轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動裝置電機選用設計分析

楊曉紅 李玉武

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

關鍵詞：轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動裝置;電機;受力分析

中圖分類號：U642.3+3? 文獻標識碼：A? 文章編號：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)盤獨立驅(qū)動裝置是石油鉆機的重要組成部件，其可靠性關系到石油鉆機轉(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)盤獨立驅(qū)動成為轉(zhuǎn)盤傳動的最主要方式。現(xiàn)在常規(guī)轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動主要有直流電機或者交流變頻電機通過鏈條箱或齒輪箱傳遞動力到轉(zhuǎn)盤，其次還有發(fā)展中的直驅(qū)電機直接驅(qū)動轉(zhuǎn)盤。鑒于直驅(qū)鉆機成本高，技術不成熟等缺點，現(xiàn)國內(nèi)各大油田主要還是采用直流電機或交流電機驅(qū)動通過減速裝置來驅(qū)動轉(zhuǎn)盤。

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

1 結構說明

此文引以為例的轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動裝置結構形式如圖1，主要由轉(zhuǎn)盤梁、ZP375轉(zhuǎn)盤、球籠式萬向聯(lián)軸器、鏈條傳動箱、齒式聯(lián)軸器、交流變頻電機、風機及風道、潤滑系統(tǒng)等部件組成。交流變頻電機通過齒式聯(lián)軸器與鏈條傳動箱連接，將動力傳給鏈條傳動箱，鏈條傳動箱通過球籠式萬向聯(lián)軸器將動力傳給轉(zhuǎn)盤，從而實現(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，風道將進風口引至井眼中心3m開外的安全防爆距離外。鏈條傳動箱包含輸入軸、輸出軸、鏈條箱，整個轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動裝置因為空間問題將離合器組成的慣剎裝置裝在輸出軸上。此轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動裝置主要配置在ZJ50、ZJ70、ZJ80、ZJ90鉆機上[1]。

1.轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動梁;2.ZP375轉(zhuǎn)盤;3.球籠式萬向聯(lián)軸器;

4.鏈條傳動箱;5.潤滑系統(tǒng);6.風機及風道;7.齒式聯(lián)軸器;8.交流變頻電機

2 基本參數(shù)

以下轉(zhuǎn)盤跟鏈條傳動箱參數(shù)是設計時確定的參數(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。本文中對于轉(zhuǎn)盤跟鏈條箱的結構可靠性不做計算分析，僅在轉(zhuǎn)盤跟鏈條箱工作可靠的工況下分析電機選用問題。

2.1 轉(zhuǎn)盤參數(shù)

2.2 鏈條傳動箱基本參數(shù)

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

2.3 電機參數(shù)

3 總體設計計算

3.1 電機輸入轉(zhuǎn)速的確定

從傳動系統(tǒng)圖2得知，電機與輸入軸之間是直聯(lián)，因此電機的轉(zhuǎn)速即為輸入軸的轉(zhuǎn)速。該轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動裝置采用140-4的鏈條來傳遞動力，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)格電機恒功最高轉(zhuǎn)速都已超過最高允許值。這時我們應該用鏈條的最高轉(zhuǎn)速作為電機輸入最高轉(zhuǎn)速的依據(jù)，但是因為石油鉆機是重載機械，根據(jù)圖3交流變頻電機特性曲線示意圖分析，在實際應用過程中交流變頻電機在恒功段基本不開放，因為恒功區(qū)轉(zhuǎn)速在增加的同時，扭矩在慢慢減小，重載機械主要用的是大扭矩，轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動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)格的電機額定轉(zhuǎn)速均小于電機允許輸入最高轉(zhuǎn)速997.19 r/min。所以在鏈條轉(zhuǎn)速方面校核是符合要求的。故計算使用電機額定轉(zhuǎn)速。

3.2 轉(zhuǎn)盤輸出最高轉(zhuǎn)速的確定

根據(jù)圖2轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動系統(tǒng)圖可知，從輸入軸到輸出軸的兩檔傳動比分別為iⅠ=2.125，iⅡ=1.08，轉(zhuǎn)盤傳動比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，但在設計過程中因為用戶要求或者設計余量考慮，我們會將轉(zhuǎn)速區(qū)間提高到將近200 r/min，但是真實使用情況是速度過剩。

3.3 轉(zhuǎn)盤最高工作扭矩的確定

因為本文并沒有詳細列出轉(zhuǎn)盤傳動過程中的詳細結構，在這里計算扭矩時不計效率損失。實際計算中，我們是要計算每個傳動部件上效率損失的。

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)盤在電機傳扭后可以達到的最高工作扭矩：

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

從以上計算結果可以看出兩種規(guī)格的電機在Ⅰ檔Ⅱ擋時輸出到轉(zhuǎn)盤的扭矩均已超過轉(zhuǎn)盤的最大設計輸出扭矩32362N.m。從數(shù)值可以看出，YJ23F9電機在Ⅱ檔時的扭矩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電機在Ⅱ檔時的扭矩39640N.m已遠遠大于轉(zhuǎn)盤的最大設計輸出扭矩32362N.m，兩種規(guī)格的電機一檔最大扭矩均已遠遠超過32362N.m。這種情況下，傳到轉(zhuǎn)盤的最大扭矩超過轉(zhuǎn)盤最大設計輸出扭矩，很容易對轉(zhuǎn)盤本身造成損壞，所以在電控系統(tǒng)中，我們是要對電機扭矩進行限制，以免遇到卡鉆鉆井工況時，電機傳到轉(zhuǎn)盤扭矩過大，破壞轉(zhuǎn)盤。

3.4 計算總結

通過3.2與3.3計算可以得出YJ23F9電機的傳動轉(zhuǎn)速與扭矩已經(jīng)完全滿足鉆機鉆井工況需求并且已經(jīng)超過使用需求，而YJ13A8電機傳動轉(zhuǎn)速與扭矩滿足且遠遠超過鉆機鉆井工況需求，這樣使電機能力造成了很大浪費，不能達到經(jīng)濟實用的目的。因為本文中兩種規(guī)格電機電壓是匹配整臺鉆機選用的，電壓均為600V，電機都是根據(jù)制造廠家現(xiàn)有電機選用，在此條件要求下，我們選用YJ23F9電機在滿足使用要求和經(jīng)濟節(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。直流電機選用也可以用本文中的方法計算，雖然特性曲線與交流變頻電機有點區(qū)別，但是道理是相通的。

4 結語

雖然隨著鉆機智能化的推進，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還是會采用轉(zhuǎn)盤鉆井和起下鉆，轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動裝置在石油鉆井領域依舊占據(jù)著重要地位。現(xiàn)有油田用戶在定制石油鉆機的時候，會跟石油鉆機供應商提出提高原有轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動裝置所配驅(qū)動電機的整體性能。有些出于考慮整臺鉆機中絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵驅(qū)動電機的互換性，但是有些單純認為提高驅(qū)動電機的整體性能就能提升整個轉(zhuǎn)盤獨立驅(qū)動的整體性能（由以上分析得出沒有道理），但是不管是哪一種考慮，最后都會造成大馬拉小車，造成原始成本浪費，造成后期不必要的柴油成本投入，增加了整個鉆機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組成部件的性能，要整體考慮，合理分配。

參考文獻

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

[2] 成大先.機械設計手冊[M]第五版.北京：機械工業(yè)出版社， 2007.

[3] SY/T5595-2013[S].油田鏈條和鏈輪.