鉆井液用離心機傳動方案設計與評價

范　強，國國敬，李鵬宇，糾松濤，陳　彬（西南石油大學　機電工程學院，成都610500）

鉆井液用離心機傳動方案設計與評價

范強，國國敬，李鵬宇，糾松濤，陳彬
（西南石油大學機電工程學院，成都610500）

目前，石油礦場鉆井液固控系統所用離心機均為臥式螺旋沉降離心機，其使用效果主要取決于分離因數和轉鼓與螺旋的轉速差。利用功能原理設計理論對其傳動和差速裝置進行改進和創新，提出多種傳動方案；采用模糊綜合評判對不同的傳動方案進行了評判，得出雙電機變頻同步齒形帶傳動方案具有較好的綜合性能。該研究可為鉆井液用離心機的改進設計和新產品的開發提供參考。

鉆井液；離心機；傳動方案；模糊綜合評判

鉆井液用臥式螺旋沉降離心機的主要作用是清除有害固相和回收有用固相，在離心力場的作用下，固相沉降到轉鼓內表面上，通過螺旋輸送器輸送到轉鼓小端的排渣口排出，處理后的澄清液從轉鼓大端溢流口排出并返回鉆井液循環系統［1-2］。目前，石油礦場所用的離心機主要有WL 355、WL 450和WL 600 3種類型，但其處理量均不能滿足鉆井液全排量處理要求；需要開發處理量大、使用性能好的新型離心機。本文采用功能原理設計理論對傳動裝置進行改進和創新，提出多種傳動方案；并采用模糊綜合評判對不同的傳動方案進行了模糊綜合評判，最后做出合理的評價與選擇。

1　傳動方案功能原理設計

功能原理設計是在保證實現功能的前提下，可以采用各種不同的原理、機構和結構來實現所要求的功能，它是一種創新構思的過程，力求提出較多的解法以供比較和選擇［3-7］。通過功能分析，我們可以把離心機傳動的總功能分解為3個功能元，如圖1所示。

圖1　傳動系統功能分解

根據動力源、傳動方式和差速器選擇的不同，列出傳動方案形態矩陣如表1所示。

表1　傳動方案形態矩陣

由表1分析得，傳動方案有5×5×4=100種。

1）動力源的選擇。柴油機具有自持能力，但從環保方面考慮，使用柴油機的污染、噪聲大，且柴油機的體積比電機大，占用空間大。因此，選用電機作為動力源較合適［8-9］。

2）動力源輸出端的傳動方式選擇。齒輪傳動和鏈輪傳動齒的傳動效率高，使用壽命長，但兩者的制造、安裝要求較高，過載時起不到保護。液力傳動承載能力大，易于無級調速，但需要附加泵站和輸送管道，這就使離心機的結構復雜和笨重。因此，選用帶傳動方式。V帶傳動具有過載打滑、運轉噪聲低和緩沖吸振的優點，但是不能保證精確的傳動比，傳動效率低；同步齒形帶傳動可保證傳動同步，同時提高了帶傳動的傳動效率和傳動比［10］。

3）差速傳動裝置。要求能夠滿足轉鼓與螺旋輸送器之間轉速差，并且保證差轉速恒定。

綜合以上分析，可采用如下5種方案［11-12］：

1）方案1。A2+B1+C1（單電機行星齒輪差速器傳動），如圖2。

主電機通過皮帶輪、行星齒輪差速器帶動轉鼓和螺旋輸送器以一定的轉速高速旋轉。這種傳動方式的離心機適應性和通用性較差，不能調節速差，并且在重載荷下安全啟動時，需要配備大功率電機。

圖2　單電機行星齒輪差速器傳動系統

2）方案2。A2+B1+C3（單電機電磁渦流差速器傳動），如圖3。

單電機驅動轉鼓旋轉，轉鼓與螺旋輸送器間的差速由電磁渦流差速器產生。這種驅動方式便于控制、節約能源，但其轉矩小，螺旋輸渣受到限制。

圖3　單電機電磁渦流器傳動系統

3）方案3。A3+B1（單電機液壓馬達傳動），如圖4。

通過控制流量泵的流量來改變馬達轉速，以實現轉鼓轉速和轉鼓與螺旋輸送器之間差速的任意調節。單電機液壓馬達驅動，具有較大的轉矩、速差控制方便，并且取消了結構復雜的差速器。但液壓馬達是高精度、高技術含量的部件，價格也偏高。

圖4　單電機液壓馬達傳動系統

4）方案4。A4+B1+C1（主副雙電機差速器傳動），如圖5。

主電機通過皮帶輪驅動轉鼓旋轉，副電機通過差速器帶動螺旋旋轉，通過變頻器調節主副電機轉速來實現無級調速。

圖5　主副雙電機傳動系統

5）方案五。A5+B4（雙變頻電機同步齒形帶傳動），如圖6。

采用2臺變頻調速電機，通過同步齒形帶分別驅動轉鼓和螺旋輸送器旋轉，用2個變頻器來控制變頻電機，以實現轉鼓與螺旋輸送器差速度的任意調節。這種布置取消了差速器，并且采用同步齒形帶傳動，結構緊湊，不易打滑。

圖6　雙變頻電機同步齒形帶傳動系統

2　基于模糊綜合評判法的傳動方案評價

所謂模糊綜合評判，是指對多種模糊因素所影響的事物或現象進行總的評價［13-17］。在傳動方案的設計中，因要考慮的因素很多，且許多因素還具有強烈的模糊性，為了比較各方案的優劣次序，得出有意義、有價值的評判結果，因此采用模糊綜合評判。具體評判步驟如下：

1）建立因素集。影響臥螺離心機傳動方案評判的因素，主要有設計水平、占地面積、工作性能、制造成本、維修費用和使用壽命。

U=（u1，u2，u3，u4，u5，u6）（1）

式中：u1為設計水平；u2為占地面積；u3為工作性能；u4為制造成本；u5為維修費用；u6為使用壽命。

2）建立權重集。對傳動方案的評判，需要根據自己的情況來擬定合適的比重。因此，對不同的設計者，側重點不同，權重也就不同。設計水平、占地面積、工作性能、制造成本、維修費用、使用壽命6種因素權重可記作

3）建立評價集。總評判的結果為各種滿意等級，即

V=（v1，v2，v3，v4，v5）=（好，較好，一般，較差，差）（3）

4）單因素模糊評判。單獨從1個因素出發，不同設計方案的設計水平、結構緊湊、工作性能、經濟性、使用壽命的優缺點對比如表2所示。

從單個因素出發，可確定對其備擇集V的隸屬度，即單因素評判矩陣。由表2可得出各傳動方案的因素模糊評判矩陣為式（4）～（8）。

表2　不同設計方案優缺點對比

5）傳動方案的模糊綜合評判。當注重設備工作性能時，各因素權重可確定為=（0.05，0.05，0.84，0.02，0.02，0.02）（9）

這里采用普通矩陣乘法進行模糊合成運算

同理可得其余4種傳動方案的模糊評判指標為

由上述模糊評判指標可知：當注重工作性能時，方案5的工作性能最好，其次是方案3和方案4，然后是方案2，性能最差的是方案1。

3　結論

1）采用功能原理設計對鉆井液臥式螺旋離心機進行功能分析，擇優設計出單電機行星齒輪差速器傳動系統、單電機電磁渦流器傳動系統、單電機液壓馬達傳動系統、主副雙電機傳動系統和雙變頻電機同步齒形帶傳動系統5種較好的傳動方案。

2）當綜合考慮設計水平、占地面積、工作性能、制造成本、維修費用及使用壽命時，同時注重其工作性能，鉆井液離心機應優先選擇雙電機變頻同步齒形帶傳動方案。

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Design and Evaluation of Centrifuge Transmission Scheme for Drilling Fluid

FAN Qiang，GUI Guojing，LI Pengyu，JIU Songtao，CHEN Bin
（School of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

At present，the centrifuge used in the oil field drilling controlling system for drilling flu-id，is horizontal centrifugal sedimentation centrifuge.The effect mainly depends on the separation factor and the difference rotational velocity between the drum and spiral.Some improvements and innovations for the functional principle design theory were made and a variety of drive schemes were put forward in this article.Due to the fuzzy for many factors about these drive schemes，these different drive schemes with the fuzzy comprehensive evaluation were judged and finally the reasonable evaluation and selection were obtained.The reference value to the improvement of cen-trifuge and the development of new products were definite in this study.

drilling fluid；centrifuge；transmission scheme；fuzzy comprehensive evaluation

TE926

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.002

1001-3482（2015）12-0006-04

2015-06-04

范強（1964-），男，河南平頂山人，副教授，碩士，主要研究方向為石油鉆采設備及現代設計理論與方法，Email：fanqiang818＠sina.com。