DJB－5/50×35－R 型載人載物電動絞車的研制*

王亞鵬 廖恒偉 李 勇

(1.中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司 2.寶雞巨菱鉆采設備有限責任公司)

0 引言

在當前油氣鉆井輔助提升作業(yè)中，主要使用氣動絞車進行甩鉆具等載物吊裝作業(yè)[1－4]。在安裝頂驅、水龍帶、掛大繩及維修設備等高空作業(yè)中，常用氣動載人絞車進行高空載人作業(yè)。其中載物作業(yè)用氣動絞車的生產(chǎn)廠家眾多，主要有泰安巨菱、煙臺石油及英格索蘭(美國) 等公司。近些年，隨著國產(chǎn)絞車技術工藝不斷成熟及顯著的價格與服務優(yōu)勢，其占比達90%以上；載人用氣動絞車生產(chǎn)廠家則相對較少，主要有泰安巨菱及英格索蘭等，受安全性和品牌力等因素影響，國產(chǎn)絞車占比不足50%，且存在以下問題:①無論是載物氣動絞車還是載人氣動絞車，同級別產(chǎn)品往往進口絞車要比國產(chǎn)絞車貴70%左右，甚至更高；②單臺絞車只具備載人或載物功能，利用率低，一般鉆井平臺需同時配備1 臺載人氣動絞車及2 臺載物氣動絞車，設備成本高，占用空間大；③氣動絞車存在噪聲大、能效低、提升力不足以及低溫環(huán)境適應性差等缺點[5－12]，比如在川渝等地很多鉆井隊中，在往鉆臺面運送鉆鋌和套管等較大載荷鉆井工具時，為避免氣動絞車由于供氣不連續(xù)或氣壓不足造成提升力不足，從安全角度考慮，往往使用吊車進行運輸鉆具作業(yè)；而在新疆、大慶和中亞等高寒地區(qū)，氣動絞車易產(chǎn)生凝露和結冰故障，難以滿足使用要求。

鑒于此，中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司聯(lián)合寶雞巨菱鉆采設備有限責任公司及相關單位，于2019 年9 月首次在石油鉆機輔助提升設備領域提出“載人載物”雙用途電動絞車的理念，并成功研制了DJB－5/50×35－R 型載人載物電動絞車。

1 技術分析

1.1 結構

DJB－5/50×35－R 型載人載物電動絞車主要由絞車主體、電控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。絞車主體包括防爆變頻制動電機、絞車架、行星減速機、卷筒體、自動排繩器、壓繩器、限位裝置和帶式剎車等，其中電機、減速機和卷筒采用同軸式布局，電機尾部防爆罩內設置電磁失電制動器(簡稱盤剎) 及編碼器。電控系統(tǒng)由防爆電控箱體、溫控系統(tǒng)、變頻器、控制回路和制動電阻路等組成，非防爆電氣元件封裝在防爆電控箱內?？刂葡到y(tǒng)由防爆(手柄) 操作盒和控制箱兩套互鎖且互為備份的系統(tǒng)組成。載人載物電動絞車結構示意圖如圖1 所示。

圖1 載人載物電動絞車結構示意圖Fig.1 Structure of the people/cargo-carrying electric winch

1.2 工作原理

載人載物電動絞車采用載物與載人兩種工作模式。載物模式下，可用防爆操作盒手柄控制絞車以無級調速方式載物，此工作模式靈活高效；載人模式下，可用控制箱上的控制旋鈕控制絞車平穩(wěn)低速載人，此工作模式安全可靠。

通過操作盒手柄或控制旋鈕，控制絞車電控系統(tǒng)(變頻器) 給電機提供變頻電源，對電機進行速度設定，電機驅動減速機帶動卷筒體轉動，卷筒體纏繞或松開鋼絲繩，實現(xiàn)提升或下放人員(重物) 功能。

1.3 主要技術參數(shù)

載人時允許負載×速度(首層鋼絲繩):5 kN×12 m/min (勻速，可設定)；

絞車額定功率:15 kW；

卷筒尺寸(直徑×長度):?370 mm×441 mm；

鋼絲繩規(guī)格(直徑×長度):?20 mm×130 mm(阻旋轉鋼絲繩)；

電控系統(tǒng)參數(shù):15 kW/380 V/50 Hz；

減速機傳動比:99；

防爆變頻制動電機參數(shù):15 kW/380 V/0～100 Hz/ExdIIBT4/IP56/H；

教學組織 在混合式教學中，教學不再僅局限于課堂教學這一環(huán)節(jié)，而是圍繞課前、課中和課后三個階段進行教學組織和設計[7]，包括課前自主學習、課堂教學活動、課后拓展性學習及計算機仿真實驗研究活等環(huán)節(jié)。在這個過程中，教師要發(fā)揮引導的作用，促使學生能有效開展自主學習、探究合作學習，保證教學過程有序進行。

吊裝鎖具安全系數(shù):≥5 (載物)，≥50 (載人)。

2 關鍵技術及創(chuàng)新設計

2.1 雙用途絞車理念的引入與總體設計

首次在石油鉆機輔助提升設備領域引入“載人載物”雙用途電動絞車理念，通過電動絞車設置有線可移動式防爆(手柄) 操作盒和控制箱(旋鈕) 兩套控制系統(tǒng)，分別對應載物和載人兩種工作模式，從功能和使用場景上實現(xiàn)載人載物雙用途絞車設計理念。在控制箱上設置兩種工作模式的轉換旋鈕。切換到載物模式，可用操作盒手柄控制絞車無級調速載物運行，沖擊小、效率高；切換到載人模式，可用控制箱上的控制旋鈕控制絞車低速載人運行，工作平穩(wěn)、安全性高。兩套控制系統(tǒng)互鎖且互為備份，實現(xiàn)了既保證安全性又提高系統(tǒng)可靠性的預期目標。

對電控系統(tǒng)、電機、減速機和盤剎等關鍵部件選型時適當放大級別并加大安全系數(shù)；在鋼絲繩、吊鉤及起重鏈條等吊裝鎖具設計中引入雙設計系數(shù)的理念，即載物時吊裝鎖具的安全系數(shù)≥5，載人時吊裝鎖具的安全系數(shù)≥50，確保滿足載人載物雙用途要求。

2.2 電動絞車的緊湊型整體設計

本電動絞車的電機、減速機和卷筒采用同軸式布置，結構簡單，維護方便。為縮短絞車長度，行星減速機采用內藏式(藏于卷筒內部) 設計。此外，由于電機的功率質量比較氣動馬達小很多，同等功率級別下其質量大、尺寸長，如采用常規(guī)設計，則同軸式電動絞車的整體長度將比現(xiàn)有氣動絞車長度增加約30%，即便如此也難以滿足鉆井平臺對設備長度(較短) 的要求。對此，通過對電機型式進行多次選型和優(yōu)化，最終確定“緊湊型設計”方案，即在比常規(guī)電機更大的機座上設計同功率級別的電機，去除散熱風扇，縮短電機長度，適當加大直徑，增加散熱面積，從而達到了縮短電機長度的同時又提高其散熱效率的目的。

電動絞車的緊湊型整體設計確保其長度與主流同級別氣動絞車基本一致，能滿足各型鉆機鉆臺面的空間布置要求。

2.3 緊湊型電機的內置線設計

本電動絞車采用起重用防爆交流變頻制動電機，其過載能力大、抗沖擊強、安全系數(shù)高。在電機尾部的防爆罩內設置有盤剎及編碼器。為縮短長度且要滿足戶外防潮防腐防爆要求，除采用2.2 節(jié)“緊湊型設計”外，盤剎和編碼器電纜采用“內置線”設計，即盤剎和編碼器的電纜依次從電機后端蓋、電機殼體的內部通道直達電機接線盒，防爆罩上無需設置電纜出線孔，使得電機防潮、防水和防爆性能大幅提高。同時，在對電機盤剎進行調整間隙和清理污物等日常維護工作時，只需拆除防爆罩即可，不需要拆卸電纜，讓日常檢修維保工作變得簡捷、便利、高效。緊湊型電機結構如圖2 所示。

圖2 緊湊型電機結構圖Fig.2 Structure of the compact motor

緊湊型電機采用內置線設計，一方面，適當加大了電機直徑，可安裝比常規(guī)的更大級別的制動器，提高了剎車安全系數(shù)，保證剎車散熱效果，增加了安全性；另一方面，為實現(xiàn)特殊工況應急下放人員(重物) 的功能，本絞車盤剎特別設計了具備緊急手動釋放功能的制動器，緊急情況下配合帶式剎車可將人員(重物) 安全落下。

2.4 電控系統(tǒng)的特異化設計

電氣元件特別是核心器件變頻器對環(huán)境溫度、濕度較為敏感，故電控系統(tǒng)的防潮、散熱和保溫設計顯得尤為關鍵，電控系統(tǒng)的運行環(huán)境直接影響著系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。為便于施工、搬家及現(xiàn)場維護，本電動絞車的電控系統(tǒng)采用獨立封裝式設計，自成單元，就近模塊化安裝于鉆臺區(qū)，如鋪臺和偏房等處。為滿足石油鉆井設備的防爆和防潮要求，本電控系統(tǒng)采用隔爆型設計，將所有非防爆元器件封裝在防爆柜體內，防護等級達IP56。

電控系統(tǒng)防爆柜體設計為上、下柜體獨立布局，上柜體布置變頻器等功率單元元件，下柜體布置制動電阻單元，從而避免制動電阻工作時大量產(chǎn)熱對變頻器的不利影響。同時，為保持電控系統(tǒng)所需的適宜環(huán)境溫度(－10～＋40 ℃) 和相對濕度(小于90%)，在上柜體內設置自動溫控系統(tǒng)，即在上柜體外部設置散熱片和散熱風機，在上柜體內部設置加熱器及溫控儀，以此實現(xiàn)自動溫控、定期除濕，這樣可滿足海洋、雨林、沙漠和極地等嚴苛環(huán)境下的使用要求。此外，根據(jù)鉆井平臺的不同配置，電控系統(tǒng)也可安裝于鉆機的空調恒溫電控房內，此時無需單獨增加防爆、溫控和除濕等功能。電控系統(tǒng)控制原理如圖3 所示。

圖3 電控系統(tǒng)控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of the electronic control system

2.5 電控系統(tǒng)的安全保護設計

與氣動絞車和液壓絞車相比，電動絞車無高壓傷害風險，但存在觸電風險。絞車主體的電機由變頻器電力驅動，非運轉狀態(tài)變頻器不輸出電能，此時無觸電風險，而當絞車運轉時則存在觸電風險。因此，本電動絞車采用TN－S 系統(tǒng)以及等電位接地，電力拖動系統(tǒng)具備完整的過電流、過電壓、欠電壓和接地保護回路，電氣故障發(fā)生時，電氣回路能自動分斷電源，實現(xiàn)斷電保護功能。同時，對操作者頻繁接觸的操作(手柄) 盒和控制箱兩處控制單元采用24 V DC 安全電壓設計，最大程度地降低觸電風險，保護人員及設備安全。

2.6 自動排繩與壓繩的一體化設計

自動排繩器安裝在絞車架上方，其動力來自卷筒軸頭，通過計算合適的傳動比，可滿足鋼絲繩在卷筒體上每纏繞一圈，自動排繩器主體轉動一個鋼絲繩當量直徑的距離。與此同時，在絞車卷筒體的出繩側安裝壓繩器，在彈簧張緊力的作用下壓繩器始終緊壓鋼絲繩，如此可消除鋼絲繩在空載放繩工況下的“松繩”及纏繩工況下的“騎繩”現(xiàn)象。排繩器與壓繩器的一體化運用，取得了良好的排繩效果。

3 安全保護功能

3.1 多重剎車功能

采用能耗制動＋盤式剎車＋帶式剎車三重剎車方式，確保絞車滿足鉆井輔助提升作業(yè)中頻繁啟動、停止和剎車的使用要求。能耗制動和盤式剎車兩種剎車方式能跟隨操作手柄/旋鈕的動作實現(xiàn)自動切換，即絞車電機使能時能耗制動切入，絞車電機開始工作時盤式剎車退出，反之亦然，始終保持絞車駐車制動、斷電剎車和故障剎車，足以滿足所有工況的使用要求；帶式剎車通常應對緊急釋放等特殊情況，確保應急情況下人員與設備安全。

3.2 零伺服保護功能

選用國內著名品牌的起重專用變頻器，其閉環(huán)矢量控制技術具備零伺服保護功能。當出現(xiàn)盤式剎車故障時，系統(tǒng)會自動檢測盤式剎車狀態(tài)，并控制電機輸出扭矩實現(xiàn)自動懸停。同時，系統(tǒng)會不斷發(fā)出聲光警示，提醒操作人員實施應急處理和排除故障，由此進一步提高了絞車運行的安全性。

3.3 雙重急停功能

在絞車(手柄) 操作盒及防爆控制箱上均設置了緊急停止按鈕，緊急狀況可實現(xiàn)系統(tǒng)快速急停和盤式剎車抱閘。雙重急停設計，避免了單一急停開關故障時無法應急響應的情況，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

3.4 限位保護及限位釋放功能

在絞車卷筒輸出軸頭上設置上、下限位裝置，當絞車(吊鉤) 運行范圍超過設定的行程范圍時，會自動觸發(fā)限位開關，絞車則立即停止運行并投入剎車，確保安全。限位裝置動作后，必須長按限位釋放復位按鈕方可重回設定行程，然后絞車才會繼續(xù)正常運轉。限位保護及限位釋放功能既保證了設備運行安全，又滿足了操作的便捷性。

3.5 應急釋放功能

絞車盤式剎車具備手動緊急釋放功能，如遇長時間斷電等特殊狀況，可配合使用帶式剎車以手動模式調整盤式剎車力矩，將人員或重物安全而平穩(wěn)地緩慢下放。

3.6 過載保護及松繩警示功能

在安全負載范圍內，通過設置變頻器的過載保護系數(shù)，可按需設定絞車的最大提升閾值，當絞車提吊負載超過設定上限時，絞車系統(tǒng)自動停止運行并報故障警示。通過設置變頻器的松繩保護系數(shù)，當絞車負載低于設定下限時，系統(tǒng)發(fā)出警報提示。

3.7 電氣保護功能

本絞車使用起重專用變頻器，具備斷電保護、過壓保護、失壓保護、失速保護和過流保護等安全保護功能。

4 試驗及現(xiàn)場應用

4.1 產(chǎn)品試驗

DJB－5/50×35－R 型載人載物電動絞車研制成功后，為確保其各項性能指標達到設計要求，對其進行了嚴格的工廠試驗。試驗內容主要包括:絞車基本性能試驗、空運轉試驗、負載性能試驗、剎車性能試驗、噪聲性能試驗、安全釋放功能試驗、靜止剎車力矩性能試驗以及過載保護、松繩保護、限位保護、零伺服保護等安全保護功能試驗。

試驗結果表明，該載人載物電動絞車各項參數(shù)指標均達到設計要求，其性能出色、工作可靠、安全性強、適用性廣。與同級別氣動(載人) 絞車相比，其在提升能力、提升速度、能耗比、噪聲以及安全性能等方面均有較大的優(yōu)勢。載人載物電動絞車與氣動絞車性能參數(shù)對比見表1。

根據(jù)表1 中數(shù)據(jù)，對載人載物電動絞車性能評價如下。

表1 載人載物電動絞車與氣動絞車性能參數(shù)對比Table 1 Comparison of performance parameters between people/cargo-carrying electric winch and pneumatic winch

(1) 提升能力:載物氣動絞車最大提升能力50 kN，而該電動絞車具有較強的過載能力，可實現(xiàn)2 倍短時過載及1.2 倍額定載荷長期過載。

(2) 提升速度:輕載(≤650 kg) 工況，載物氣動絞車與該電動絞車最大提升速度相當，重載工況(≥2 500 kg)，該電動絞車提升速度比載物氣動絞車提高了50%。

(3) 能耗比:輕載高速時，載物氣動絞車與該電動絞車能耗比為32 ∶1；重載慢速工況，載物氣動絞車與該電動絞車能耗比為4 ∶1。

(4) 噪聲:該電動絞車比氣動絞車降低噪聲約15%。

4.2 現(xiàn)場應用

2020 年10 月，兩臺DJB－5/50×35－R 載人載物電動絞車分別在甘肅省慶陽市慶城地區(qū)長慶鉆井總公司所屬40657 和50710 鉆井隊進行了工業(yè)性應用，至今已連續(xù)應用10 個月，設備運轉安全平穩(wěn)，無故障。

截至2021 年7 月，累計50 多套DJB－5/50×35－R載人載物電動絞車分別在新疆、四川、陜北、青海和內蒙等油田相繼投入應用?，F(xiàn)場應用結果表明，該絞車操作簡單、維護方便、性能可靠，完全滿足沙漠、雨林和寒冷等地區(qū)石油鉆井輔助提升作業(yè)中的載人載物雙用途要求。

5 結論

(1) DJB－5/50×35－R 型載人載物電動絞車在石油鉆機輔助提升設備領域屬于開創(chuàng)性的應用，實現(xiàn)了“一機兩用”的功能，節(jié)省了設備綜合采購成本，尤其是與當前國內石油鉆機廣泛應用的英格索蘭氣動載人絞車相比，節(jié)省成本80%以上，另外還節(jié)省了1 臺載人絞車的鉆臺布置空間。

(2) 該載人載物電動絞車采用雙設計安全系數(shù)，設置過載保護、急停保護、斷電保護、限位保護、零伺服保護、松繩保護以及緊急釋放等安全保護功能。該絞車性能可靠、安全高效、節(jié)能環(huán)保、操作簡單、維護方便，完全滿足石油鉆井輔助提升作業(yè)中的載人載物雙用途要求，具有較高的推廣應用價值。