永磁直驅絞車在地質鉆探中的應用

李　超，宋殿蘭，劉家榮

（北京探礦工程研究所，北京100083）

永磁直驅絞車在地質鉆探中的應用

李超*，宋殿蘭，劉家榮

（北京探礦工程研究所，北京100083）

為了滿足深孔能源普查和勘探的需要，研發永磁直驅絞車用于地質鉆探中，代替原有系統的主副絞車完成提下鉆和送鉆工作，并直接驅動卷筒實現無級調速，取消減速機構及輔助剎車機構，結構簡單，操作方便。

永磁電機；直驅；絞車

1　概述

根據“找礦突破戰略綱要”工程的需要，我國著重加強地質鉆探設備的機械化和自動化技術水平提升，而在地質鉆機中起著重要作用的起升系統成為了改進的重要環節。目前地質鉆機中常有的絞車有2種形式，即電動絞車和液壓絞車。電動絞車通常為異步電機經齒輪減速器同步帶動卷筒，在電動機與減速器輸入軸之間裝有制動器。液壓絞車通常為液壓馬達通過行星齒輪減速驅動主軸和卷筒旋轉。這2種絞車均需經減速器方能實現低速運行，結構復雜，且能效較低，耗電量大。為了解決這一問題，使用永磁電機直接驅動卷筒，不僅簡化了起升系統，同時拓寬了低速運行范圍，節約能源，在地質鉆機應用中可屬首例。

2　地質鉆機永磁直驅絞車的特點

本文中的鉆機絞車采用永磁電機直驅，通過變頻器控制電機轉速，與傳統絞車相比取消減速機構，簡化了傳動鏈，提高了系統能效。永磁直驅絞車的結構如圖1所示，卷筒采用雙折線筒可有效防止亂繩，安全鉗為液壓常閉結構，斷電閉合，電機啟動后方可得電張開，有效保證起升機構的安全。

（1）采用雙絞車，增強了工程實用性。

（2）取消減速機構，減小設備體積和故障點，增加系統可靠性。

（3）拓寬低速范圍，適應地質鉆探的需求。

（4）工作過程中能耗剎車，可隨時懸停，無需機械剎車，降低剎車噪聲。

（5）系統能效高。

圖1　現有絞車結構示意圖

3　地質鉆機永磁直驅絞車的主要優勢

液壓驅動系統功率損失較大，效率在0.7左右，同時液壓驅動系統對于零件加工質量和濾油精度要求較高，制造和維修比較困難，且液壓油易污染。永磁直驅絞車同液壓絞車相比，能效高，系統結構簡單，易于拆卸和維護。

永磁直驅絞車運行過程中無需任何輔助設備可隨時懸停，有利于起下鉆工況中的絞車反復起停。

起下鉆時，絞車上提載荷較重，下降時載荷較輕，平均載荷較小。根據電機的自身特性，異步電機的效率和功率因數隨著負載率的降低而減小，如圖2所示。通常絞車電機按其最大工作能力進行選型，而在實際鉆進過程中，由于平均負載率較低，傳統的電動絞車不得不使用主絞車進行起下鉆，輔助絞車進行送鉆。而永磁電機具有效率和功率因數與負載率近似無關的特點，如圖3所示，使得鉆機工作過程中始終保持較高的功率因數和效率，無論頻繁起下鉆還是自動送鉆過程中，均可保持較高的功率因數和效率，從而節省大量電能消耗，具有直觀的經濟效益。

圖2　異步電動機效率和功率因數與負載率的關系曲線

圖3　永磁同步電動機效率和功率因數與負載率的關系曲線

該絞車的控制系統采用現場總線，通過編碼器反饋，計算出大鉤高度，實時鉆進深度，鉆進速度，并設置了防碰報警，避免上碰下砸事故的發生。通過壓力轉換變送器，計算出鉆壓、鉤載、懸重等數據。通過變頻器及熱敏電阻等反饋，實時顯示電機的電流、扭矩、繞組溫度等工作所需數據。

HMI觸摸屏實現絞車智能化操作，除了具有顯示報警功能外，同時可設置軟開關，減少了控制系統的機械觸點。電機轉速運行范圍、自動送鉆數據可在屏幕中修改，并在各工作數據達到報警要求時，通過觸摸屏的報警燈進行提示。

該絞車能夠輸出短時過載轉矩滿足處理井內事故的需要，通過機械和軟件互鎖避免人為操作失誤引起的危險產生。操作方便靈活，可完成原有鉆機多檔絞車才能完成的作業。自動送鉆功能的使用，不僅降低了司鉆工的作業強度，而且保證了系統穩速運行和鉆進質量。

3.1工程實用性

施工過程中，可根據起升重量選擇單機或雙機運行。提升重量較小時，僅啟動一臺絞車電機即可保證工程的進行。啟動雙絞車電機工作時，2#電機通過同步控制追隨1#電機電流和速度，保證雙絞車良好的同步工作性能。

變頻控制實現了永磁直驅絞車的無級調速，最低速度可達到0.03r/min。當因地層原因，鉆進速度較慢時，以異步電機作為主驅動的傳統絞車因其低速帶載能力較差，很難達到自動送鉆的要求，而永磁電機直驅絞車的低速運行解決了這一問題，實現自動送鉆。

采用永磁直驅絞車代替了系統中原有的主副絞車，減少了現場用電設備數量。軟件防碰報警，可在絞車接近允許的運行范圍極限時報警提醒，當達到運行范圍極限時，絞車電機停止同時液壓鉗合閘制動。

3.2鉆機的實際使用情況

該永磁直驅絞車目前已在浙江臨安市進行施工，設計井深為2520m，鉆孔井角90°，全孔連續取芯鉆進，終孔直徑?150mm。目前已鉆進至1400m，鉆機提升系統運行良好，通過起塔，鉆進，提下鉆等環節表現出了優越的性能，與傳統起升系統相比耗能較小，得到了用戶的肯定。

圖4　絞車現場圖片

4　結語

永磁直驅絞車在地質鉆機中的應用，簡化了地質鉆機提升系統的結構，減小了設備體積，降低了系統復雜性，實際應用表明，大大提高了地質鉆機提升系統的方便性，節約能源和施工成本。

［1］耿瑞倫，張林霞，冉恒謙，等.21世紀地質鉆探技術應用與發展趨勢［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2001（1）：9-13.

［2］于興軍，魏培靜，叢萬生，等.永磁電機在鉆井裝備中的應用探討［J］.石油礦場機械，2010，39（11）：80-84.

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1004-5716（2016）09-0049-03

2015-09-09

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李超（1988-），女（滿族），遼寧丹東人，工程師，現從事電氣設計及其控制工作。