DJB－5/50×35－R 型載人載物電動(dòng)絞車的研制*

王亞鵬 廖恒偉 李 勇

(1.中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司 2.寶雞巨菱鉆采設(shè)備有限責(zé)任公司)

0 引言

在當(dāng)前油氣鉆井輔助提升作業(yè)中，主要使用氣動(dòng)絞車進(jìn)行甩鉆具等載物吊裝作業(yè)[1－4]。在安裝頂驅(qū)、水龍帶、掛大繩及維修設(shè)備等高空作業(yè)中，常用氣動(dòng)載人絞車進(jìn)行高空載人作業(yè)。其中載物作業(yè)用氣動(dòng)絞車的生產(chǎn)廠家眾多，主要有泰安巨菱、煙臺(tái)石油及英格索蘭(美國) 等公司。近些年，隨著國產(chǎn)絞車技術(shù)工藝不斷成熟及顯著的價(jià)格與服務(wù)優(yōu)勢，其占比達(dá)90%以上；載人用氣動(dòng)絞車生產(chǎn)廠家則相對(duì)較少，主要有泰安巨菱及英格索蘭等，受安全性和品牌力等因素影響，國產(chǎn)絞車占比不足50%，且存在以下問題:①無論是載物氣動(dòng)絞車還是載人氣動(dòng)絞車，同級(jí)別產(chǎn)品往往進(jìn)口絞車要比國產(chǎn)絞車貴70%左右，甚至更高；②單臺(tái)絞車只具備載人或載物功能，利用率低，一般鉆井平臺(tái)需同時(shí)配備1 臺(tái)載人氣動(dòng)絞車及2 臺(tái)載物氣動(dòng)絞車，設(shè)備成本高，占用空間大；③氣動(dòng)絞車存在噪聲大、能效低、提升力不足以及低溫環(huán)境適應(yīng)性差等缺點(diǎn)[5－12]，比如在川渝等地很多鉆井隊(duì)中，在往鉆臺(tái)面運(yùn)送鉆鋌和套管等較大載荷鉆井工具時(shí)，為避免氣動(dòng)絞車由于供氣不連續(xù)或氣壓不足造成提升力不足，從安全角度考慮，往往使用吊車進(jìn)行運(yùn)輸鉆具作業(yè)；而在新疆、大慶和中亞等高寒地區(qū)，氣動(dòng)絞車易產(chǎn)生凝露和結(jié)冰故障，難以滿足使用要求。

鑒于此，中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司聯(lián)合寶雞巨菱鉆采設(shè)備有限責(zé)任公司及相關(guān)單位，于2019 年9 月首次在石油鉆機(jī)輔助提升設(shè)備領(lǐng)域提出“載人載物”雙用途電動(dòng)絞車的理念，并成功研制了DJB－5/50×35－R 型載人載物電動(dòng)絞車。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

DJB－5/50×35－R 型載人載物電動(dòng)絞車主要由絞車主體、電控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。絞車主體包括防爆變頻制動(dòng)電機(jī)、絞車架、行星減速機(jī)、卷筒體、自動(dòng)排繩器、壓繩器、限位裝置和帶式剎車等，其中電機(jī)、減速機(jī)和卷筒采用同軸式布局，電機(jī)尾部防爆罩內(nèi)設(shè)置電磁失電制動(dòng)器(簡稱盤剎) 及編碼器。電控系統(tǒng)由防爆電控箱體、溫控系統(tǒng)、變頻器、控制回路和制動(dòng)電阻路等組成，非防爆電氣元件封裝在防爆電控箱內(nèi)。控制系統(tǒng)由防爆(手柄) 操作盒和控制箱兩套互鎖且互為備份的系統(tǒng)組成。載人載物電動(dòng)絞車結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 載人載物電動(dòng)絞車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the people/cargo-carrying electric winch

1.2 工作原理

載人載物電動(dòng)絞車采用載物與載人兩種工作模式。載物模式下，可用防爆操作盒手柄控制絞車以無級(jí)調(diào)速方式載物，此工作模式靈活高效；載人模式下，可用控制箱上的控制旋鈕控制絞車平穩(wěn)低速載人，此工作模式安全可靠。

通過操作盒手柄或控制旋鈕，控制絞車電控系統(tǒng)(變頻器) 給電機(jī)提供變頻電源，對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度設(shè)定，電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)帶動(dòng)卷筒體轉(zhuǎn)動(dòng)，卷筒體纏繞或松開鋼絲繩，實(shí)現(xiàn)提升或下放人員(重物) 功能。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

載人時(shí)允許負(fù)載×速度(首層鋼絲繩):5 kN×12 m/min (勻速，可設(shè)定)；

絞車額定功率:15 kW；

卷筒尺寸(直徑×長度):?370 mm×441 mm；

鋼絲繩規(guī)格(直徑×長度):?20 mm×130 mm(阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩)；

電控系統(tǒng)參數(shù):15 kW/380 V/50 Hz；

減速機(jī)傳動(dòng)比:99；

防爆變頻制動(dòng)電機(jī)參數(shù):15 kW/380 V/0～100 Hz/ExdIIBT4/IP56/H；

教學(xué)組織 在混合式教學(xué)中，教學(xué)不再僅局限于課堂教學(xué)這一環(huán)節(jié)，而是圍繞課前、課中和課后三個(gè)階段進(jìn)行教學(xué)組織和設(shè)計(jì)[7]，包括課前自主學(xué)習(xí)、課堂教學(xué)活動(dòng)、課后拓展性學(xué)習(xí)及計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)研究活等環(huán)節(jié)。在這個(gè)過程中，教師要發(fā)揮引導(dǎo)的作用，促使學(xué)生能有效開展自主學(xué)習(xí)、探究合作學(xué)習(xí)，保證教學(xué)過程有序進(jìn)行。

吊裝鎖具安全系數(shù):≥5 (載物)，≥50 (載人)。

2 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 雙用途絞車?yán)砟畹囊肱c總體設(shè)計(jì)

首次在石油鉆機(jī)輔助提升設(shè)備領(lǐng)域引入“載人載物”雙用途電動(dòng)絞車?yán)砟睿ㄟ^電動(dòng)絞車設(shè)置有線可移動(dòng)式防爆(手柄) 操作盒和控制箱(旋鈕) 兩套控制系統(tǒng)，分別對(duì)應(yīng)載物和載人兩種工作模式，從功能和使用場景上實(shí)現(xiàn)載人載物雙用途絞車設(shè)計(jì)理念。在控制箱上設(shè)置兩種工作模式的轉(zhuǎn)換旋鈕。切換到載物模式，可用操作盒手柄控制絞車無級(jí)調(diào)速載物運(yùn)行，沖擊小、效率高；切換到載人模式，可用控制箱上的控制旋鈕控制絞車低速載人運(yùn)行，工作平穩(wěn)、安全性高。兩套控制系統(tǒng)互鎖且互為備份，實(shí)現(xiàn)了既保證安全性又提高系統(tǒng)可靠性的預(yù)期目標(biāo)。

對(duì)電控系統(tǒng)、電機(jī)、減速機(jī)和盤剎等關(guān)鍵部件選型時(shí)適當(dāng)放大級(jí)別并加大安全系數(shù)；在鋼絲繩、吊鉤及起重鏈條等吊裝鎖具設(shè)計(jì)中引入雙設(shè)計(jì)系數(shù)的理念，即載物時(shí)吊裝鎖具的安全系數(shù)≥5，載人時(shí)吊裝鎖具的安全系數(shù)≥50，確保滿足載人載物雙用途要求。

2.2 電動(dòng)絞車的緊湊型整體設(shè)計(jì)

本電動(dòng)絞車的電機(jī)、減速機(jī)和卷筒采用同軸式布置，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便。為縮短絞車長度，行星減速機(jī)采用內(nèi)藏式(藏于卷筒內(nèi)部) 設(shè)計(jì)。此外，由于電機(jī)的功率質(zhì)量比較氣動(dòng)馬達(dá)小很多，同等功率級(jí)別下其質(zhì)量大、尺寸長，如采用常規(guī)設(shè)計(jì)，則同軸式電動(dòng)絞車的整體長度將比現(xiàn)有氣動(dòng)絞車長度增加約30%，即便如此也難以滿足鉆井平臺(tái)對(duì)設(shè)備長度(較短) 的要求。對(duì)此，通過對(duì)電機(jī)型式進(jìn)行多次選型和優(yōu)化，最終確定“緊湊型設(shè)計(jì)”方案，即在比常規(guī)電機(jī)更大的機(jī)座上設(shè)計(jì)同功率級(jí)別的電機(jī)，去除散熱風(fēng)扇，縮短電機(jī)長度，適當(dāng)加大直徑，增加散熱面積，從而達(dá)到了縮短電機(jī)長度的同時(shí)又提高其散熱效率的目的。

電動(dòng)絞車的緊湊型整體設(shè)計(jì)確保其長度與主流同級(jí)別氣動(dòng)絞車基本一致，能滿足各型鉆機(jī)鉆臺(tái)面的空間布置要求。

2.3 緊湊型電機(jī)的內(nèi)置線設(shè)計(jì)

本電動(dòng)絞車采用起重用防爆交流變頻制動(dòng)電機(jī)，其過載能力大、抗沖擊強(qiáng)、安全系數(shù)高。在電機(jī)尾部的防爆罩內(nèi)設(shè)置有盤剎及編碼器。為縮短長度且要滿足戶外防潮防腐防爆要求，除采用2.2 節(jié)“緊湊型設(shè)計(jì)”外，盤剎和編碼器電纜采用“內(nèi)置線”設(shè)計(jì)，即盤剎和編碼器的電纜依次從電機(jī)后端蓋、電機(jī)殼體的內(nèi)部通道直達(dá)電機(jī)接線盒，防爆罩上無需設(shè)置電纜出線孔，使得電機(jī)防潮、防水和防爆性能大幅提高。同時(shí)，在對(duì)電機(jī)盤剎進(jìn)行調(diào)整間隙和清理污物等日常維護(hù)工作時(shí)，只需拆除防爆罩即可，不需要拆卸電纜，讓日常檢修維保工作變得簡捷、便利、高效。緊湊型電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 緊湊型電機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the compact motor

緊湊型電機(jī)采用內(nèi)置線設(shè)計(jì)，一方面，適當(dāng)加大了電機(jī)直徑，可安裝比常規(guī)的更大級(jí)別的制動(dòng)器，提高了剎車安全系數(shù)，保證剎車散熱效果，增加了安全性；另一方面，為實(shí)現(xiàn)特殊工況應(yīng)急下放人員(重物) 的功能，本絞車盤剎特別設(shè)計(jì)了具備緊急手動(dòng)釋放功能的制動(dòng)器，緊急情況下配合帶式剎車可將人員(重物) 安全落下。

2.4 電控系統(tǒng)的特異化設(shè)計(jì)

電氣元件特別是核心器件變頻器對(duì)環(huán)境溫度、濕度較為敏感，故電控系統(tǒng)的防潮、散熱和保溫設(shè)計(jì)顯得尤為關(guān)鍵，電控系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境直接影響著系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。為便于施工、搬家及現(xiàn)場維護(hù)，本電動(dòng)絞車的電控系統(tǒng)采用獨(dú)立封裝式設(shè)計(jì)，自成單元，就近模塊化安裝于鉆臺(tái)區(qū)，如鋪臺(tái)和偏房等處。為滿足石油鉆井設(shè)備的防爆和防潮要求，本電控系統(tǒng)采用隔爆型設(shè)計(jì)，將所有非防爆元器件封裝在防爆柜體內(nèi)，防護(hù)等級(jí)達(dá)IP56。

電控系統(tǒng)防爆柜體設(shè)計(jì)為上、下柜體獨(dú)立布局，上柜體布置變頻器等功率單元元件，下柜體布置制動(dòng)電阻單元，從而避免制動(dòng)電阻工作時(shí)大量產(chǎn)熱對(duì)變頻器的不利影響。同時(shí)，為保持電控系統(tǒng)所需的適宜環(huán)境溫度(－10～＋40 ℃) 和相對(duì)濕度(小于90%)，在上柜體內(nèi)設(shè)置自動(dòng)溫控系統(tǒng)，即在上柜體外部設(shè)置散熱片和散熱風(fēng)機(jī)，在上柜體內(nèi)部設(shè)置加熱器及溫控儀，以此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫控、定期除濕，這樣可滿足海洋、雨林、沙漠和極地等嚴(yán)苛環(huán)境下的使用要求。此外，根據(jù)鉆井平臺(tái)的不同配置，電控系統(tǒng)也可安裝于鉆機(jī)的空調(diào)恒溫電控房內(nèi)，此時(shí)無需單獨(dú)增加防爆、溫控和除濕等功能。電控系統(tǒng)控制原理如圖3 所示。

圖3 電控系統(tǒng)控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of the electronic control system

2.5 電控系統(tǒng)的安全保護(hù)設(shè)計(jì)

與氣動(dòng)絞車和液壓絞車相比，電動(dòng)絞車無高壓傷害風(fēng)險(xiǎn)，但存在觸電風(fēng)險(xiǎn)。絞車主體的電機(jī)由變頻器電力驅(qū)動(dòng)，非運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)變頻器不輸出電能，此時(shí)無觸電風(fēng)險(xiǎn)，而當(dāng)絞車運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)則存在觸電風(fēng)險(xiǎn)。因此，本電動(dòng)絞車采用TN－S 系統(tǒng)以及等電位接地，電力拖動(dòng)系統(tǒng)具備完整的過電流、過電壓、欠電壓和接地保護(hù)回路，電氣故障發(fā)生時(shí)，電氣回路能自動(dòng)分?jǐn)嚯娫矗瑢?shí)現(xiàn)斷電保護(hù)功能。同時(shí)，對(duì)操作者頻繁接觸的操作(手柄) 盒和控制箱兩處控制單元采用24 V DC 安全電壓設(shè)計(jì)，最大程度地降低觸電風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)人員及設(shè)備安全。

2.6 自動(dòng)排繩與壓繩的一體化設(shè)計(jì)

自動(dòng)排繩器安裝在絞車架上方，其動(dòng)力來自卷筒軸頭，通過計(jì)算合適的傳動(dòng)比，可滿足鋼絲繩在卷筒體上每纏繞一圈，自動(dòng)排繩器主體轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)鋼絲繩當(dāng)量直徑的距離。與此同時(shí)，在絞車卷筒體的出繩側(cè)安裝壓繩器，在彈簧張緊力的作用下壓繩器始終緊壓鋼絲繩，如此可消除鋼絲繩在空載放繩工況下的“松繩”及纏繩工況下的“騎繩”現(xiàn)象。排繩器與壓繩器的一體化運(yùn)用，取得了良好的排繩效果。

3 安全保護(hù)功能

3.1 多重剎車功能

采用能耗制動(dòng)＋盤式剎車＋帶式剎車三重剎車方式，確保絞車滿足鉆井輔助提升作業(yè)中頻繁啟動(dòng)、停止和剎車的使用要求。能耗制動(dòng)和盤式剎車兩種剎車方式能跟隨操作手柄/旋鈕的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，即絞車電機(jī)使能時(shí)能耗制動(dòng)切入，絞車電機(jī)開始工作時(shí)盤式剎車退出，反之亦然，始終保持絞車駐車制動(dòng)、斷電剎車和故障剎車，足以滿足所有工況的使用要求；帶式剎車通常應(yīng)對(duì)緊急釋放等特殊情況，確保應(yīng)急情況下人員與設(shè)備安全。

3.2 零伺服保護(hù)功能

選用國內(nèi)著名品牌的起重專用變頻器，其閉環(huán)矢量控制技術(shù)具備零伺服保護(hù)功能。當(dāng)出現(xiàn)盤式剎車故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測盤式剎車狀態(tài)，并控制電機(jī)輸出扭矩實(shí)現(xiàn)自動(dòng)懸停。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)不斷發(fā)出聲光警示，提醒操作人員實(shí)施應(yīng)急處理和排除故障，由此進(jìn)一步提高了絞車運(yùn)行的安全性。

3.3 雙重急停功能

在絞車(手柄) 操作盒及防爆控制箱上均設(shè)置了緊急停止按鈕，緊急狀況可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速急停和盤式剎車抱閘。雙重急停設(shè)計(jì)，避免了單一急停開關(guān)故障時(shí)無法應(yīng)急響應(yīng)的情況，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

3.4 限位保護(hù)及限位釋放功能

在絞車卷筒輸出軸頭上設(shè)置上、下限位裝置，當(dāng)絞車(吊鉤) 運(yùn)行范圍超過設(shè)定的行程范圍時(shí)，會(huì)自動(dòng)觸發(fā)限位開關(guān)，絞車則立即停止運(yùn)行并投入剎車，確保安全。限位裝置動(dòng)作后，必須長按限位釋放復(fù)位按鈕方可重回設(shè)定行程，然后絞車才會(huì)繼續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。限位保護(hù)及限位釋放功能既保證了設(shè)備運(yùn)行安全，又滿足了操作的便捷性。

3.5 應(yīng)急釋放功能

絞車盤式剎車具備手動(dòng)緊急釋放功能，如遇長時(shí)間斷電等特殊狀況，可配合使用帶式剎車以手動(dòng)模式調(diào)整盤式剎車力矩，將人員或重物安全而平穩(wěn)地緩慢下放。

3.6 過載保護(hù)及松繩警示功能

在安全負(fù)載范圍內(nèi)，通過設(shè)置變頻器的過載保護(hù)系數(shù)，可按需設(shè)定絞車的最大提升閾值，當(dāng)絞車提吊負(fù)載超過設(shè)定上限時(shí)，絞車系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)行并報(bào)故障警示。通過設(shè)置變頻器的松繩保護(hù)系數(shù)，當(dāng)絞車負(fù)載低于設(shè)定下限時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)提示。

3.7 電氣保護(hù)功能

本絞車使用起重專用變頻器，具備斷電保護(hù)、過壓保護(hù)、失壓保護(hù)、失速保護(hù)和過流保護(hù)等安全保護(hù)功能。

4 試驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 產(chǎn)品試驗(yàn)

DJB－5/50×35－R 型載人載物電動(dòng)絞車研制成功后，為確保其各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)其進(jìn)行了嚴(yán)格的工廠試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容主要包括:絞車基本性能試驗(yàn)、空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)、負(fù)載性能試驗(yàn)、剎車性能試驗(yàn)、噪聲性能試驗(yàn)、安全釋放功能試驗(yàn)、靜止剎車力矩性能試驗(yàn)以及過載保護(hù)、松繩保護(hù)、限位保護(hù)、零伺服保護(hù)等安全保護(hù)功能試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該載人載物電動(dòng)絞車各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其性能出色、工作可靠、安全性強(qiáng)、適用性廣。與同級(jí)別氣動(dòng)(載人) 絞車相比，其在提升能力、提升速度、能耗比、噪聲以及安全性能等方面均有較大的優(yōu)勢。載人載物電動(dòng)絞車與氣動(dòng)絞車性能參數(shù)對(duì)比見表1。

根據(jù)表1 中數(shù)據(jù)，對(duì)載人載物電動(dòng)絞車性能評(píng)價(jià)如下。

表1 載人載物電動(dòng)絞車與氣動(dòng)絞車性能參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of performance parameters between people/cargo-carrying electric winch and pneumatic winch

(1) 提升能力:載物氣動(dòng)絞車最大提升能力50 kN，而該電動(dòng)絞車具有較強(qiáng)的過載能力，可實(shí)現(xiàn)2 倍短時(shí)過載及1.2 倍額定載荷長期過載。

(2) 提升速度:輕載(≤650 kg) 工況，載物氣動(dòng)絞車與該電動(dòng)絞車最大提升速度相當(dāng)，重載工況(≥2 500 kg)，該電動(dòng)絞車提升速度比載物氣動(dòng)絞車提高了50%。

(3) 能耗比:輕載高速時(shí)，載物氣動(dòng)絞車與該電動(dòng)絞車能耗比為32 ∶1；重載慢速工況，載物氣動(dòng)絞車與該電動(dòng)絞車能耗比為4 ∶1。

(4) 噪聲:該電動(dòng)絞車比氣動(dòng)絞車降低噪聲約15%。

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用

2020 年10 月，兩臺(tái)DJB－5/50×35－R 載人載物電動(dòng)絞車分別在甘肅省慶陽市慶城地區(qū)長慶鉆井總公司所屬40657 和50710 鉆井隊(duì)進(jìn)行了工業(yè)性應(yīng)用，至今已連續(xù)應(yīng)用10 個(gè)月，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)安全平穩(wěn)，無故障。

截至2021 年7 月，累計(jì)50 多套DJB－5/50×35－R載人載物電動(dòng)絞車分別在新疆、四川、陜北、青海和內(nèi)蒙等油田相繼投入應(yīng)用。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該絞車操作簡單、維護(hù)方便、性能可靠，完全滿足沙漠、雨林和寒冷等地區(qū)石油鉆井輔助提升作業(yè)中的載人載物雙用途要求。

5 結(jié)論

(1) DJB－5/50×35－R 型載人載物電動(dòng)絞車在石油鉆機(jī)輔助提升設(shè)備領(lǐng)域?qū)儆陂_創(chuàng)性的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了“一機(jī)兩用”的功能，節(jié)省了設(shè)備綜合采購成本，尤其是與當(dāng)前國內(nèi)石油鉆機(jī)廣泛應(yīng)用的英格索蘭氣動(dòng)載人絞車相比，節(jié)省成本80%以上，另外還節(jié)省了1 臺(tái)載人絞車的鉆臺(tái)布置空間。

(2) 該載人載物電動(dòng)絞車采用雙設(shè)計(jì)安全系數(shù)，設(shè)置過載保護(hù)、急停保護(hù)、斷電保護(hù)、限位保護(hù)、零伺服保護(hù)、松繩保護(hù)以及緊急釋放等安全保護(hù)功能。該絞車性能可靠、安全高效、節(jié)能環(huán)保、操作簡單、維護(hù)方便，完全滿足石油鉆井輔助提升作業(yè)中的載人載物雙用途要求，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。