直流伺服電動機用于石油測井儀推靠裝置的分析

趙發明,鹿蔚旭，閻治安

(1西京學院，陜西西安 710123；2中國電建青海火電工程公司，青海西寧 810000)

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直流伺服電動機用于石油測井儀推靠裝置的分析

趙發明,鹿蔚旭，閻治安

(1西京學院，陜西西安 710123；2中國電建青海火電工程公司，青海西寧 810000)

針對石油測井中現有液壓、氣囊式推靠裝置所存在的問題，對直流伺服電動機用于石油測井儀推靠裝置進行了分析，提出了石油測井儀推靠裝置設計方案，設計出了直流伺服電動機、傳動系統以及推靠裝置的控制器。實踐證明，該裝置具有結構簡單、運行可靠等特點。

直流伺服電動機；推靠裝置；傳動系統；控制器

0 引言

石油是國民經濟的命脈，隨著石油需求量的不斷增加，全球石油天然氣儲量的自然遞減，開采難度不斷增加[1]。因此，就需要更加精確有效的勘探手段來判斷礦井中有無油氣藏以及油氣藏的面積大小。近幾年出現的地震勘探技術在國內外被廣泛采用，被認為是一種很有發展前景的測井技術[2]。為了保證勘探過程中地震波信號的采集質量，人們設計了帶推靠裝置的測井儀。推靠裝置作為石油測井儀器中的關鍵機構，一方面通過施加足夠的推靠力，使測井儀器緊貼井壁以確保安全工作；另一方面將震波發生器產生的地震波經推靠裝置中的推靠機械塊傳遞出去，有效地消除了由于儀器振動對信號采集質量的影響[3、4]。

1 現有推靠裝置存在的問題

目前國內外生產的推靠裝置主要有氣囊型、液壓型和機械型三大類，但這些推靠裝置或多或少地存在制造成本高、加工難度大、使用不方便等問題[5]。

1.1 氣囊型推靠裝置

氣囊型推靠裝置通過逐節對氣囊充氣來實現推靠動作，這種推靠裝置雖然結構簡單，柔韌性好，但是需要龐大的地面氣壓站支持，而且氣囊剛度小，推靠力不穩定，將對檢波器的頻響以及測試精度影響較大。

1.2 液壓型推靠裝置

液壓型推靠裝置根據液壓平衡原理和體積補償原理，使得推靠動作平穩，推靠力大，動力系統的密封性好，從根本上解決了氣囊式推靠裝置剛度不夠的問題。但是，液壓型推靠裝置需要龐大復雜的地面液壓控制系統，這不僅需要在地面設置液壓站，進行一系列的管路布置，而且拆裝極為不方便，過程繁瑣成本高。

機械型推靠裝置目前在國內外使用比較普遍，其典型產品是斯倫貝謝公司(Schlumberger)生產的32臂井徑成像測井儀中的推靠裝置[6]。目前市場上存在的機械型推靠裝置存在的主要問題是機構復雜、可靠性低，機構運動到位時推靠力不足，這些缺陷嚴重影響了測井信號的采集質量，有時甚至造成生產事故。

國內在測井儀推靠裝置方面的研究比較少，被廣泛采用的產品不多。所以設計一種結構簡單、可靠性高、密封性好、成本低廉的推靠裝置來克服上述缺點是石油、礦物勘探中急需解決的現實問題。

2 石油測井儀推靠裝置設計

為了解決現有技術中存在的問題，本文設計了一種石油測井儀推靠裝置，能夠有效保證該裝置在惡劣狀況下能順利作業。推靠裝置由直流伺服電動機、扭矩限制器、超越離合器、滾珠絲杠、位移傳感器、連接桿和碟簧組成。其工作原理是通過直流伺服電動機帶動機械傳動機構(滾珠絲杠、推力桿等等)，使得推靠機械塊慢慢張開并與井壁緊密耦合，完成推靠動作，方能完成后續的地震測井。

2.1 直流伺服電動機設計要點

直流伺服電動機實際上是永磁直流電動機和齒輪減速器的組合體。設計上使電動機的轉速轉矩經過齒輪減速機構以低轉速、大力矩輸出。對所設計的直流伺服電動機要求比較特殊，其參數如表1所示。減速器的參數還有減速比和轉矩放大倍數，其中減速比為1166 ∶1，轉矩放大倍數為896。

表1 直流伺服電動機參數

2.1.1 直流伺服電動機材料選擇

由于直流伺服電動機在大于200℃的環境溫度下工作，選用的材料必須有足夠的耐熱性、熱穩定性、機械強度和介電強度[7]。金屬材料應選機械強度高、耐磨性好、容易加工的。少數零部件需選用特殊的金屬材料。電機絕緣采用國內比較高級的、主要是聚酸亞胺系絕緣材料，屬于C級絕緣，只有極少數部件采用H級絕緣。線圈、槽絕緣及換向器的片間絕緣均選用耐高溫、耐腐蝕聚酞亞胺絕緣材料， 其長期使用溫度規定為260℃，短期工作溫度有時可達400℃。

2.1.2 減速器

所謂互聯網+家校共育，是指學校和家庭被互聯網連接為一個整體，通過學校網站、QQ群、微信群等網絡平臺，共同探討教育方法，從而使傳統的單點家校溝通變成多點交織的網狀結構。實施互聯網+家校共育，需要打造互聯網+家校共育機制，打造家校溝通平臺，打造家長委員會線上溝通群。要充分發揮互聯網方便快捷的優勢，做到家校隨時隨地溝通交流。

采用周轉輪系四級行星齒輪減速方式。其特點是減速比大、結構緊湊、體積小、傳遞力矩大，可以方便地實現力矩的輸入與輸出同軸線傳動。每一級減速器有四個行星齒輪，齒輪受力均勻，負載能均勻分布在四個行星輪上，運轉平穩。這種減速器的加工精度要求較高，運轉的平穩性、傳動效率、齒輪壽命都與加工精度直接相關。

2.2 傳動系統設計

推靠裝置傳動系統如圖1所示，它是由直流伺服電動機、扭矩限制器、超越離合器、滾珠絲杠、位移傳感器、連接桿和碟簧組成，其作用是將直流伺服電動機的旋轉運動轉換為沿絲杠的直線運動，在推桿和推靠板的作用下帶動推靠臂張開或收攏，從而完成測井儀器的推靠和回收動作。

圖1 推靠裝置傳動系統

2.2.1 扭矩限制器

推靠裝置傳動系統所用扭矩限制器結構簡單、限位方便(要求可調)、占用空間小，其主要特點如下。

(1)當沖擊、 過載時，通過打滑來限制傳動系統中的扭矩。當過載消除后，設計上能滿足自動復位，可反復使用。

(2)對負載變化反應靈敏，精確度高，脫開動作準確，復位及時。

(3)在一定范圍內扭矩任意調節，使用范圍廣。

2.2.2 超越離合器

超越離合器采用雙向楔塊式結構，一端軸孔接主動軸；另一端軸孔接從動軸。當外環不動而主動軸順時針或逆時針轉動時，從動軸也同步轉動；當從動軸受外力矩的作用時，順時針或逆時針都不能轉動。與滾珠絲杠配套使用，雙向自鎖。 這樣既為儀器推靠力度提供保證，也可在過載時保護直流伺服電動機不受損害。

2.3 推靠裝置控制器設計

推靠裝置的控制器設計采用井上交流供電，井下實現推靠控制的方案。推靠裝置控制電路原理框圖如圖2所示。

圖2 推靠裝置控制電路原理框圖

測井時，地面電纜 1#、2# 提供交流220 V電壓，經變壓器降壓至120V后傳給繼電器 K1，繼電器 K1接到 DSP 采集控制命令后吸合，120V 交流電壓通過繼電器 K1，經過整流和濾波電路，轉換成 115V 直流電壓，繼電器 K2接到 DSP 控制命令后開關動作改變電壓的極性，控制直流伺服電動機的正反轉，從而實現直流伺服電動機推靠執行機構-推靠臂的推開和收攏。

推靠控制板為整個控制器的核心，主要采用TMS320F2808DSP模塊發出推開和收攏的控制命令，通過驅動器 NCV1413BDG對推靠器控制電路的繼電器進行控制，使繼電器開關動作，完成推靠臂推靠功能，推靠裝置控制原理圖如圖3所示。

圖3 推靠裝置控制原理圖

3 實驗結果分析

經過現場測井實驗，該推靠裝置設計方案滿足了測井要求，且實現了自動控制。推靠裝置實測數據表如表2所示。

表2 推靠裝置實測數據表

電源電壓115V施加到電樞繞組，測得空載轉速8010r/min；推靠過程中，推靠動作時電動機的電流表讀數為77.5mA，在該裝置靠緊過程中電流表讀數逐漸增加，到大于180mA時，直流伺服電動機將自動斷電，完成推靠動作，則測井裝置在井中進行可靠地測井。當測井結束推靠裝置開始收臂，收臂動作時測得電動機電流表讀數為65mA。設置繼電器斷電延時時間為115ms。當推靠裝置控制電路通電時間大于115ms時，推靠裝置控制電路斷電，推靠裝置停止工作。由于直流伺服電動機自動控制電路的斷電電流與時間控制構成了雙重保護，經試驗證明可以提高推靠裝置工作的可靠性。

4 結語

本文設計的石油測井儀推靠裝置已經在西安某測井公司進行多次實際測井，應用情況良好，這表明該裝置具有成本低廉，運行可靠，推靠力大等特點，相比同類氣囊型、機械型以及現有機械型推靠裝置大大降低了成本，提高了安全系數，為井下地震數據采集和物質勘探提供了一種更加高效、安全的方法。

[1] 呂元穎,李永紅.石油存儲參數測井儀[J].計量與測試技術,2005,32(6):30-32.

[2] 王炳章,王丹，等.油氣勘探技術發展趨勢和發展水平[J]. 油氣勘探與開發, 2011,16(5):46-55.

[3] 閆永平.新型組合井徑測井儀器[J]. 測試技術,2004,28(4):332-333.

[4] 趙金秋,邵芳.八臂滾輪扶正器[J]. 石油儀器,2006,21(5):23-27.

[5] 王會來，楊建璽.新型測井儀推靠裝置的設計和分析[J]. 西安科技大學學報，2009,29(2):209-212.

[6] 秦世群.油井連續測井儀的研制與應用[J].石油機械,2005,33(6):64-68.

[7] 陳隆昌，閻治安，劉新正. 控制電機[M]. 西安:西安電子科技大學出版社，2013.

Analysis on DC Servo Motor Used in Pushing Device of Petroleum Logging Instrument

ZhaoFaming,LuWeixu,andYanZhian

(1.Xijing University, Xi′an 710123, China；2.PowerChina Qinghai Thermal Power Construction Company, Xining 810000, China)

In view of the problems existing in hydraulic gasbag pushing device for petroleum well logging, this paper analyzes DC servo motor used in the pushing device of petroleum well logging instrument and proposes a design scheme of the device including DC servo motor, driving system and controller of the pushing device. The practice has proved that the device has the characteristics of simple structure and reliable operationo.

DC servo motor；pushing device；driving system；controller

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.06.02

TM383.4+1

A

1008-7281(2016)06-0004-003

趙發明 男 1988年生；西京學院研究生，研究方向為伺服電機CAD及其控制.

2016-07-26