1500 hp輕型化行星絞車的研制

梁順安，侯敏，曹立天，賴晨晨，王文超

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721002)

0 引 言

隨著石油鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展及鉆井工藝的逐漸完善，人們對鉆井設(shè)備提出了越來越高的要求，尤其是在一些諸如海洋平臺等對設(shè)備體積、質(zhì)量要求嚴(yán)格的場合，對裝備的可靠性、質(zhì)量和外形尺寸等方面提出了更高要求。鉆井絞車作為鉆機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其可靠性、質(zhì)量和外形尺寸直接影響著鉆井效率、鉆機(jī)總體設(shè)計(jì)和鉆井成本。常規(guī)絞車因?yàn)榇嬖谥w積大、質(zhì)量重等缺點(diǎn)，已不能很好地應(yīng)用于海洋鉆機(jī)等對設(shè)備質(zhì)量、體積要求嚴(yán)苛的場所。尤其是隨著交流變頻技術(shù)的快速發(fā)展及其在海洋鉆機(jī)上的廣泛使用，迫切需要一種體積小、質(zhì)量輕、可靠性高的輕型化絞車。

1 輕型化設(shè)計(jì)

1500 hp 輕型化行星絞車（簡稱行星絞車）是由寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司自主研發(fā)，綜合了交流變頻技術(shù)、輕型化技術(shù)等而開發(fā)的國內(nèi)首臺配套于5000 m 級別的海洋鉆機(jī)的輕型化行星絞車。

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

行星絞車布局如圖1 所示，其采用單臺1100 kW 交流變頻電動機(jī)通過聯(lián)軸器驅(qū)動行星減速箱，并經(jīng)脹緊盤傳遞動力給滾筒軸總成；絞車配備37 kW 獨(dú)立自動送鉆裝置，與1100 kW 主電動機(jī)并排布置，驅(qū)動減速箱。主要由交流變頻電動機(jī)、行星減速箱、彈性支承、滾筒軸總成、液壓盤剎等組成。行星絞車采用了以下輕型化技術(shù)：

1）絞車底座優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立底座數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用Matlab 軟件進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到優(yōu)化后的減重方案，減輕底座質(zhì)量。2）行星減速箱替代常規(guī)減速箱。應(yīng)用比常規(guī)減速箱體積小、外形尺寸小、質(zhì)量輕的行星減速箱來替換常規(guī)減速箱，可降低絞車質(zhì)量，縮減絞車外形尺寸。3）減速箱連接設(shè)計(jì)，應(yīng)用脹緊盤連接技術(shù)與滾筒軸連接，取消了常規(guī)聯(lián)軸器，縮短了連接尺寸。

1.2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.2.1 底座設(shè)計(jì)

1）輕型化設(shè)計(jì)。為達(dá)到減重目的，對絞車底座進(jìn)行了輕型化設(shè)計(jì)，如圖2 所示，底座主要結(jié)構(gòu)由橫梁Ⅰ、橫梁Ⅱ、橫梁Ⅲ等組成，而這些梁主要由H 型鋼焊接而成，且位置尺寸和受力情況相對固定，故底座輕型化設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于H 型鋼優(yōu)選。即在保證每段H 型鋼在滿足強(qiáng)度要求的前提下，其截面面積最小，從而使絞車底座質(zhì)量最小。

圖1 1500 hp 行星絞車原理圖

圖2 1500 hp 行星絞車底座結(jié)構(gòu)圖

圖3 H 型鋼截面圖

2）建立數(shù)學(xué)模型。以H型鋼的寬度B、高度h、腹板厚度t1和翼板厚度t2為設(shè)計(jì)變量x，H型鋼截面（如圖3）面積S為目標(biāo)函數(shù)f(x)，以及梁的彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、工字鋼腹板寬厚比和翼板寬厚比為約束函數(shù)G(x)，建立有約束最優(yōu)化問題求解的數(shù)學(xué)模型。

式中：Mmax為底座最大彎矩值；Qmax為底座最大剪切力矩；Fσ為彎曲許用應(yīng)力；Ft為剪切許用應(yīng)力；W 為抗彎截面模量。

該數(shù)學(xué)模型為多變量且非線性約束的最優(yōu)化問題，應(yīng)用Matlab優(yōu)化工具箱中給出的求解有約束最優(yōu)化問題的函數(shù)[1]fmincon()，在滿足約束的條件下，沿著目標(biāo)函數(shù)下降的方向迭代，最后收斂到最優(yōu)解。fmincon()函數(shù)[2]調(diào)用格式如下:

其中:x是問題的解；fval是目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)值；x0是極小值點(diǎn)的初始近似值；a、b為線性不等式約束；Aeq、beq為線性等式約束；VLB、VUB為變量的上下邊界。

將以往同級別絞車底座的參數(shù)設(shè)為初始點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，即可得出優(yōu)化后的底座H型鋼截面優(yōu)化參數(shù)。優(yōu)化后參數(shù)對比如表1所示。

表1 梁截面優(yōu)化前后參數(shù)對比

通過表格參數(shù)得出：單根梁減重95 kg，底座的其余梁總共減重可達(dá)到約400 kg。綜上所述，優(yōu)化后的絞車底座減重約10%，達(dá)到減重目標(biāo)。

1.2.2 減速箱設(shè)計(jì)

行星絞車采用兩擋雙輸入大功率行星減速箱，采用NGW 型2K-H 行星減速器傳動，結(jié)構(gòu)對稱，載荷均勻分布、功率均勻分流。新型減速箱還具有傳遞功率范圍寬、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、速比大、傳動效率高等優(yōu)點(diǎn)。

2 性能參數(shù)對比

1500 hp 行星絞車由于采用新的結(jié)構(gòu)布局，并在常規(guī)絞車的基礎(chǔ)上采用了絞車輕量化技術(shù)，其質(zhì)量、體積較常規(guī)絞車減小約25%，具體參數(shù)如表2 所示。

表2 1500 hp行星絞車與常規(guī)JC50DB絞車參數(shù)對比

由表2 可知，1500 hp 行星絞車與常規(guī)JC50DB 絞車相比較，質(zhì)量減小比例可達(dá)30.5%，空間體積減小可達(dá)33%；與國外Wirth GH 1500 EG 絞車相比較，質(zhì)量減小比例為21%，空間體積減小約30%，占地面積減小約25%。由上述對比數(shù)據(jù)可看出，1500 hp 行星絞車的質(zhì)量、體積、外形與同級別50DB 絞車比較均有大幅減小，達(dá)到輕型化目標(biāo)。

3 技術(shù)創(chuàng)新

在對絞車關(guān)鍵部件應(yīng)用Matlab 建模優(yōu)化減重的同時(shí)，與常規(guī)JC50DB 絞車相比，1500 hp 輕型化行星絞車還應(yīng)用了以下創(chuàng)新技術(shù)：

1）減速箱浮動技術(shù)。減速箱與滾筒軸采用脹緊盤連接，減速箱懸掛于滾筒軸，取消了傳統(tǒng)聯(lián)軸器，減小絞車連接長度。

2）大功率兩擋行星減速箱。為最大程度地減小絞車質(zhì)量，縮小絞車體積，研制成功了1100 kW 大功率行星減速箱，比常規(guī)2000 hp 減速箱體積小、質(zhì)量輕。

3）調(diào)速范圍寬。驅(qū)動絞車的1100 kW 寬頻大功率電動機(jī)具有目前為止最大的恒功率調(diào)速范圍，調(diào)速比可達(dá)到R=3.3，極大地拓寬了絞車的調(diào)速范圍。

4 試驗(yàn)情況

對1500 hp 輕型化行星絞車進(jìn)行了廠內(nèi)試驗(yàn)（如圖4），其起升特性[3-5]曲線如圖5 所示。從圖中可看出：絞車掛1 擋提升最大鉤載時(shí)，鉤速最快達(dá)到0.366 m/s；絞車掛2 擋提升最大鉆柱質(zhì)量時(shí)，鉤速可達(dá)到0.42 m/s；空鉤時(shí)，鉤速可達(dá)到1.85 m/s。配備37 kW 自動送鉆，可滿足0～36 m/h 的送鉆工況。1500 hp 輕型化行星絞車完成了廠內(nèi)試驗(yàn)，絞車提升能力完全滿足現(xiàn)場使用要求。

5 結(jié) 論

1500 hp 輕型化行星絞車的總體技術(shù)方案、結(jié)構(gòu)布局、技術(shù)特點(diǎn)與技術(shù)性能都體現(xiàn)了與傳統(tǒng)絞車設(shè)計(jì)不同的特點(diǎn)，整機(jī)具有較高的創(chuàng)新性和技術(shù)先進(jìn)性。

圖4 1500 hp 行星絞車試驗(yàn)現(xiàn)場照片

圖5 1500 hp 行星絞車起升特性曲線

1）1500 hp 行星絞車傳動方案，取消常規(guī)傳動方案，改為體積小、質(zhì)量輕的行星減速箱傳動，優(yōu)化絞車總體布局，滿足5000 m 鉆井工況需求；2）基于Matlab 建立優(yōu)化模型，對絞車關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，1500 hp 行星絞車體積、質(zhì)量比常規(guī)絞車減小約25%，生產(chǎn)成本降低，技術(shù)先進(jìn)，適用性好，能夠替代國內(nèi)目前使用的同規(guī)格常規(guī)絞車，不僅適用于陸地快速移運(yùn)鉆機(jī)等，而且非常適合于海洋平臺鉆機(jī)，適用范圍更廣。