淺析車載鉆修井機(jī)液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)盤研制

母小平，劉煒，陳楠，邢付順

（中國石油集團(tuán)渤海石油裝備中成裝備制造公司，天津 300280）

轉(zhuǎn)盤作為石油鉆修井作業(yè)的主要部件，其主要作用就是傳遞扭矩，帶動鉆具旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆出。目前，在以自走式底盤為載體的車載鉆修井機(jī)中，轉(zhuǎn)盤常規(guī)的驅(qū)動方式為機(jī)械驅(qū)動，動力經(jīng)發(fā)動機(jī)、變速箱、傳動軸、角傳動箱、絞車、傳動鏈條、轉(zhuǎn)盤傳動箱、傳動軸、爬坡鏈條盒，最終傳遞到轉(zhuǎn)盤上，從而帶動鉆具旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆出。機(jī)械驅(qū)動轉(zhuǎn)盤的缺點(diǎn)主要有，傳動鏈冗長、傳動部件多、傳動裝置復(fù)雜、傳動效率低，傳動部件外形體積大、占據(jù)臺面空間大、而且增加整機(jī)質(zhì)量，影響主機(jī)移運(yùn)性能。尤其在新的國家標(biāo)準(zhǔn)GB1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限制》實(shí)施后，對車載鉆修井機(jī)等油田專用作業(yè)車的臺面空間進(jìn)一步壓縮，對整機(jī)重量嚴(yán)格限制。因此結(jié)合車載鉆修井機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)，對于采用液壓作為轉(zhuǎn)盤驅(qū)動型式的研究非常有必要。

1 技術(shù)分析

1.1 組成結(jié)構(gòu)

液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)盤主要由主體結(jié)構(gòu)、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及操作系統(tǒng)4部分組成，其中控制系統(tǒng)包括液壓控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。其中轉(zhuǎn)盤主體結(jié)構(gòu)整體安裝在鉆臺上，液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及操作系統(tǒng)安裝在運(yùn)載車上。

（1）主體結(jié)構(gòu)

主體結(jié)構(gòu)由液壓馬達(dá)、轉(zhuǎn)盤組成。液壓馬達(dá)選用低速大扭矩柱塞馬達(dá)，通過連接支架固定在轉(zhuǎn)盤上，馬達(dá)輸出軸通過連接軸套與轉(zhuǎn)盤輸入軸連接，直接驅(qū)動轉(zhuǎn)盤運(yùn)轉(zhuǎn)。主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓轉(zhuǎn)盤主體結(jié)構(gòu)示意圖

（2）液壓控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)主要由液壓泵、控制閥件、液壓油箱等組成，主要功能包括轉(zhuǎn)盤正反轉(zhuǎn)控制、轉(zhuǎn)盤檔位控制、反扭矩釋放控制。根據(jù)車載鉆修井機(jī)的作業(yè)工況，設(shè)計選用雙液壓泵，分別安裝在變速箱自有的2個取力口上。其中一個液壓泵選用雙聯(lián)泵，作為轉(zhuǎn)盤工作的主要動力源。另外一個選用單聯(lián)泵，既可以作為轉(zhuǎn)盤工作的輔助動力源，也可以為修井機(jī)其余液壓控制部分提供動力源?？刂崎y件選用板式閥，通過集成閥組模塊設(shè)計，從集成閥塊內(nèi)部油道實(shí)現(xiàn)油液互通。其中換向閥等選用電控方式，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。液壓油箱利用修井機(jī)自有油箱為系統(tǒng)提供液壓源。液壓控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 液壓控制系統(tǒng)原理圖

（3）電氣控制系統(tǒng)（如圖3）

圖3 電氣控制系統(tǒng)原理圖

（4）操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)盤正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、轉(zhuǎn)盤檔位選擇開關(guān)、反扭矩控制選擇開關(guān)及轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速控制閥，以上所有操作元件均集成安裝于司鉆操作箱上，便于人員操作。（如圖4）

圖4 操作系統(tǒng)組成

1.2 工作原理

（1）轉(zhuǎn)盤正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)主要控制轉(zhuǎn)盤的啟停及換向。轉(zhuǎn)盤正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)位于“停止”位置，此時轉(zhuǎn)盤換向控制閥處于中位，液流經(jīng)換向閥中位直接返回油箱。同時，補(bǔ)油、冷卻電磁閥Y5處于失電狀態(tài)，液壓泵Ⅱ第二出口分別向液壓馬達(dá)兩腔供油，潤滑馬達(dá)腔體，防止內(nèi)部元件損傷。轉(zhuǎn)盤正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)位于“正轉(zhuǎn)”位置時，轉(zhuǎn)盤換向控制閥正轉(zhuǎn)電磁閥Y4得電，液流帶動液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)。同時，補(bǔ)油、冷卻電磁閥Y5處于得電狀態(tài)，液壓泵Ⅱ第二出口向液壓馬達(dá)冷卻口供油，潤滑馬達(dá)內(nèi)部驅(qū)動軸支撐軸承，并帶走馬達(dá)轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的熱量。轉(zhuǎn)盤正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)位于“反轉(zhuǎn)”位置，轉(zhuǎn)盤換向控制閥反轉(zhuǎn)電磁閥Y3處于得電狀態(tài)，液流帶動液壓馬達(dá)反轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動轉(zhuǎn)盤鉆出。

（2）轉(zhuǎn)盤檔位選擇開關(guān)主要控制轉(zhuǎn)盤的檔位變化。轉(zhuǎn)盤檔位選擇開關(guān)位于“Ⅰ檔”位置時，由液壓泵Ⅱ第一出口向液壓控制系統(tǒng)供油。轉(zhuǎn)盤檔位選擇開關(guān)位于“Ⅱ檔”位置時，轉(zhuǎn)盤檔位控制閥電磁閥Y2得電，此時液壓泵Ⅰ液流與液壓泵Ⅱ第一出口液流進(jìn)行合流，共同向液壓控制系統(tǒng)供油。

（3）轉(zhuǎn)盤反扭矩選擇開關(guān)主要控制鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的反扭矩。在正常鉆進(jìn)作業(yè)過程中，反扭矩選擇開關(guān)位于“保持”位置時，此時反扭矩控制閥Y6處于失電狀態(tài)，反扭矩釋放回路斷開，無液流通過。遇到卡鉆等緊急情況時，首先需要將轉(zhuǎn)盤正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)置于“停止”位，然后將反扭矩選擇開關(guān)位于“釋放”位置，此時反扭矩控制閥Y6處于得電狀態(tài)，液流經(jīng)反扭矩釋放回路通過，因鉆具鉆進(jìn)產(chǎn)生的反扭矩也隨之釋放，保證了作業(yè)安全。

（4）轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速控制閥主要用來控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)盤速度控制閥為手輪氣控比例調(diào)壓閥，通過該閥件可以控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速大小，進(jìn)而控制各液壓泵的流量輸出大小，最終控制液壓馬達(dá)及轉(zhuǎn)盤的速度大小。同時該閥件可將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速定位控制在任意轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，不需要人員長期操作，減輕了作業(yè)人員勞動強(qiáng)度。

1.3 主要元件技術(shù)參數(shù)

（1）轉(zhuǎn)盤主要技術(shù)參數(shù)

型號：ZP175；通孔直徑：444.5mm（17.5in）；最大靜載荷：1350 Kn；齒輪傳動比：i=3.56；最大工作扭矩：13729N.m。

（2）液壓馬達(dá)主要技術(shù)參數(shù)

（3）液壓系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

液壓系統(tǒng)額定壓力P：21MPa；液壓泵Ⅰ排量VⅠ：99.4ml/rpm，效率η=0.9；液壓泵Ⅱ排量VⅡ：165.7ml/rpm，效率η=0.9。

（4）液壓轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速計算

已知發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍：700～2100rpm，其中怠速n怠=700rpm，最大轉(zhuǎn)速nmax=2100rpm。

（5）液壓轉(zhuǎn)盤扭矩計算

通過對液壓轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速及扭矩進(jìn)行計算，轉(zhuǎn)盤理論工作轉(zhuǎn)速在23～111rpm范圍，最大扭矩為13457N.m，各項(xiàng)性能參數(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5080《石油鉆機(jī)和修井機(jī)用轉(zhuǎn)盤》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。

2 現(xiàn)場應(yīng)用情況

該液壓轉(zhuǎn)盤應(yīng)用在我公司生產(chǎn)的XJ900車載修井機(jī)上，2017年9月，在長慶油田北二區(qū)1#井進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)，鉆井深度1248m。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速及扭矩參數(shù)可以滿足鉆修井現(xiàn)場作業(yè)要求，各檔位切換順利，工作狀態(tài)穩(wěn)定，液壓系統(tǒng)在使用過程中無明顯油溫升高現(xiàn)象，參數(shù)匹配合理，系統(tǒng)功率利用率較高。該液壓轉(zhuǎn)盤及控制系統(tǒng)操作簡便，易于維護(hù)保養(yǎng)，整體工作性能達(dá)到預(yù)期要求。

3 結(jié)語

（1）在修井機(jī)自有變速箱上取力，無需另外增加液壓動力裝置，簡化整機(jī)配套范圍。

（2）采用集成閥組模塊設(shè)計，從集成閥塊內(nèi)部油道實(shí)現(xiàn)油液互通，減少液壓接頭管線數(shù)量，整體結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)約安裝空間，便于后期維護(hù)檢修。

（3）轉(zhuǎn)盤控制采用電控方式，操作集成在司鉆操作箱上，便于人員操作，亦可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

（4）由主機(jī)至液壓馬達(dá)的液壓管線全部采用快速接頭連接，現(xiàn)場安裝、拆卸方便、安全、高效。

（5）液壓馬達(dá)、液壓泵、控制閥件分別選用赫格隆、派克、華德液壓等國內(nèi)外知名液壓廠家產(chǎn)品，保證產(chǎn)品性能。

（6）液壓轉(zhuǎn)盤及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩能滿足中小型鉆修井的作業(yè)要求，安裝使用及維護(hù)方便，制造成本低，可廣泛配置于各類中小型車載鉆修井機(jī)，有較好的推廣價值。