修井機(jī)油電雙驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王仁鵬，楊兵，雷凱龍，李鵬，王寶全

（陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

修井機(jī)油電雙驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王仁鵬，楊兵，雷凱龍，李鵬，王寶全

（陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

針對(duì)現(xiàn)有油電雙驅(qū)修井機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動(dòng)效率低和動(dòng)力切換不可靠的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一種新型油電雙驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)分電驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)兩種動(dòng)力傳動(dòng)路線；電驅(qū)動(dòng)直接從井場(chǎng)電源取電，利用超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置進(jìn)行充放電，通軸電機(jī)帶動(dòng)各傳動(dòng)部件完成動(dòng)力傳遞；機(jī)械驅(qū)動(dòng)從發(fā)動(dòng)機(jī)取力，經(jīng)過(guò)各傳動(dòng)部件完成動(dòng)力傳遞。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，不僅提高了修井作業(yè)時(shí)動(dòng)力傳動(dòng)效率，而且節(jié)約了修井成本。通過(guò)試驗(yàn)，該系統(tǒng)適用良好。

修井機(jī)；油電雙驅(qū)；動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

CLC NO.:U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-60-03

前言

為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策，降低油田修井作業(yè)成本，油電雙驅(qū)修井機(jī)得到大力推廣和應(yīng)用。其中修井機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)直接影響整車的使用壽命，因此該系統(tǒng)傳動(dòng)路線的設(shè)計(jì)尤為重要，簡(jiǎn)單可靠的傳動(dòng)路線不僅可以提高動(dòng)力傳動(dòng)效率，提升整車性能，而且還會(huì)降低整車作業(yè)成本。

1、現(xiàn)有油電雙驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

現(xiàn)有油電雙驅(qū)修井機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)由各部件并聯(lián)組成，如圖1所示。該系統(tǒng)分為電驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)兩條傳動(dòng)路線，電驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)路線為：電容儲(chǔ)能裝置→調(diào)頻電機(jī)→分動(dòng)箱Ⅰ→聯(lián)軸器→變速箱→傳動(dòng)軸→角傳動(dòng)箱→絞車；機(jī)械驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)路線為：取力器→分動(dòng)箱Ⅱ→液力變矩器→分動(dòng)箱Ⅰ→聯(lián)軸器→變速箱→傳動(dòng)軸→角傳動(dòng)箱→絞車。此傳動(dòng)路線具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用空間大、維修性差等缺陷，因此大大降低了整個(gè)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率。

圖1 現(xiàn)有油電雙驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

2、新型油電雙驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

2.1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

為解決現(xiàn)有油電雙驅(qū)修井機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的不足，設(shè)計(jì)了一款新型油電雙驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用串聯(lián)形式，主要元件包含：新型分動(dòng)箱、可移位聯(lián)軸器、通軸電機(jī)、聯(lián)軸器、新型三檔角傳動(dòng)箱、絞車。其中新型分動(dòng)箱輸出軸、可移位聯(lián)軸器、通軸電機(jī)、聯(lián)軸器、新型三檔角傳動(dòng)箱同軸設(shè)計(jì)，提高了傳動(dòng)效率，縮短了傳動(dòng)路線，減少了傳動(dòng)元件，達(dá)到節(jié)約成本、降低能耗的目的。

2.2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.2.1 傳動(dòng)路線的確定

修井作業(yè)時(shí)，根據(jù)井場(chǎng)實(shí)際情況，優(yōu)先選擇電驅(qū)作業(yè)。

油電雙驅(qū)傳動(dòng)路線如下：

2.2.2 設(shè)計(jì)方案的確定

修井作業(yè)時(shí)，首先操作分動(dòng)箱的手柄切斷底盤動(dòng)力，然后根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)基本情況，選擇最優(yōu)、最經(jīng)濟(jì)的傳動(dòng)路線方案進(jìn)行作業(yè)。

電驅(qū)動(dòng)作業(yè)時(shí)，首先通過(guò)可移位聯(lián)軸器的操作手柄斷開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力源，通軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器、新型三檔角傳動(dòng)箱、絞車依次進(jìn)行動(dòng)力的傳遞。

機(jī)械驅(qū)動(dòng)作業(yè)時(shí)，首先切斷通軸電機(jī)勵(lì)磁裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)軸輸出到新型分動(dòng)箱、可移位聯(lián)軸器、芯軸（通軸電機(jī)）、聯(lián)軸器、新型三檔角傳動(dòng)箱、絞車依次進(jìn)行動(dòng)力的傳遞。

圖2 新型油電雙驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

新型油電雙驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)現(xiàn)有的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，在動(dòng)力切換傳遞過(guò)程中，通軸電機(jī)的芯軸一軸兩用，不但縮短了傳動(dòng)路線，而且提高了其傳動(dòng)效率，從而降低了成本。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如2所示。

2.2.3 傳動(dòng)效率的確定

根據(jù)結(jié)構(gòu)已知：傳動(dòng)軸的效率：η傳=0.98；分動(dòng)箱Ⅰ的效率：ηⅠ分=0.96；聯(lián)軸器的效率：η聯(lián)=0.99；角傳動(dòng)箱的效率：η角=0.98；變速箱的效率：η變=0.98；惰輪的效率：η惰=0.98；離合器的效率：η離=0.99；滾筒的效率：η滾=0.97；分動(dòng)箱Ⅱ的效率：ηⅡ分=0.98；液力變矩器：η液=0.85；芯軸（通軸電機(jī)）η通軸=0.98；新型三檔角傳動(dòng)箱的效率：η新角=0.97；鏈條的效率：η鏈=0.96；新型分動(dòng)箱的效率：η新分=0.96；可移位聯(lián)軸器的效率：η可=0.99[1]。

1）現(xiàn)有動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率確定：

2）新型動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率確定：

3）傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率對(duì)比分析確定：

2.3 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要部件三維模型設(shè)計(jì)及參數(shù)

根據(jù)確定的設(shè)計(jì)方案及傳動(dòng)效率的要求，首先計(jì)算該動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要部件的參數(shù)，再利用CATIA軟件建立傳動(dòng)系統(tǒng)主要部件三維模型，分析計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)尺寸和干涉情況。在建立三維模型時(shí)，先確定系統(tǒng)傳動(dòng)力路線主軸的同軸度，再建立各個(gè)部件的連接固定平臺(tái)，最后搭建連接傳動(dòng)系統(tǒng)中的主要部件及相關(guān)附件。

圖3 新型油電雙驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)三維模型

2.3.1 新型分動(dòng)箱三維設(shè)計(jì)

圖4 新型分動(dòng)箱三維模型

表1 新型分動(dòng)箱參數(shù)表

在修井機(jī)作業(yè)過(guò)程中，新型分動(dòng)箱動(dòng)力傳遞具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①具有一個(gè)輸入口和四個(gè)輸出口（X液壓泵、Y液壓泵、上裝、底盤），采用強(qiáng)制加飛濺潤(rùn)滑方式，滿足長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)作業(yè)需求；②傳動(dòng)軸的傳動(dòng)角度接近直線狀態(tài)，提升了傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和壽命，同時(shí)也提高了傳動(dòng)效率；③焊接鑲套式箱體的合理設(shè)計(jì)使得箱體加工成本低，工藝性簡(jiǎn)便；④動(dòng)力切換裝置設(shè)有鎖緊機(jī)構(gòu)，降低故障及誤操作。

新型分動(dòng)箱三維數(shù)模及主要參數(shù)如上。

2.3.2 可移位聯(lián)軸器三維設(shè)計(jì)

可移位聯(lián)軸器是一種軸向彈性聯(lián)軸器，有效地降低傳動(dòng)軸運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊。可移位聯(lián)軸器兩軸端由齒型鍵連接，在圓周方向相互錯(cuò)開(kāi)半個(gè)齒距，裝入梅花形彈性體，有效避免應(yīng)力集中，糾正軸向、徑向和角向的安裝偏差。

可移位聯(lián)軸器三維模型及主要參數(shù)表如下：

圖5 可移位聯(lián)軸器三維模型

表2 可移位聯(lián)軸器參數(shù)表

2.3.3 通軸電機(jī)三維設(shè)計(jì)

通軸電機(jī)選用三相異步交流變頻型電機(jī)，用以電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為該新型油電雙驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力源。通軸電機(jī)傳動(dòng)軸根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行特殊工藝處理，滿足新型油電雙驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的性能參數(shù)要求。

通軸電機(jī)三維模型及主要參數(shù)表如下：

圖6 通軸電機(jī)三維模型

表3 通軸電機(jī)參數(shù)表

2.3.4 新型角傳動(dòng)箱三維設(shè)計(jì)

在修井機(jī)作業(yè)過(guò)程中，新型三檔角傳動(dòng)箱可根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行液壓遠(yuǎn)程控制，無(wú)需切斷動(dòng)力就能實(shí)現(xiàn)修井作業(yè)中不停車換擋。新型三檔角傳動(dòng)箱可控制三套液壓濕式離合器的斷開(kāi)與嚙合，調(diào)整速比和輸出扭矩，滿足大鉤提升力和提升速度的三種組合需求，減少操作程序，提高修井機(jī)的作業(yè)效率。

新型三檔角傳動(dòng)箱三維模型及主要參數(shù)[2]如下：

圖7 新型三檔角傳動(dòng)箱三維模型

表4 新型三檔角傳動(dòng)箱參數(shù)表

2.3.5 絞車三維設(shè)計(jì)

絞車是修井機(jī)上重要的起吊裝置，修井作業(yè)時(shí)，絞車?yán)p繞鋼絲繩通過(guò)井架、游動(dòng)系統(tǒng)、提升大鉤實(shí)現(xiàn)油管和抽油桿的起升、下放操作，絞車主要部件包含：氣胎離合器、鏈輪、滾筒、剎車裝置、過(guò)圈防碰裝置、絞車軸、絞車護(hù)罩等。其中滾筒體直徑取決于纏繞鋼絲繩曲率半徑，滾筒寬度取決于作業(yè)鋼絲繩長(zhǎng)度。同時(shí)滾筒體采用里巴斯繩槽設(shè)計(jì)，便于絞車的自動(dòng)排繩同時(shí)提高了鋼絲繩使用壽命。

絞車三維模型及主要參數(shù)如下：

圖8 絞車三維模型

表5 絞車參數(shù)表

3、結(jié)論

新型油電雙驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)有效簡(jiǎn)化了現(xiàn)有修井機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低整車成本、提升作業(yè)性能，同時(shí)采用液壓換擋更方便可靠。該傳動(dòng)系統(tǒng)主驅(qū)動(dòng)為電驅(qū)動(dòng)，不但降低了整車能耗，響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策，而且有效降低了油田修井作業(yè)成本。

[1] 成大先,機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M],北京:化學(xué)工業(yè)出版社2008年1月第五版.

[2] 薛亞剛,楊兵,王仁鵬,司浩,朱陽(yáng).石油修井機(jī)新型角傳動(dòng)箱設(shè)計(jì).汽車實(shí)用技術(shù),2016年第8期.

New Hybrid Drive Transmission System Design of a Petroleum Workover Rig

Wang Renpeng, Yang Bing, Lei Kailong, Li Peng, Wang Baoquan
( Shaanxi automobile group co., LTD, Shaanxi Xi'an 710200 )

In view of the problems, complex structure, low transmission efficiency and unreliable power switch, of the power transmission system of the traditional hybrid drive workover rig, a new type of hybrid drive system is developed. The system include two power transmission lines: electric drive and mechanical drive; electric drive draws power directly from the well site and charges or discharges using super reservoir capacitance, co-axial motor drives the transmission part completing power transfer; the mechanical drive draws force from the engine, completing power transfer through the transmission part. The system has the advantages of simple structure and high reliability, not only improves the power transmission efficiency during workover operation, but also saves cost. Through the experiment, the system applies well. Keywords: workover rig; hybrid drive; power transmission system

U463.2

A

1671-7988 (2017)08-60-03

王仁鵬，男，（1987-），助理工程師，就職于陜西汽車控股集團(tuán)有限公司。現(xiàn)從事特種車整車設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.020