一種交流變頻自動換擋絞車設計

許長生，黃照榮

(上海中曼石油裝備有限公司，上海 201306)①

?

一種交流變頻自動換擋絞車設計

許長生，黃照榮

(上海中曼石油裝備有限公司，上海 201306)①

摘要：隨著電控系統的不斷發展和鉆井自動化要求的不斷提高，交流變頻絞車的優點體現得越來越明顯，而交流變頻單速絞車不能同時滿足鉤速和鉤載要求；雙速絞車雖然可以通過換擋獲得理想的提升性能，但受機械換擋結構的制約，換擋勞動強度大，且必須停車才能換擋，效率低。應用一種新型的液壓濕式離合器，通過合理的機械結構、液壓系統及電控系統，實現了絞車的自動換擋。

關鍵詞：交流變頻；絞車；自動換擋；液壓濕式離合器

電動鉆機性能優于機械鉆機，而交流電動鉆機更優于直流電動鉆機[1]。直流電驅動鏈傳動絞車因目前的大功率鏈條性能不過關，故采用齒輪傳動的單速單軸齒輪傳動絞車[2]。因電機的恒功調速范圍較窄，不能同時滿足鉆井的鉤速和鉤載要求，設計了雙速單軸絞車，只增加了一對齒輪，有效地解決了單軸絞車鉤速和鉤載不能同時滿足的矛盾[3-4]。如何方便快捷地完成換擋成為影響絞車效率的主要因素，各鉆井設備公司也對此進行了研究，提出了多種換擋方式[5-9]，但均需要停車才能進行換擋操作。而停車必須通過點動電機，待換擋內外齒圈對中后用撥叉推動外齒圈和內齒圈完成嚙合，雖對齒形進行了修磨，有時內外齒圈也很難對中；因絞車電機不能實現理想的點動，換擋效率依然不能滿足要求。本文設計一種自動換擋的減速箱，根據絞車的工況需求自動掛合合適的擋位，無需手動換擋，減輕了司鉆工作量，提高了鉆井效率。

1絞車總體方案

1.1技術方案

絞車由2臺800 kW、0～2 200 r/min的交流變頻電機通過雙速齒輪減速箱驅動滾筒軸進行作業，通過電機的反轉實現反向轉動。主電機與減速箱、滾筒軸與減速箱均采用鼓形齒聯軸器連接。絞車為對稱布置結構，雙速齒輪箱對稱布置于滾筒左右側，減速箱齒輪采用硬齒面磨齒、斜齒輪傳動，液壓自動換擋(通過控制內置液壓濕式離合器實現)；齒輪及軸承采用強制潤滑，設置潤滑系統自動檢測裝置，一旦潤滑系統出現異常，鉆機控制系統自動實現主剎車剎車，保證減速箱安全運行。剎車采用主電機能耗制動和伊頓常閉式盤式剎車組合形式。配自動送鉆裝置，由45 kW小電機驅動大傳動比齒輪箱，經氣動推盤離合器與右減速箱輸入軸相連，經由減速箱低速擋驅動滾筒完成自動送鉆作業。傳動系統如圖1所示。

1—GII CL15鼓形齒聯軸器；2—滾筒軸總成；3—伊頓剎車；

1.2絞車主要技術參數

輸入功率

1 500 kW(2 000 hp)

電機額定輸入轉矩

10 324 N·m

輸入軸額定轉速

740 r/min

絞車擋數

2正2倒，無極調速

最大快繩拉力

485 kN

鋼絲繩直徑

?38 mm

滾筒直徑×長度

?770 mm×1 438.9 mm

最大鉤速

1.65 m/s (12繩)

4 500～7 000 m

減速箱傳動比

低速擋

11.282

高速擋

5.3

1.3提升能力和提升曲線

根據電機和減速箱的相關參數，考慮傳動效率得到絞車的提升曲線如圖2。從圖2可以看出，掛合減速箱高速擋，絞車在電機的恒功率區即可提起最大鉆柱重，速度0.5～1.05 m/s。絞車的最高鉤速能達到1.65 m/s(電機速度約2 200 r/min)，此時雙電機提升的最大鉤載為480 kN。掛合減速箱低速檔，電機在恒功率區即可提升最大載荷4 500 kN，有效利用了電機效率，延長了電機的使用壽命。

圖2　雙電機絞車提升曲線

2雙速自動換擋減速箱

該減速箱的換擋方式不同于傳動的撥叉換擋，應用了一種新式的大扭矩液壓濕式離合器，該離合器在一些行業應用已經比較成熟[10-12]。本文設計的減速箱采用該離合器，配合相應的液壓冷卻系統，可有效快捷地完成換擋操作。

2.1液壓濕式離合器

液壓濕式離合器結構如圖3所示。工作時壓力油通過旋轉接頭進入離合器缸體內，活塞把摩擦盤壓靠在擋板上，這樣離合器產生摩擦嚙合。一旦減壓，復位彈簧使活塞復位，離合器松脫。

濕式離合器和制動器的顯著優點是無磨損。嚙合時有油的冷卻作用，散熱性能好，在嚙合和脫開頻率較高的情況下尤其明顯。摩擦功比干式離合器和制動器要大。此外，濕式離合器和制動器可以用到允許連續打滑的場合，即使產生大量的熱量也可以得到有效地控制。其中最重要的是可以在同步開始和結束時達到所需傳遞的轉矩。這樣可以在驅動系統和軸系上獲得頻繁的嚙合，噪聲小。

1—復位彈簧；2—旋轉接頭；3—活塞；

2.2雙速自動換擋減速箱

絞車的自動換擋功能是通過新型減速箱來實現的，如圖4所示。啟動電機，電機通過鼓形齒聯軸器帶動輸入齒輪軸轉動，然后通過齒輪Ⅰ將動力傳動到中間軸Ⅰ。如需減速箱高速擋工作，掛合中間軸Ⅰ上的高速擋離合器，此時，中間軸Ⅰ通過空套齒輪Ⅰ和齒輪Ⅱ嚙合，將動力傳到中間軸Ⅱ，再通過中間軸Ⅱ上的齒輪Ⅳ和齒輪Ⅴ嚙合驅動滾筒軸工作；如需減速箱低速擋工作，脫開高速擋離合器，掛合中間軸Ⅱ上的低速擋液壓濕式離合器，此時通過齒輪Ⅲ和空套齒輪Ⅱ嚙合將動力傳到中間軸Ⅱ，再通過中間軸Ⅱ上的齒輪Ⅳ和齒輪Ⅴ嚙合驅動滾筒軸旋轉，實現減速箱的低速擋工作。所有操作通過控制液壓濕式離合器來實現。

1—箱體；2—齒輪Ⅴ；3—輸出軸；4—高強度螺栓；5—齒輪Ⅳ；6—中間軸Ⅱ；7—圓柱滾子軸承；8—空套齒輪Ⅱ；

3電液控制

絞車的剎車系統是由能耗制動和伊頓常閉式剎車組合而成。理想駐車過程是先由交流電機的能耗制動將滾筒速度降至基本為零，然后斷氣剎車，可保證伊頓常閉式剎車在基本無磨損的工況下工作，只有在緊急事故時才在滾筒轉動時斷氣剎車。減速箱是通過離合器將動力由電機傳遞到滾筒軸，這就要求離合器必須有效工作，且故障率要盡可能低或無故障，才能保證能耗制動及正常工況的需求。從離合器的情況來看，除保證滿足要求的安裝精度外，良好的壓力和冷卻系統非常重要。同時為防止左右減速箱的誤操作，還需設置互鎖裝置。

3.1液壓系統

液壓原理如圖5所示，減速箱控制系統需滿足以下2種工況：

1)單減速箱工作，該單減速箱可在高速擋或低速擋工作。

a—壓力傳感器；b—快換接頭；c—蓄能器；d—油壓表；

2)雙減速箱同時工作，或同時在高速擋工作，或同時在低速擋工作，擋位不同禁止運行。三位四通電磁閥在中位位置時，所有離合器均不工作。

減速箱換擋過程如下：

1)只有單減速箱工作時，可通過控制不同的電磁閥來實現。當只需要左減速箱工作時，電磁閥301工作，302處于中位。電動或手動使電磁閥301在左位，左減速箱高速離合器工作，左箱低速離合器工作油回油箱；電動或手動使電磁閥301在右位時，左減速箱低速離合器工作，高速離合器回油。同樣，當需右減速箱工作時，電磁閥301置中位，操作電磁閥302實現換擋操作。單箱的高低速互鎖是通過二位四通電磁換向閥本身實現的，不會出現同一減速箱高低速離合器同時掛合情況。

2)左右減速箱同時工作，通過同時控制301和302電磁換向閥來實現。圖中位置為空擋。如需兩個減速箱均在高速擋工作，通過手動或電動操作使301和302工作在左位，左減速箱高速離合器和右減速箱高速離合器掛合，同時左右減速箱的工作油通過或門型梭閥201控制液動二位二通閥(常閉)101和103導通，左、右減速箱的低速離合器工作油回油箱，實現擋位互鎖；如需兩個減速箱均在低速擋工作，301和302工作在右位，左、右減速箱的低速離合器掛合，同時或門型梭閥202控制102和104導通，左、右減速箱的高速離合器工作油回油箱，實現擋位互鎖。

3)兩位四通電磁閥帶有手動功能，當液壓系統或電磁閥本身出現問題時，可臨時改為手動操作。

4)該系統在每個離合器進油口處設置了壓力監控，確保離合器工作在要求的壓力下。

5)考慮到重載時離合器發熱量較大，自然冷卻不能滿足要求，配置回油冷卻器。

6)為減少離合器的嚙合時間，增加嚙合平穩性，系統中增加了蓄能器。

7)為確保系統的可靠性，對容易損壞的部件如油泵、濾清器和蓄能器進行了備份，正常工作情況下只使用一套，當其中一套出現故障時，直接使用另一套。

3.2冷卻和潤滑系統

對運動的機械零部件進行充分的潤滑是非常重要的，它直接影響機械零件的使用壽命及傳動效率。絞車潤滑系統分為3個部分，如圖6所示。

1)絞車主滾筒處的軸承為潤滑油脂潤滑，需定期加入潤滑脂。

a—流量計；b—節流閥；c—球閥；d—油壓表；

2)絞車的減速箱采用電動齒輪油泵裝置進行噴油潤滑，正常鉆井時使用1套電動齒輪油泵進行潤滑即可，另1套作為備份。2套油泵在油箱中均有各自的吸入濾清器，油泵經吸入過濾器吸油后再經過排出過濾器過濾，過濾后的油送到左右齒輪箱中，通過箱內的潤滑管路潤滑冷卻齒輪和軸承。在左、右箱進口油路上裝有流量計，通過調整節流閥調節油量。

3)離合器的潤滑冷卻系統采用2套并聯油泵裝置潤滑，正常工況只使用1套，在每個離合器的的進油管路處均配置節流閥和流量計，用于調整潤滑油流量。

3.3自動換擋電控系統

采用液壓濕式離合器后的減速箱，配合液壓系統，選擇合適的換擋時機后，通過手動或電動控制二位四通電磁換向閥，可方便地完成換擋操作，無需調整換擋花鍵的對中，極大地提高了效率。本絞車傳動方案除了避免內外齒圈嚙合換擋的不足外，可根據大鉤懸重、電機轉向等傳感器信號，判斷鉆機工作工況，自動判斷并掛合相應的高速或低速離合器，完成換擋操作。自動換擋系統主要由液壓濕式離合器的絞車機械部分、離合器的液壓系統、離合器的冷卻系統、傳感器及PLC控制系統組成。

絞車換擋過程是首先判斷鉆機是處于正常鉆井過程還是完鉆起鉆過程(含鉆頭更換)，如是完鉆起鉆(含鉆頭更換)過程，上提時，判斷載荷是否大于G1(G1約為最大鉆柱重的90%)，若大于G1，保留低速擋；如果小于G1，換高速擋；下放時保持原擋位不變，同時監測大鉤高度，當提升系統最下端離臺面距離低于H1(H1和H2需根據整個游動系統阻力及泥漿浮力情況設定)值時，換低速擋。正常鉆井過程時，如果是上提鉆具過程，首先判斷載荷是否大于G1，如大于G1，保持低速擋；如果載荷小于G1，換高速擋；如是下放鉆具過程，保留原擋位不變，當提升系統最下端離臺面距離低于H2數值時，換低速擋。同時該系統需和鉆機上碰、下砸系統互鎖，避免發生事故。

在液壓和冷卻系統中均設置傳感器，一旦出現出現故障，直接停機。液壓系統中設有保壓結構，可在壓力突然失去時保持離合器的工作狀態，且蓄能器中有一定油量的儲備，可實現整個鉆具的坐卡。電磁閥帶有手動功能，可通過手動操作實現絞車的換擋操作。

4結論

1)該絞車可根據實際工況自動選取合適的擋位，減少停機時間，無需手動換擋，減輕司鉆工作強度，減少電機功率損耗，節省鉆井成本。

2)剎車釆用電動機的能耗制動與氣控盤式剎車的組合形式，只有一個手柄和一個旋鈕即可實現操作，操作簡單。

3)該種形式的絞車容易實現絞車的系列化。因其液壓系統基本相同，只需根據不同級別鉆機的技術參數選擇不同的輸入電機和減速箱的傳動比和輸入轉矩，即可完成不同級別絞車設計。

4)絞車起下鉆過程實現機械化是實現鉆機機械化、自動化甚至是智能化其中的一個關鍵環節[10]，該絞車可為未來鉆機的智能化提供一種選擇。

參考文獻：

[1]陳如恒.破除舊觀念創造新鉆機(一)[J].石油礦場機械，2008，37(3)：1-5.

[2]張連山.美國新型單軸齒輪傳動絞車[J].石油機械，2003，31(增刊)：110-112.

[3]陳如恒.破除舊觀念創造新鉆機(二)[J].石油礦場機械，2008，37(4)：1-8.

[4]周天明，彭勇，賈秉彥，等.JC-90DB兩擋齒輪傳動單軸絞車設計分析[J].石油機械，2008，36(12)：35-37.

[5]George W W，Beverly H，Calif.DRAWWORKS TRANSMISSION：USA，393229[P].1941-05-13.

[6]Carl H W，Beaumont，Tex.SHIFTING APPARATUS FOR A DRAWWORKS TRANSMISSION：USA，4683994[P].1987-08-04.

[7]劉杰. 鉆機絞車氣換擋機構的改進[J].石油礦場機械，2006，35(2)：65-68.

[8]楊慧，齊明俠.基于單片機的石油鉆機絞車自動換擋系統[J].石油礦場機械，2007，36(5)：51-54.

[9]樊春明，文紹成，陳思祥，等.石油絞車新型換擋機構：中國，200720032335.7[P].2008-11-12.

[10]陳如恒.破除舊觀念創造新鉆機(五)[J].石油礦場機械，2008，37(7)：1-10.

[11]Ishizuka，Masayuki K，Hui，Jing Kanagawa.Electric motor with wet type brake and wet type clutch：European patent application，EP2840690A1[P].2014-05-27.

[12]Motoyama，Sumio.Transaxle device：European patent application，EP 22857243A2 [P].2014-05-09.

Design and Analysis of a VFD Auto-gearing Drawworks

XU Changsheng，HUANG Zhaorong

(ZhongmanPetroleumEquipment(Shanghai)Co.，Ltd.，Shanghai201306，China)

Abstract：VFD Dual-speed Drawworks is commonly used in drilling，the ideal performance curve can be obtained by changing the shifting，but it must be stopped before shifting，it is difficult to finish the gear changing.In view of this situation，a new type of hydraulic wet clutch in our drawworks is used，and its mechanical structure，hydraulic system and electronic control systems are designed to finish the process of Auto-gearing automatically.

Keywords：VFD；drawworks；auto-gearing；hydraulic wet clutch

中圖分類號：TE923

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.009

作者簡介：許長生(1980-)，男，河南信陽人，工程師，碩士，主要從事石油鉆井機械研究，E-mail：xcs209@163.com。

收稿日期：①2015-09-06

文章編號：1001-3482(2016)03-0042-05