采用氣控盤式剎車的石油鉆井絞車及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□ 楊秀菊 □ 劉曉峰 □ 李云鵬 □ 王 蘭 □ 張 鵬

1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 陜西寶雞 721002

2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心 陜西寶雞 721002

1 設(shè)計(jì)背景

石油鉆井絞車的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟，但目前絞車的設(shè)計(jì)方案仍有待改進(jìn)?，F(xiàn)用的電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)絞車主要分為三種[1-2]：① 單軸齒輪絞車，電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器與齒輪減速箱輸入軸連接，并通過(guò)齒輪減速箱減速后驅(qū)動(dòng)滾筒軸，齒輪減速箱采用獨(dú)立潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)齒輪、軸承等實(shí)施強(qiáng)制潤(rùn)滑，并帶有低壓報(bào)警裝置等，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，傳動(dòng)效率較高，但體積大、質(zhì)量重，結(jié)構(gòu)需要簡(jiǎn)化；②外變速絞車，傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，效率低，運(yùn)輸車次多；③ 內(nèi)變速絞車，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)力與絞車滾筒不在同一個(gè)底座上，要對(duì)接鏈條箱，存在拆裝困難、體積大、安裝精度差等缺陷。

石油鉆機(jī)上普遍采用的石油鉆井絞車主要由電機(jī)、減速箱、滾筒、液壓盤式剎車、自動(dòng)送鉆裝置、絞車架等組成。這種石油鉆井絞車一般采用液壓盤式剎車作為主剎車，絞車滾筒軸上同時(shí)連接輔助剎車，輔助剎車可位于電機(jī)和滾筒軸之間，也可位于滾筒軸另一端。輔助剎車為電機(jī)能耗制動(dòng)、氣控盤式剎車或電磁渦流剎車[3]，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

為滿足用戶及目前油氣鉆井市場(chǎng)的使用需求，筆者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種采用氣控盤式剎車的JC70DB型石油鉆井絞車。這一絞車采用氣控盤式剎車作為主剎車，采用電機(jī)能耗制動(dòng)作為輔助剎車，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、拆卸方便、運(yùn)輸便捷、控制系統(tǒng)先進(jìn)等優(yōu)勢(shì)。

2 傳動(dòng)系統(tǒng)

在常規(guī)石油鉆井絞車的基礎(chǔ)上[4-5]，為使絞車質(zhì)量輕，拆卸方便，設(shè)計(jì)了采用氣控盤式剎車的JC70DB型石油鉆井絞車，其傳動(dòng)原理如圖1所示。這一絞車是一種采用氣控盤式剎車的單減速箱石油鉆井絞車，采用一臺(tái)兩擋變速箱，具有兩個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)，即以兩臺(tái)主電機(jī)為動(dòng)力的主傳動(dòng)系統(tǒng)和以一臺(tái)小電機(jī)為動(dòng)力的自動(dòng)送鉆系統(tǒng)。

絞車主傳動(dòng)系統(tǒng)中，兩臺(tái)857 kW交流變頻電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器將動(dòng)力分別輸送至齒輪減速箱輸入軸，經(jīng)兩級(jí)齒輪減速后傳遞至滾筒軸。絞車的整個(gè)變速過(guò)程由主電機(jī)交流變頻控制系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)。

▲圖1 JC70DB型石油鉆井絞車傳動(dòng)原理

絞車自動(dòng)送鉆系統(tǒng)由一臺(tái)45 kW交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)大傳動(dòng)比立式減速機(jī)和推盤離合器后，將動(dòng)力傳入齒輪減速箱輸入軸端，再經(jīng)齒輪箱一級(jí)減速后帶動(dòng)滾筒軸完成自動(dòng)送鉆過(guò)程。此外，自動(dòng)送鉆電機(jī)可完成井架底座的升降。

3 技術(shù)參數(shù)

采用氣控盤式剎車的JC70DB型石油鉆井絞車技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 JC70DB型石油鉆井絞車技術(shù)參數(shù)

電機(jī)能耗制動(dòng)通過(guò)變頻系統(tǒng)的制動(dòng)電阻吸收絞車的動(dòng)能，進(jìn)而對(duì)絞車進(jìn)行制動(dòng)剎車，能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程為重力勢(shì)能→絞車動(dòng)能→電網(wǎng)電能→熱能→消耗。

4 技術(shù)特點(diǎn)

采用氣控盤式剎車的JC70DB型石油鉆井絞車主要特點(diǎn)如下。

（1）以兩臺(tái)交流變頻電機(jī)為動(dòng)力，這兩臺(tái)交流變頻電機(jī)分別通過(guò)聯(lián)軸器與齒輪減速箱輸入軸兩端相連傳遞動(dòng)力，減速箱輸出軸再通過(guò)聯(lián)軸器與滾筒軸連接，帶動(dòng)滾筒軸。

（2）滾筒軸通過(guò)聯(lián)軸器與氣控盤式剎車相連，可直接懸掛在氣控盤式剎車上。采用電機(jī)能耗制動(dòng)作為輔助剎車。電機(jī)、齒輪減速箱、滾筒軸、自動(dòng)送鉆裝置等均安裝在一個(gè)絞車底座模塊上。

（3）滾筒軸與氣控盤式剎車之間、電機(jī)與齒輪減速箱之間、滾筒軸與齒輪減速箱之間的連接均可通過(guò)鼓型齒聯(lián)軸器連接，滾筒軸與氣控盤式剎車之間也可直接懸掛。自動(dòng)送鉆裝置與齒輪減速箱之間采用離合器連接，氣控盤式剎車獨(dú)立為一個(gè)單元，方便快速拆裝。

（4）采用單減速箱，且絞車底橇采用梯形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，絞車運(yùn)輸最大質(zhì)量不超過(guò)30 t。

（5）主剎車采用氣控盤式剎車，輔助剎車采用電機(jī)能耗制動(dòng)，取消了常規(guī)的液壓盤式剎車。氣控盤式剎車時(shí)，工作鉗剎車為通氣剎車，安全鉗剎車為斷氣剎車。工作鉗剎車的冷卻采用強(qiáng)制水冷方式，配置氣控剎車進(jìn)水壓力與回水溫度傳感器[6]。

（6）齒輪減速箱通過(guò)聯(lián)軸器懸掛在滾筒上，與電機(jī)連接的輸入端由銷軸與絞車架固定，所有配套設(shè)備均安裝在一個(gè)絞車底座模塊上。

5 性能提升

5.1 性能提升曲線

絞車最大輸入功率為1 714 kW，可優(yōu)化鉆機(jī)提升曲線。在低速擋時(shí)，電機(jī)無(wú)需加載即可提升最大鉤載，提高了鉆井性能及鉆井時(shí)效。

雙電機(jī)工作12繩系時(shí)鉤載與鉤速參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 鉤載與鉤速參數(shù)

根據(jù)主電機(jī)特性、絞車變速箱傳動(dòng)比及鉆機(jī)游吊系統(tǒng)計(jì)算方法，得出鉆機(jī)鉤速鉤載性能提升曲線，如圖2所示。

▲圖2 鉆機(jī)鉤速鉤載性能提升曲線

由圖2可知，性能提升曲線分為三個(gè)區(qū)域：恒扭區(qū)、恒功率區(qū)和降功率區(qū)，性能提升曲線由低速擋和高速擋組成。

5.2 低速擋

低速擋時(shí)，絞車鉤速在0～0.27 m/s范圍之內(nèi)為恒扭矩區(qū)，鉤載的恒定值為4 500 kN。此時(shí)不利用電機(jī)和變頻器過(guò)載特性，即可滿足提升鉆機(jī)最大起升鉤載，提高鉆井時(shí)效。

鉤速在0.27～0.53 m/s范圍內(nèi)為恒功率區(qū)，絞車可在該鉤速范圍內(nèi)滿足鉤載4 500 kN～2 200 kN之間實(shí)際工作載荷的需要。

鉤速在0.53～0.78 m/s范圍內(nèi)為降功率區(qū)，鉤載在2 200 kN～1 100 kN之間，對(duì)于鉆井而言鉤速偏低，一般不用，但可作為高速擋故障時(shí)的工作備用。

5.3 高速擋

高速擋時(shí)，絞車鉤速在0～1.6 m/s范圍之內(nèi)，鉆機(jī)提升工作速度范圍較寬。鉤速在0～0.56 m/s范圍內(nèi)為恒扭矩區(qū)，鉤載的恒定值為2 200 kN，絞車可利用這段曲線來(lái)完成最大鉆柱重力為2 200 kN的提升工作。鉤速在 0.56～1.09 m/s范圍內(nèi)為恒功率區(qū)，鉤速在1.09～1.6 m/s范圍內(nèi)為降功率區(qū)，對(duì)應(yīng)鉤載在1 106 kN～522 kN之間，滿足絞車空吊卡與解卡作業(yè)。

6 控制系統(tǒng)

6.1 氣控盤式剎車控制系統(tǒng)

工作鉗剎車采用強(qiáng)制水冷方式，所配置的氣控剎車進(jìn)水壓力不得大于0.4 MPa。安全鉗剎車無(wú)強(qiáng)制冷卻裝置。氣控盤式剎車的最低使用壓力為0.83 MPa，當(dāng)壓力低于最低使用壓力時(shí)，安全鉗剎車會(huì)處于似剎非剎的中間狀態(tài)，這不僅造成功率損耗，而且會(huì)對(duì)動(dòng)力設(shè)備、傳動(dòng)裝置造成一定損害。此外，還會(huì)對(duì)剎車盤造成影響，使剎車副過(guò)熱引起粘結(jié)，造成鉆井不流暢。可見(jiàn)，過(guò)多的磨損與發(fā)熱嚴(yán)重影響氣控盤式剎車的工作壽命[7]。氣控盤式剎車的最高使用壓力為1.03 MPa，當(dāng)壓力大于最高使用壓力時(shí)，會(huì)造成剎車裝置密封性降低，影響剎車的使用性能。氣控盤式剎車的使用壓力設(shè)定為 0.85 MPa～1.0 MPa。

配置一個(gè)0.5 m3的儲(chǔ)氣罐，儲(chǔ)氣罐進(jìn)氣口設(shè)有增壓器，增壓器出口壓力設(shè)定為1.2 MPa。增壓后的壓縮空氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣罐內(nèi)，儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓縮空氣經(jīng)減壓閥減壓至0.85 MPa，用于絞車剎車的氣動(dòng)控制。儲(chǔ)氣罐設(shè)有壓力表及傳感器，壓力表安裝在司鉆房?jī)?nèi)，用于司鉆實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)氣罐壓力。壓力傳感器監(jiān)測(cè)到的儲(chǔ)氣罐壓力信號(hào)輸入可編程序控制器（PLC），在PLC模式下，在觸摸屏上顯示儲(chǔ)氣罐壓力，同時(shí)可以控制絞車。當(dāng)儲(chǔ)氣罐壓力低于0.9 MPa時(shí)，包括主電機(jī)及自動(dòng)送鉆電機(jī)在內(nèi)的絞車電機(jī)均會(huì)懸停，氣控盤式工作鉗剎車與安全鉗剎車會(huì)同時(shí)剎車。

在PLC模式下，工作鉗剎車控制信號(hào)為PLC系統(tǒng)計(jì)算值與工作鉗剎車手柄給定值中的較大者。PLC系統(tǒng)所給出的計(jì)算值為剎車自動(dòng)控制信號(hào)[8-10]。工作鉗剎車氣路設(shè)有壓力表及傳感器，當(dāng)工作鉗剎車氣路壓力小于0.85 MPa時(shí)，主電機(jī)及自動(dòng)送鉆電機(jī)均會(huì)懸停。

安全鉗剎車的控制理念為斷電、斷氣剎車，一般情況下，安全鉗剎車的同時(shí)，工作鉗剎車也會(huì)剎車。安全鉗剎車氣路同樣設(shè)有壓力表及傳感器，當(dāng)安全鉗剎車氣路壓力小于0.85 MPa時(shí)，主電機(jī)及自動(dòng)送鉆電機(jī)均會(huì)懸停。

工作鉗剎車采用強(qiáng)制水冷方式，當(dāng)冷卻水進(jìn)水壓力大于0.4 MPa時(shí)，會(huì)造成密封裝置損壞，影響鉆機(jī)工作性能的穩(wěn)定性。冷卻水供水部分設(shè)有壓力表及傳感器，當(dāng)冷卻水進(jìn)水壓力大于0.4 MPa時(shí)，主電機(jī)及自動(dòng)送鉆電機(jī)均會(huì)懸停，氣控盤式工作鉗剎車與安全鉗剎車會(huì)同時(shí)剎車并報(bào)警。

6.2 自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)

自動(dòng)送鉆離合器由觸摸屏控制，當(dāng)采用手動(dòng)點(diǎn)擊自動(dòng)送鉆選項(xiàng)進(jìn)行自動(dòng)送鉆時(shí)，絞車會(huì)斷開(kāi)主電機(jī)，自動(dòng)送鉆電機(jī)運(yùn)行，然后自動(dòng)送鉆離合器自動(dòng)掛合，確認(rèn)絞車減速箱在空擋位置，以減少功率損耗。當(dāng)游吊系統(tǒng)出現(xiàn)上碰下砸、自動(dòng)送鉆電機(jī)出現(xiàn)故障、絞車減速箱未鎖擋或鎖擋不徹底造成無(wú)鎖擋反饋時(shí)，自動(dòng)送鉆離合器分離，并使氣控盤式剎車中的工作鉗剎車與安全鉗剎車同時(shí)剎車。當(dāng)按下防碰釋放按鈕時(shí)，自動(dòng)送鉆離合器會(huì)自動(dòng)分離。自動(dòng)送鉆離合器設(shè)有氣路反饋回路，當(dāng)自動(dòng)送鉆離合器氣路損壞或泄漏時(shí)，離合器的壓力迅速下降，使氣路反饋壓力開(kāi)關(guān)產(chǎn)生斷電信號(hào)，并將信號(hào)送入PLC，輸出控制信號(hào)，使自動(dòng)送鉆電機(jī)懸停并剎車。另外，當(dāng)按下緊急剎車、電子防碰作用，以及安全鉗剎車壓力小于0.85 MPa、工作鉗剎車壓力小于0.85 MPa、絞車儲(chǔ)氣罐壓力小于0.9 MPa、絞車?yán)鋮s水壓力大于0.4 MPa時(shí)，包括主電機(jī)及自動(dòng)送鉆電機(jī)在內(nèi)的絞車電機(jī)均會(huì)懸停，工作鉗剎車與安全鉗剎車同時(shí)剎車，此時(shí)自動(dòng)送鉆離合器不分離。

7 結(jié)論

JC70DB型石油鉆井絞車充分應(yīng)用了交流變頻電機(jī)的特性及氣控盤式剎車的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合鉆井工藝對(duì)絞車的要求，規(guī)避了常規(guī)石油鉆井絞車的不足，解決了以往絞車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)輸質(zhì)量大、拆裝困難、易漏油、體積大等問(wèn)題。目前，這一絞車已通過(guò)靜載荷加載、空吊卡提升、主電機(jī)能耗制動(dòng)、氣控盤式剎車能力、小電機(jī)自動(dòng)送鉆等多項(xiàng)試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，得到用戶認(rèn)可，并通過(guò)油田工業(yè)性試驗(yàn)，性能良好。這一絞車的設(shè)計(jì)方法也可推廣應(yīng)用至其它系列絞車的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中。