一種鉆修機轉(zhuǎn)盤液壓驅(qū)動裝置

馬向南， 包夢華， 劉鵬飛， 邵海洋， 沈曉博， 趙福杰

（南陽二機石油裝備集團股份有限公司a.產(chǎn)品研發(fā)中心；b.機電工程技術(shù)公司，河南南陽473000）

0 引言

現(xiàn)在的鉆修機正在向智能化、模塊化、信息化發(fā)展，要求設(shè)備布局緊湊、尺寸小、質(zhì)量輕、集成度高。轉(zhuǎn)盤是鉆機中實現(xiàn)動力傳動及分配、改變動力傳動傳遞方向、旋轉(zhuǎn)和懸掛鉆具的重要設(shè)備，常規(guī)轉(zhuǎn)盤的鏈條驅(qū)動和電動機驅(qū)動，傳動部件多、傳動裝置復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大以及質(zhì)量重等特點，在一些特殊的鉆井設(shè)備上布置困難，而且影響主機的移運性能，作業(yè)效率也不高，給現(xiàn)場造成不小的麻煩[1]。

近年來，隨著大功率頂驅(qū)的出現(xiàn)，鉆盤按照鉆井工況設(shè)計轉(zhuǎn)速的功能要求降低了，主要功能體現(xiàn)在要具有較大的支撐能力和通孔直徑，高轉(zhuǎn)矩和低轉(zhuǎn)速等方面[2-4]。

針對傳統(tǒng)機械驅(qū)動的缺點，國內(nèi)外許多科研機構(gòu)和企業(yè)研發(fā)出了性能優(yōu)良的液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)盤。在國外，美國NOV、德國的WIRTH在很早就開始了研究，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價格太過昂貴。在國內(nèi)，如蘭石、寶雞、南陽二機也設(shè)計了多種樣式通過減速器或者直接驅(qū)動的液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)盤[5]，但都僅僅通過控制泵的排量來進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，效率利用不高，本文設(shè)計的液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)盤通過雙速切換來實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的兩擋控制，減少了給定速度所需的流量，并減少了成本和提高了效率。

1 主要技術(shù)參數(shù)及馬達選型計算

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

裝置型號為YZPQ375；通孔直徑為952.5 mm（37.5 in）；最大靜載荷為5850 kN；齒輪傳動比為3.56；額定壓力為1.6 MPa；最大壓力為2 MPa；額定流量為200 L/min；額定轉(zhuǎn)矩：高速擋13 000 N·m，低速擋26 000 N·m；最大轉(zhuǎn)矩：高速擋16 180 N·m，低速擋32 362 N·m；額定轉(zhuǎn)速：高速擋 35 r/min，低速擋18 r/min。

1.2 馬達選型計算

1）工作轉(zhuǎn)矩計算。該設(shè)計考慮液壓馬達直驅(qū)，因從轉(zhuǎn)盤輸入軸到轉(zhuǎn)盤輸出i=3.56，則液壓馬達需輸出轉(zhuǎn)矩：

式中：TMED為液壓馬達需輸出額定轉(zhuǎn)矩；TED為轉(zhuǎn)盤需輸出額定轉(zhuǎn)矩；TMmax為液壓馬達需輸出額定轉(zhuǎn)矩；Tmax為轉(zhuǎn)盤需輸出最大轉(zhuǎn)矩；i為轉(zhuǎn)盤傳動比。

2）馬達排量的計算。初步擬定額定壓力160 MPa，理論計算其馬達排量如下：

式中：V為液壓馬達排量；T為液壓馬達輸出額定轉(zhuǎn)矩；p為液壓馬達額定壓力；η為液壓馬達效率。

3）系統(tǒng)流量計算。高速擋（低排量）時，馬達額定轉(zhuǎn)速125 r/min，對應(yīng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速35 r/min，對應(yīng)的額定流量：

式中：Q為系統(tǒng)額定流量；V為液壓馬達排量；ηv為液壓馬達容積效率。

考慮剎車、換擋控制和泄漏，對流量取整為200 L/min。

由流量和排量反推得到低速檔（高排量）時：馬達轉(zhuǎn)速63 r/min≤115 r/min，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速18 r/min。該轉(zhuǎn)速未超過馬達的低速工況額定轉(zhuǎn)速。

經(jīng)過上述計算，查看液壓馬達樣本，選擇液壓馬達為MCR20C徑向柱塞馬達，制動器為多盤制動器（液壓釋放），駐車制動轉(zhuǎn)矩為17 500 N·m，剎車釋放壓力為1.5~3 MPa。

MCR-C型液壓馬達是安裝有后部殼體和法蘭連接驅(qū)動軸的徑向柱塞馬達。這些馬達具有緊湊型前部殼體，用于開路或閉路中的驅(qū)動裝置[6]。帶車輪螺栓的集成法蘭可非常方便地與其它設(shè)備相連接。

4）轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)矩核算。當(dāng)壓力△p=16 MPa時馬達轉(zhuǎn)矩：

換算為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)矩：

低速擋轉(zhuǎn)矩 TL160=TM160·i=26121.78 N·m；

高速擋轉(zhuǎn)矩 TH160=TM160·i=13060.89 N·m。

取整TL160=26000 N·m；TH160=13000 N·m。

結(jié)果顯示該液壓馬達轉(zhuǎn)矩滿足要求，同時駐車制動器轉(zhuǎn)矩17 500 N·m大于TLM160，轉(zhuǎn)盤能夠?qū)崿F(xiàn)帶載駐車制動。

因轉(zhuǎn)盤ZP375最大轉(zhuǎn)矩32.36 kN·m，我們通過提高驅(qū)動壓力實現(xiàn)。

當(dāng)壓力△p=20 MPa時:

換算為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)矩：

低速擋轉(zhuǎn)矩 TL200=TM160·i=32652.21 N·m；高速擋轉(zhuǎn)矩 TH160=TM160·i=16326.12 N·m。

此結(jié)果表明駐車制動器仍能夠滿足制動要求，同時只需把驅(qū)動壓力升高4~20 MPa即可覆蓋ZP375的全轉(zhuǎn)矩范圍。

2 液壓和電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 液壓控制系統(tǒng)原理

液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)盤采用閉式液壓系統(tǒng)，原理如圖1所示，液壓泵的流量可從零到最大值之間任何值，相對應(yīng)提供給轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)矩也馬達采用兩擋控制，即在滿排量和半排量范圍內(nèi)分別提供給轉(zhuǎn)盤從零增大為最大值的轉(zhuǎn)矩，并實現(xiàn)從小到大、從大到小的正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)盤的閉式液壓系統(tǒng)由主液壓回路、控制回路、雙速切換和制動回路三部分組成，這三部分之間管線和快速接頭連接在一起，方便拆卸和運輸[7]。

圖1 液壓控制系統(tǒng)原理

1）主液壓回路。該系統(tǒng)采用雙向變量泵1和液壓馬達7組成，通過電信號控制電比例排量控制閥11推動伺服控制缸3來達到改變泵排量的目的[8]。

由于系統(tǒng)是閉式系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)會存在泄漏，因此選用吸油過濾器5的補油泵2對系統(tǒng)進行補油和作為功能模塊的油源，補油的壓力可通過補油溢流閥4進行調(diào)節(jié)。

本系統(tǒng)還具有過壓保護功能、壓力限制功能、旁通功能，這些都集中在多功能閥9中，如圖2所示。

圖2 多功能閥

在某些特定情況下，系統(tǒng)中液壓油需要在泵主軸無法旋轉(zhuǎn)或不適宜旋轉(zhuǎn)時旁通液壓泵，以實現(xiàn)液壓油在泵及發(fā)動機不工作的情況下循環(huán)流動。

由于徑向柱塞馬達驅(qū)動轉(zhuǎn)盤時常產(chǎn)生大量的熱，高溫會降低液壓系統(tǒng)元件的壽命，因此馬達選了沖洗模塊對馬達殼體進行冷卻，冷卻油經(jīng)馬達殼體、冷卻器6返回油箱[9]。

在機械應(yīng)用中，需要馬達低負荷高速作業(yè)，可以將馬達切換至低轉(zhuǎn)矩和高速模式。這通過操作內(nèi)置閥進行，將液壓流體僅送至馬達柱塞的一半行程中，而在另一半行程中則使液流連續(xù)循環(huán)流動。該“排量減小”模式減少了給定速度所需的流量，并減少了成本和提高了效率。通過雙速切換這一特性我們實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的兩擋控制，如圖3所示。

馬達端部帶有駐車制動器，以確保停止使用時馬達和轉(zhuǎn)盤不會旋轉(zhuǎn)。駐車制動器通過盤簧壓縮制動盤提供保持轉(zhuǎn)矩。當(dāng)油壓作用至制動器油口“Z”時制動器釋放，盤簧受環(huán)狀區(qū)域的壓力壓縮，使制動盤獨立旋轉(zhuǎn)，也可通過擰開螺釘手動釋放制動器。

圖3 雙速軟切換原理

2）控制回路。控制閥組8（如圖4）采用電液控制，易于實現(xiàn)自動化智能控制。閥組主要由梭閥1、插裝調(diào)壓閥2、防爆電磁閥3及閥塊組成。當(dāng)電動機正轉(zhuǎn)時壓力油經(jīng)A2-A3口流向馬達，同時部分液壓油通過梭閥到達剎車釋放口Z解除駐車制動，馬達回油經(jīng)B3-B2口流回泵，液壓馬達帶動轉(zhuǎn)盤實現(xiàn)正轉(zhuǎn)；反之電動機反轉(zhuǎn)則實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的反轉(zhuǎn)。

當(dāng)兩位四通換向閥3得電，閥組X口輸出壓力油實現(xiàn)液壓馬達排量的軟切換，馬達排量減半即轉(zhuǎn)盤切換到了高速擋；在線圈斷電后，X口的壓力油經(jīng)閥組的泄油口單獨泄回油箱。

圖4 液控控制閥組

2.2 電控制系統(tǒng)設(shè)計

1）電控箱。液壓轉(zhuǎn)盤電控原理如圖5所示：采用電位計輸出0~10V信號給定比例放大器（E-RPAC），比例放大器（E-RP-AC）輸出電流信號給排量控制閥，此閥為防爆比例電磁閥（三位四通），通過改變電流的大小控制伺服控制缸3的行程進而改變泵流量的大小，來調(diào)整轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速。同時設(shè)置有開關(guān)旋鈕S1負責(zé)電動機正、反轉(zhuǎn)電磁閥供電的切換，從而實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)選擇的控制[10]。

圖5 電控原理圖

設(shè)置旋鈕開關(guān)S2作為防爆電磁閥（兩位四通）的供電開關(guān)，實現(xiàn)液壓轉(zhuǎn)盤擋位的切換。該開關(guān)未導(dǎo)通時轉(zhuǎn)盤默認為低速擋。

2）控制臺。轉(zhuǎn)盤控制臺由正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、高低擋選擇開關(guān)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕組成，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩直接由參數(shù)儀系統(tǒng)顯示（如用戶有需要亦可在操作臺單獨顯示）。控制臺所選用控制元件均為防爆產(chǎn)品。

要求不工作時：正、反轉(zhuǎn)控制旋鈕置于“停（STOP）”位置；高低速選擇置于“低擋（LOW）”；速度調(diào)節(jié)旋鈕置于“0”位。

3 試驗過程及結(jié)果

本項試驗主要驗證液壓馬達輸出轉(zhuǎn)矩能否達到設(shè)計要求，此時僅對液壓馬達進行測試，不與轉(zhuǎn)盤進行聯(lián)調(diào)。

1）將液壓馬達與公司3000 hp綜合試驗臺的減速箱中間輸出端連接（減速比為2.03），液壓馬達反轉(zhuǎn)矩臂固定在支撐工裝上；2）正確連接管線，啟動電動機，馬達低速擋：電動機速度控制在130 r/min左右，轉(zhuǎn)矩設(shè)定為3598 N·m；馬達高速擋：電動機速度控制在260 r/min左右，轉(zhuǎn)矩設(shè)定為1799 N·m；3）啟動液壓馬達，通過增大控制手柄開度，將液壓馬達速度逐漸調(diào)整至65 r/min或130 r/min左右；4）觀察電控系統(tǒng)顯示屏，降低電動機轉(zhuǎn)速，觀察電動機轉(zhuǎn)矩變化趨勢，電動機轉(zhuǎn)速每級降10 r/min，逐漸電動機轉(zhuǎn)速接近0 r/min，觀察轉(zhuǎn)矩值能否達到設(shè)定值。繪制轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速曲線，如圖6所示。

圖6 電動機、馬達轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速曲線

圖7 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速曲線

已知轉(zhuǎn)盤傳動比為3.56，經(jīng)過換算后可以得到轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速曲線，如圖7所示。從圖7中可知該液壓轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)矩滿足要求。

4 結(jié)論

1）閉式液壓系統(tǒng)的換向和起動平穩(wěn)，節(jié)能，效率高,液壓沖擊比較小，大大延長了系統(tǒng)元件的使用壽命，保證了系統(tǒng)的可靠性；2）該液壓系統(tǒng)采用雙速軟切換的兩擋控制，通過“排量減小”模式減少了給定速度所需的流量，降低了成本和提高了效率；3）采用了電液控比例控制元件，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)時間和控制精度；4）安裝、移運方便，馬達安裝完成后，馬達不再拆卸，每次拆裝只需拆卸管線的快換即可，省時、省力。文中所述液壓轉(zhuǎn)盤已成功應(yīng)用于某油田鉆機，完全滿足轉(zhuǎn)盤在鉆井過程中的工況特點和性能要求。