此減小了制造成本，減輕了設(shè)備質(zhì)量，提高了效率，減少了能源消耗。

電機和絞車融合設(shè)計，主要體現(xiàn)在4個方面：

1) 主體結(jié)構(gòu)上的融合設(shè)計。電機設(shè)計成分體式的，即電機的定子和轉(zhuǎn)子安裝前是獨立的，安裝時分別裝在融合設(shè)計的絞車的墻板和滾筒軸上，和絞車的墻板和滾筒軸構(gòu)成一個完整的電機整體。絞車墻板設(shè)計有專門的定位臺階，電機的定子內(nèi)端通過螺栓直接定位固定在絞車的墻板上，墻板充當了電機的一個端蓋，定子的外端通過軸承安裝在絞車滾筒軸末端。電機的轉(zhuǎn)子套在滾筒軸上，使用鎖緊盤固定，滾筒軸也是電機的轉(zhuǎn)子軸。絞車電機自身只有一個軸承，另外一個軸承是和滾筒軸總成共用。這種融合設(shè)計的優(yōu)點是安裝緊湊，整個絞車長度和寬度大幅縮小，增加了鉆臺面的使用和操作空間。配套的井架底座也可以設(shè)計得更加小巧，質(zhì)量更輕，方便運輸。融合設(shè)計后，絞車的質(zhì)量只有28 t，而常規(guī)的交流變頻JC50DB型絞車的質(zhì)量是32 t(含液壓站)，JC50型機械絞車38 t，故較常規(guī)的絞車減少質(zhì)量12%～26%。

2) 性能參數(shù)的融合設(shè)計。電機的電磁參數(shù)設(shè)計、相關(guān)定子轉(zhuǎn)子直徑和長度設(shè)計完全和絞車的提升性能參數(shù)的設(shè)計交互進行，交互優(yōu)化，得到最佳的提升性能參數(shù)和最佳的絞車、電機結(jié)構(gòu)尺寸。

3) 實際工況受力和變形分析的融合設(shè)計。絞車和電機采用全三維設(shè)計，三維裝配。采用有限元軟件分析絞車和電機的受力和變形，在滿足安全系數(shù)和變形條件下來優(yōu)化滾筒軸、墻板、電機受力部分的結(jié)構(gòu)和尺寸，并選擇軸承。定子和轉(zhuǎn)子的氣隙也必須要根據(jù)變形情況調(diào)整，調(diào)整過程還要考慮磁拉力的變化。

2.2 高度集成的直推液壓盤剎

石油鉆機絞車的剎車裝置分為帶式剎車和盤式剎車[6]，前者是早期絞車采用的剎車裝置。西方石油公司在20世紀80年代研制出絞車用盤式剎車裝置(以下簡稱盤剎)，成為國內(nèi)外石油鉆機、修井機技術(shù)改造和升級換代的研究方向[7]。JC50DBZ型絞車采用的盤剎不同于常規(guī)盤剎，剎車鉗全部采用直推浮動式常閉鉗，不采用常規(guī)絞車的盤剎鉗架，剎車鉗直接安裝在絞車的墻板上。盤剎安裝寬度單邊減少100 mm(減少22%)，使結(jié)構(gòu)緊湊，而且縮短了絞車墻板的間距和整個絞車的長度。由于滾筒軸跨距的減小，承受最大快繩拉力時滾筒軸的變形量也相應(yīng)減小，防止了電機定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙變化過大，而影響電機的性能。

直推式盤剎鉗較常規(guī)的杠桿式盤剎鉗的制動響應(yīng)更快，加上由于集成液壓站，液壓管線縮短的因素，也加快盤剎液壓系統(tǒng)的響應(yīng)速度，讓剎車時游動系統(tǒng)的減速距離更短，保障鉆井工作更加安全。直推盤剎的另一個優(yōu)點是制動力大，常規(guī)絞車需要6把鉗子，采用直推盤剎，只需要2把鉗子。因此也減小了安裝空間。

國內(nèi)風電行業(yè)也采用直推盤剎，通常是固定式盤剎式，當滾筒受較大快繩拉力時，剎車盤會傾斜偏擺，剎車盤和剎車鉗接觸位置會產(chǎn)生軸向位移，如果采用固定式盤剎，會造成剎車盤和剎車摩擦片的偏磨，產(chǎn)生不均勻磨損，降低摩擦片和剎車盤的使用壽命。采用浮動式盤剎，可有效避免這個問題。延長了摩擦片和剎車盤的使用壽命。

2.3 新型盤剎液壓站

為了適應(yīng)直驅(qū)絞車的制動需求，研制了新一代盤剎液壓站，具有如下特點：

1) 通過優(yōu)化液壓站結(jié)構(gòu)，減少了外形尺寸和質(zhì)量，使液壓站能夠集成安裝在絞車上(如圖3所示)，相比老一代單獨的盤剎液壓站，節(jié)約了鉆臺面空間。

2) 通過優(yōu)化液壓控制原理，簡化了控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性及維護的方便性，同時也大幅度的節(jié)約了成本。

3) 設(shè)置了手動泵解剎功能，當系統(tǒng)掉電時，相比于老一代盤剎液壓站通過蓄能器儲存的油源進行解剎，通過手動泵解剎時沒有解剎時間及次數(shù)的限制，更為方便靈活。

4) 通過新、老盤剎液壓站制動時間的測試對比，新型盤剎液壓站的制動響應(yīng)時間略微快一些。如圖4即為新型盤剎液壓站制動響應(yīng)時間的制動曲線，當剎車鉗達到95%制動力時，時間只需要0.34 s(傳統(tǒng)液壓站至少需要0.5 s)。

圖3 盤剎液壓站現(xiàn)場照片

圖4 盤剎制動響應(yīng)時間測試曲線

2.4 可靠性和環(huán)保

傳統(tǒng)石油鉆機絞車具有減速器和聯(lián)軸器、強制潤滑系統(tǒng)，有的還有潤滑油冷卻系統(tǒng)，這就造成故障點多，可靠性差，經(jīng)常要檢修維護。另外，傳統(tǒng)絞車容易漏油，雖然經(jīng)過各種技術(shù)改造，但不能完全避免。漏油不符合HSE要求，還造成環(huán)境污染，也影響企業(yè)品牌形象[8]。直驅(qū)絞車采用直驅(qū)技術(shù)，融合設(shè)計，大幅提升了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，降低了絞車的維護成本和運行成本，基本做到零排放，保護了生態(tài)環(huán)境。

3 性能對比

圖5直觀地展示了直驅(qū)絞車和相同級別的傳統(tǒng)齒輪傳動一擋和兩擋交流變頻絞車的提升性能比較。直驅(qū)絞車最大鉤載達到3 400 kN，常規(guī)絞車的最大鉤載是3 150 kN，提升能力提高13%；當提升相同鉤載時，直驅(qū)絞車的提升速度提高了7%～10%。

圖5 提升性能曲線比較

4 現(xiàn)場試驗

研制JC50DBZ型直驅(qū)絞車的目的是為四川宏華石油設(shè)備有限公司新研發(fā)的標桿鉆機配套絞車。這套標桿鉆機是目前國內(nèi)最先進的鉆機，集成了該公司最新研制的技術(shù)：全套自動化機具、液壓貓道、排管機、鐵鉆工、可調(diào)角度液壓整體平移裝置、直驅(qū)頂驅(qū)、直驅(qū)絞車等。

目前，直驅(qū)絞車已研制完成，和標桿鉆機一起經(jīng)過了嚴格的試驗和測試，完成了運轉(zhuǎn)試驗、盤剎能力試驗、液壓站試驗、提升速度測試、提升能力試驗、纏繩試驗、防碰試驗等，全部測試合格，達到設(shè)計要求。

該直驅(qū)絞車的優(yōu)點是：

1) 結(jié)構(gòu)簡潔、緊湊，體積小。較常規(guī)絞車的長度減少20%～30%，寬度減少15%。占用的鉆臺安裝面積更小，可以讓鉆臺更為寬敞，方便其他設(shè)備的安裝和鉆井操作；質(zhì)量減少12%～26%，方便搬家運輸和吊裝。

2) 電機直接傳動，無聯(lián)軸器環(huán)節(jié)，效率高，傳動效率由原來的0.93提高到0.99，節(jié)約能源。

3) 沒有減速箱、聯(lián)軸器和潤滑系統(tǒng)，故障點減少了80%～90%。

4) 集成新型齒輪泵液壓站和采用浮動盤剎，結(jié)構(gòu)小巧、節(jié)能、制動反應(yīng)時間短，鉆井更加安全。

5) 基本做到零排放、免維護。

5 專利情況

JC50DBZ型直驅(qū)絞車及其技術(shù)已經(jīng)獲得了國家實用新型專利，專利號：ZL2015 2 0730580.X。同時申請了發(fā)明專利，在公示中。

6 結(jié)論

1) 自主研發(fā)的JC50DBZ型直驅(qū)絞車滿足了提高效率、節(jié)能環(huán)保、輕量化等性能要求。

2) 該絞車的研制包含了機電融合的直驅(qū)技術(shù)、高度集成的盤剎技術(shù)、新型的盤剎液壓站技術(shù)等創(chuàng)新技術(shù)。

3) 盤剎液壓站的振動較大，固定方式還需改進。底座采用的是4根主梁，還需要優(yōu)化為2根主梁的結(jié)構(gòu)，進一步減輕質(zhì)量。

4) 在目前的世界鉆機市場上，交流變頻鉆機占據(jù)大部分市場份額，ZJ70DB型及以下鉆機均可采用直驅(qū)絞車，故直驅(qū)絞車的應(yīng)用前景是非常廣闊的。

5) 絞車防亂繩系統(tǒng)和大功率直驅(qū)絞車是今后的研究方向。

[1] 李繼志 .石油鉆采機械概論 [M].東營：中國石油大學出版社，2012：159.

[2] 張連山 .石油鉆機絞車的設(shè)計與計算[J].石油機械，1997，25(9)：45-51.

[3] GB/T 23505—2009，石油鉆機和修井機[S].

[4] American Petroleum Institute.API RP 9B Application，Care，and Use of Wire Rope for Oil Field Service Sixth Edition[S].America：American Petroleum Institute，2015：6.

[5] 陳如恒，沈佳駿.鉆井機械的設(shè)計計算[M].北京：石油工業(yè)出版社，1995：13-14.

[6] American Petroleum Institute .API spec 7K Drilling and Well Service Equipment Sixth Edition[S].America：American Petroleum Institute，2015：85.

[7] 趙有清.XJ-650型修井機絞車制動系統(tǒng)改進[J].石油礦場機械，2015，44(11)：82-83.

[8] 孟萌，菊家奎，郝桂英，等.JC50DB型絞車的密封結(jié)構(gòu)分析及改進方法[J].石油礦場機械，2014，43(2)：71-75.

Structure and Key Technology Analysis of Model JC50DBZ Direct Drive Drawworks

WU Shuping1，HE Nannan2，TIAN Yu1，TANG Hao1，XIAO Lingzhong1
(1.SichuanHonghuaPetroleumEquipmentCo.,Ltd.，Guanghan618300，China；2.SichuanHonghuaElectricCo.,Ltd.，Chengdu610036，China)

For the sake of improving transmission efficiency of rig drawworks，energy saving，improving drilling efficiency，promoting lightweight of rig，easy to use，making installation and transportation more convenient，model JC50DBZ direct drive drawworks is developmented.The drawworks adopts direct drive technology of mechatronics integration，improving transmission efficiency，reducing fault points，shortening inspection and maintenance time，improving drilling efficiency；the drawworks dimension and quality are reduced through optimizing structrure；response speed of brake is improved through adopting direct pushing hydraulic disc brake and integrating new style hydraulic power unit.The direct drive drawworks’ structure，working principle and key technology are introduced and analysed in this article，and making a comparison with gear-driven single speed drawworks and double speed drawworks.

drawworks；direct drive；mechatronics integration；transmission efficiency；disc brake

2016-11-23

吳書平(1970-)，男，四川金堂人，高級工程師，碩士，主要從事石油鉆機總體設(shè)計、絞車及傳動設(shè)計和研究，E-mail：qhdzsky@126.com。

1001-3482(2017)03-0055-05

TE923.03

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.012