轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置電機(jī)選用設(shè)計(jì)分析

楊曉紅 李玉武

摘 要：轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)裝置是石油鉆機(jī)的重要組成部件，轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置是轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)的其中一種形式，針對(duì)現(xiàn)有鉆機(jī)用戶提出配備大功率電機(jī)要求，以ZP375轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置（兩檔鏈條箱）為例，對(duì)比分析兩種規(guī)格交流變頻電機(jī)傳動(dòng)受力分析，闡述轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用的正確性與必要性。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置;電機(jī);受力分析

中圖分類號(hào)：U642.3+3? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）15-72-03

Abstract： Independent rotary table drive device is an important component of electric drilling rig. According to the requirement of high-power motor for existing rig users， taking Independent ZP375 rotary table drive device as an example， combined with force analysis， the correctness and necessity of selection of independent rotary table drive motor are illustrated.

Keywords： Independent rotary table drive device; Motor; Force analysis

CLC NO.： U642.3+3? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-72-03

引言

轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置是石油鉆機(jī)的重要組成部件，其可靠性關(guān)系到石油鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤鉆井和起下鉆的可靠性。隨著鉆井效率要求的提高，轉(zhuǎn)盤鉆井采用轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)成為轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)的最主要方式。現(xiàn)在常規(guī)轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)主要有直流電機(jī)或者交流變頻電機(jī)通過鏈條箱或齒輪箱傳遞動(dòng)力到轉(zhuǎn)盤，其次還有發(fā)展中的直驅(qū)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤。鑒于直驅(qū)鉆機(jī)成本高，技術(shù)不成熟等缺點(diǎn)，現(xiàn)國內(nèi)各大油田主要還是采用直流電機(jī)或交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)通過減速裝置來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤。

此文筆者以ZP375轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置（兩檔鏈條箱驅(qū)動(dòng)）為分析對(duì)象，通過對(duì)比分析兩種規(guī)格交流變頻電機(jī)傳扭受力分析，得出在滿足使用工況情況下最經(jīng)濟(jì)適用的電機(jī)方案，從而提供給現(xiàn)有轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置選用電機(jī)的可行意見，為用戶選用電機(jī)提供一個(gè)指導(dǎo)方向。

1 結(jié)構(gòu)說明

此文引以為例的轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)形式如圖1，主要由轉(zhuǎn)盤梁、ZP375轉(zhuǎn)盤、球籠式萬向聯(lián)軸器、鏈條傳動(dòng)箱、齒式聯(lián)軸器、交流變頻電機(jī)、風(fēng)機(jī)及風(fēng)道、潤滑系統(tǒng)等部件組成。交流變頻電機(jī)通過齒式聯(lián)軸器與鏈條傳動(dòng)箱連接，將動(dòng)力傳給鏈條傳動(dòng)箱，鏈條傳動(dòng)箱通過球籠式萬向聯(lián)軸器將動(dòng)力傳給轉(zhuǎn)盤，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤鉆井和起下鉆等工作。潤滑系統(tǒng)給鏈條箱提供足夠的潤滑條件，風(fēng)道將進(jìn)風(fēng)口引至井眼中心3m開外的安全防爆距離外。鏈條傳動(dòng)箱包含輸入軸、輸出軸、鏈條箱，整個(gè)轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置因?yàn)榭臻g問題將離合器組成的慣剎裝置裝在輸出軸上。此轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置主要配置在ZJ50、ZJ70、ZJ80、ZJ90鉆機(jī)上[1]。

1.轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)梁;2.ZP375轉(zhuǎn)盤;3.球籠式萬向聯(lián)軸器;

4.鏈條傳動(dòng)箱;5.潤滑系統(tǒng);6.風(fēng)機(jī)及風(fēng)道;7.齒式聯(lián)軸器;8.交流變頻電機(jī)

2 基本參數(shù)

以下轉(zhuǎn)盤跟鏈條傳動(dòng)箱參數(shù)是設(shè)計(jì)時(shí)確定的參數(shù)，完全符合使用要求，鏈條箱能力均能滿足轉(zhuǎn)盤最高使用工況的要求。本文中對(duì)于轉(zhuǎn)盤跟鏈條箱的結(jié)構(gòu)可靠性不做計(jì)算分析，僅在轉(zhuǎn)盤跟鏈條箱工作可靠的工況下分析電機(jī)選用問題。

2.1 轉(zhuǎn)盤參數(shù)

2.2 鏈條傳動(dòng)箱基本參數(shù)

鏈條箱Ⅰ檔傳動(dòng)比：鏈輪z3=24 z4=51 i=z3/z4=2.125鏈條箱Ⅱ檔傳動(dòng)比：鏈輪z1=25 z2=27 i=z2/z1=1.08此鏈條傳動(dòng)箱設(shè)計(jì)用來滿足ZP375轉(zhuǎn)盤的整體性能需求。

2.3 電機(jī)參數(shù)

3 總體設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速的確定

從傳動(dòng)系統(tǒng)圖2得知，電機(jī)與輸入軸之間是直聯(lián)，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速即為輸入軸的轉(zhuǎn)速。該轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置采用140-4的鏈條來傳遞動(dòng)力，鏈條節(jié)距為44.5mm，根據(jù)表2，鏈條的許用轉(zhuǎn)速為不大于17.75m/s。

由此可得出電機(jī)允許輸入轉(zhuǎn)速最高為997.19 r/min。由表1得出兩種規(guī)格電機(jī)恒功最高轉(zhuǎn)速都已超過最高允許值。這時(shí)我們應(yīng)該用鏈條的最高轉(zhuǎn)速作為電機(jī)輸入最高轉(zhuǎn)速的依據(jù)，但是因?yàn)槭豌@機(jī)是重載機(jī)械，根據(jù)圖3交流變頻電機(jī)特性曲線示意圖分析，在實(shí)際應(yīng)用過程中交流變頻電機(jī)在恒功段基本不開放，因?yàn)楹愎^(qū)轉(zhuǎn)速在增加的同時(shí)，扭矩在慢慢減小，重載機(jī)械主要用的是大扭矩，轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置在這里基本用的是恒扭區(qū)工作。如果在恒扭曲工作，根據(jù)表1，兩種規(guī)格的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速均小于電機(jī)允許輸入最高轉(zhuǎn)速997.19 r/min。所以在鏈條轉(zhuǎn)速方面校核是符合要求的。故計(jì)算使用電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

3.2 轉(zhuǎn)盤輸出最高轉(zhuǎn)速的確定

根據(jù)圖2轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖可知，從輸入軸到輸出軸的兩檔傳動(dòng)比分別為iⅠ=2.125，iⅡ=1.08，轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)比i=3.56故輸出軸的兩檔轉(zhuǎn)速分別為nⅠ=n0/2.215/3.56，nⅡ=n0/1.08/ 3.56;所以兩種規(guī)格的電機(jī)輸出軸最高轉(zhuǎn)速分別為：

YJ23F9nⅠ=661/2.215/3.56=83.83 r/min;nⅡ=661/1.08/3.56 =171.92r/min

YJ13A8 nⅠ=741/2.215/3.56=93.97r/min;nⅡ=741/1.08/3.56 =192.73r/min

轉(zhuǎn)盤在正常鉆井工況下，油田的使用轉(zhuǎn)速一般在80～110r /min，但在設(shè)計(jì)過程中因?yàn)橛脩粢蠡蛘咴O(shè)計(jì)余量考慮，我們會(huì)將轉(zhuǎn)速區(qū)間提高到將近200 r/min，但是真實(shí)使用情況是速度過剩。

3.3 轉(zhuǎn)盤最高工作扭矩的確定

因?yàn)楸疚牟]有詳細(xì)列出轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)過程中的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，在這里計(jì)算扭矩時(shí)不計(jì)效率損失。實(shí)際計(jì)算中，我們是要計(jì)算每個(gè)傳動(dòng)部件上效率損失的。

扭矩、功率與轉(zhuǎn)速公式：

T為扭矩，P為功率，n為轉(zhuǎn)速。

根據(jù)圖3交流變頻電機(jī)特性曲線示意圖，在額定轉(zhuǎn)速下，恒扭區(qū)扭矩為額定扭矩。故計(jì)算采用額定扭矩來求轉(zhuǎn)盤輸出最大工作扭矩。根據(jù)公式（2）得出扭矩T與轉(zhuǎn)速n成反比，得出轉(zhuǎn)盤在電機(jī)傳扭后可以達(dá)到的最高工作扭矩：

YJ23F9 TⅠ=8684×2.125×3.56=65694N.m;TⅡ=8684×1.08×3.56=33388 N.m

YJ13A8TⅠ=10310×2.125×3.56=77995N.m;TⅡ=10310×1.08×3.56=39640N.m

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出兩種規(guī)格的電機(jī)在Ⅰ檔Ⅱ擋時(shí)輸出到轉(zhuǎn)盤的扭矩均已超過轉(zhuǎn)盤的最大設(shè)計(jì)輸出扭矩32362N.m。從數(shù)值可以看出，YJ23F9電機(jī)在Ⅱ檔時(shí)的扭矩33388 N.m接近32362N.m，已經(jīng)滿足了轉(zhuǎn)盤的最大工況要求，而YJ13A8電機(jī)在Ⅱ檔時(shí)的扭矩39640N.m已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)盤的最大設(shè)計(jì)輸出扭矩32362N.m，兩種規(guī)格的電機(jī)一檔最大扭矩均已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過32362N.m。這種情況下，傳到轉(zhuǎn)盤的最大扭矩超過轉(zhuǎn)盤最大設(shè)計(jì)輸出扭矩，很容易對(duì)轉(zhuǎn)盤本身造成損壞，所以在電控系統(tǒng)中，我們是要對(duì)電機(jī)扭矩進(jìn)行限制，以免遇到卡鉆鉆井工況時(shí)，電機(jī)傳到轉(zhuǎn)盤扭矩過大，破壞轉(zhuǎn)盤。

3.4 計(jì)算總結(jié)

通過3.2與3.3計(jì)算可以得出YJ23F9電機(jī)的傳動(dòng)轉(zhuǎn)速與扭矩已經(jīng)完全滿足鉆機(jī)鉆井工況需求并且已經(jīng)超過使用需求，而YJ13A8電機(jī)傳動(dòng)轉(zhuǎn)速與扭矩滿足且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鉆機(jī)鉆井工況需求，這樣使電機(jī)能力造成了很大浪費(fèi)，不能達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的。因?yàn)楸疚闹袃煞N規(guī)格電機(jī)電壓是匹配整臺(tái)鉆機(jī)選用的，電壓均為600V，電機(jī)都是根據(jù)制造廠家現(xiàn)有電機(jī)選用，在此條件要求下，我們選用YJ23F9電機(jī)在滿足使用要求和經(jīng)濟(jì)節(jié)能方面都是最優(yōu)方案，如果在電壓可以改變的情況下，我們可以根據(jù)本文中的方法選用更適合的交流變頻電機(jī)。直流電機(jī)選用也可以用本文中的方法計(jì)算，雖然特性曲線與交流變頻電機(jī)有點(diǎn)區(qū)別，但是道理是相通的。

4 結(jié)語

雖然隨著鉆機(jī)智能化的推進(jìn)，油田使用頂驅(qū)鉆井越來越多，但是在打淺井跟地表層或沒有選用螺桿鉆具時(shí)還是會(huì)采用轉(zhuǎn)盤鉆井和起下鉆，轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置在石油鉆井領(lǐng)域依舊占據(jù)著重要地位。現(xiàn)有油田用戶在定制石油鉆機(jī)的時(shí)候，會(huì)跟石油鉆機(jī)供應(yīng)商提出提高原有轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置所配驅(qū)動(dòng)電機(jī)的整體性能。有些出于考慮整臺(tái)鉆機(jī)中絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的互換性，但是有些單純認(rèn)為提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的整體性能就能提升整個(gè)轉(zhuǎn)盤獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的整體性能（由以上分析得出沒有道理），但是不管是哪一種考慮，最后都會(huì)造成大馬拉小車，造成原始成本浪費(fèi)，造成后期不必要的柴油成本投入，增加了整個(gè)鉆機(jī)在使用過程中的總成本投入。本文建議，不要一味要求制造商提高單個(gè)組成部件的性能，要整體考慮，合理分配。

參考文獻(xiàn)

[1] GB/T23505-2017[S].石油天然氣工業(yè)鉆機(jī)和修井機(jī).

[2] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]第五版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2007.

[3] SY/T5595-2013[S].油田鏈條和鏈輪.