ZJ50DB型石油鉆機直驅(qū)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置研制及應(yīng)用

［摘 要］轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置是石油鉆機的核心部件之一。常規(guī)的轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置是高速交流變頻電機，其通過齒輪減速箱驅(qū)動轉(zhuǎn)盤工作。文章研制的ZJ50DB 型石油鉆機直驅(qū)轉(zhuǎn)盤采用低速大扭矩交流變頻電機直接驅(qū)動轉(zhuǎn)盤工作，取消了大型傳動機構(gòu)齒輪減速箱，簡化了傳動方式，減少了中間故障點，降低了維護(hù)保養(yǎng)成本，整體尺寸小，質(zhì)量輕，方便拆裝和運輸。

［關(guān)鍵詞］石油鉆機；轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置；低速大扭矩交流變頻電機；直驅(qū)

［中圖分類號］TE922 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0071–03

轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置是鉆機減速鉆桿旋轉(zhuǎn)鉆井的地面旋轉(zhuǎn)設(shè)備，是石油鉆機的核心部件之一。其主要功用為：①減速井中鉆具，并提供足夠大的扭矩和必要的轉(zhuǎn)速；②下套管或起下鉆時，承托井中全部套管柱或鉆桿柱重量；③完成接卸鉆頭，處理事故時倒扣、進(jìn)扣等輔助工作。常規(guī)的轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置，通過交流變頻電機和齒輪減速箱為轉(zhuǎn)盤提供動力，傳動系統(tǒng)復(fù)雜，傳動鏈冗長，減速箱及附屬設(shè)備占據(jù)大量鉆臺空間，且運移困難，易發(fā)生故障。此外，常規(guī)的轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置運轉(zhuǎn)時噪聲大、能耗高。近年來，國家加大非常規(guī)能源的開發(fā)力度，鉆遇地層日益復(fù)雜，鉆井難度不斷增加，特殊油氣層開采需要的水平井、定向井，以及新型鉆井工藝、超深井等特殊鉆井工藝技術(shù)不斷出現(xiàn)，從而對轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置的性能提出了更高的要求。開發(fā)傳動型式簡單、鉆井效率高、設(shè)備可靠性高、鉆井現(xiàn)場人員技能要求低的新型轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置成為大勢所向。隨著石油鉆采裝備的自動化、智能化發(fā)展，以及大功率電機的成功研制和電機控制技術(shù)的大力發(fā)展，直驅(qū)技術(shù)在石油鉆采領(lǐng)域被快速推廣。

1 直驅(qū)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)及技術(shù)分析

文章研制的ZJ50DB 型石油鉆機直驅(qū)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置，取消了中間傳動齒輪減速箱，采用1 臺低速大扭矩交流變頻直驅(qū)電機通過球籠式萬向聯(lián)軸器直接驅(qū)動轉(zhuǎn)盤，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，應(yīng)用可靠。該裝置主要由ZP375 轉(zhuǎn)盤、交流變頻直驅(qū)電機、球籠式萬向聯(lián)軸器、慣剎及慣剎護(hù)罩等組成。低速大扭矩交流變頻電機的應(yīng)用，在同等功率要求下，可以顯著減少轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置的體積和質(zhì)量。轉(zhuǎn)盤慣剎采用氣壓控制的鉗盤式慣性剎車，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤防反轉(zhuǎn)功能。慣剎護(hù)罩上留有較大觀察窗，方便觀察慣剎運行情況及剎車鉗的維護(hù)保養(yǎng)。ZP375 轉(zhuǎn)盤通過單、雙耳板及銷軸固定，拆裝靈活。其具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 主要部件及其主要技術(shù)參數(shù)

2.1 ZP375轉(zhuǎn)盤及主要技術(shù)參數(shù)

ZP375 轉(zhuǎn)盤主要由主補心裝置、轉(zhuǎn)臺裝置、錐齒輪副、輸入軸總成、鎖緊裝置、底座、上蓋等部件組成。輸入軸外端連接法蘭盤，內(nèi)側(cè)是傳動的小錐齒輪，軸通過一對圓柱滾子軸承及軸套座在殼體上。在軸的中間裝有制動棘輪，通過棘爪和大小錐齒輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的制動。轉(zhuǎn)臺通空中裝有方補心和方卡瓦，方補心和方卡瓦用鎖銷固定在轉(zhuǎn)臺體上，保證其在鉆井時不會因振動而跳出來。在鉆臺臺肩下方裝有大錐齒輪。齒輪上方裝有迷宮密封圈，用以防止泥漿漏入齒輪油池。ZP375 轉(zhuǎn)盤的通孔直徑為952.5 mm（37–1/2"），最大靜載荷為5 850 kN，最大工作扭矩為32 365 N · m，最高轉(zhuǎn)速為300 r/min，齒輪傳動比為3.56，外形尺寸（長× 寬× 高） 為2 443 mm×1 810 mm×718 mm， 質(zhì)量為8 010 kg（包括轉(zhuǎn)盤補心）。

2.2 交流變頻直驅(qū)電機及主要技術(shù)參數(shù)

該轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置采用的低速大扭矩交流變頻直驅(qū)電機能效等級不低于GB 18613—2020《電動機能效限定值及能效等級》中的二級。該電機性能、強度、溫升、振動、噪聲等方面均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，且符合石油鉆機的實際使用工況。電機適應(yīng)變頻器拖動和控制要求且采取了降噪措施，盡量降低了噪聲。該電機使用進(jìn)口SKF 軸承，采用進(jìn)口潤滑脂。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動靈活，軸承平穩(wěn)輕快，無停滯，滿足傳動要求。

該電機的額定電壓為600 V， 額定功率為600 kW，額定電流為702 A，額定頻率為20.5 Hz，額定轉(zhuǎn)速為400 r/min，恒功最高轉(zhuǎn)速為650 r/min，最高轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為14 325 N · m，額定效率為93.7%。根據(jù)該交流變頻直驅(qū)電機的特性參數(shù)對ZP375 轉(zhuǎn)盤的傳動動力作匹配計算，其結(jié)果見表1、圖2。

ZP375 轉(zhuǎn)盤最高轉(zhuǎn)速為300 r/min，最大工作扭矩為32 365 N·m，從表1、圖2 結(jié)果可以看出，采用該交流變頻直驅(qū)電機，能實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤最高轉(zhuǎn)速345.2 r/min，最大扭矩為38 353 N · m，滿足使用要求。由于該交流變頻直驅(qū)電機傳到轉(zhuǎn)盤時的最大扭矩38353 N · m超出了轉(zhuǎn)盤及鉆桿的最大扭矩32 365 N · m，故電控系統(tǒng)對電機輸出扭矩進(jìn)行了限制，從而避免了電機扭矩過大損壞轉(zhuǎn)盤或鉆桿。

2.3 球籠式萬向聯(lián)軸器及主要技術(shù)參數(shù)

球籠式萬向聯(lián)軸器是一種金屬彈性元件的柔性聯(lián)軸器，主要由外殼、內(nèi)球籠、外球籠、保持架等部分組成。其傳動方式是通過球籠外環(huán)和星形內(nèi)環(huán)分別與主、從動軸相聯(lián)，傳力鋼球的中心位于通過聯(lián)軸器中心的平面內(nèi)，并裝在由球形外環(huán)和星形內(nèi)環(huán)外球面凹槽組成的滾道中。兩個球面的中心與萬向聯(lián)軸器的中心重合，這樣保證了所有鋼球中心都在兩軸軸線間夾角的平分面上，從而保證了聯(lián)軸器主、從動軸間的轉(zhuǎn)速得以保持同步。該球籠式萬向聯(lián)軸器的設(shè)計、加工都以旋轉(zhuǎn)中心為基準(zhǔn)，因此具有更高的動平衡精度。安裝距離的調(diào)整和軸向伸縮是通過球籠本體實現(xiàn)的，滑移阻力小，此外最大擺動角度為8°，傳動精度高，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。該萬向軸最高轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，公稱轉(zhuǎn)矩為32 000 N · m，疲勞轉(zhuǎn)矩為112 000 N · m，伸縮量為–50～30 mm。

該球籠式萬向聯(lián)軸器的最大工作扭矩為9 091 N · m，最高轉(zhuǎn)速為1 068 r/min。

另外根據(jù)轉(zhuǎn)盤輸出法蘭與慣性剎車剎車盤的接口尺寸，以及總體設(shè)計空間，判斷所選球籠式萬向聯(lián)軸器滿足使用要求。

2.4 氣控盤式剎車及主要技術(shù)參數(shù)

該轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置選用的慣剎為氣壓控制的鉗盤式剎車，該氣控盤剎所有的執(zhí)行器都有可調(diào)節(jié)的功能，用以調(diào)節(jié)剎車鉗和剎車盤之間的間隙，補償剎車墊的磨損，維持彈簧剎車鉗的力矩。該氣控盤剎的最大制動力矩為13 387 N · m，滿足使用要求。

3 試驗

該ZJ50DB 型石油鉆機直驅(qū)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置進(jìn)行了轉(zhuǎn)盤空運轉(zhuǎn)試驗，試驗步驟如下。

（1）運轉(zhuǎn)前檢查轉(zhuǎn)盤鎖定裝置，確認(rèn)轉(zhuǎn)盤沒有被鎖住。

（2）啟動轉(zhuǎn)盤電機，調(diào)整轉(zhuǎn)盤正轉(zhuǎn)速為50 r/min（電機轉(zhuǎn)速為178 r/min），運轉(zhuǎn)5 min。

（3）調(diào)整轉(zhuǎn)盤正轉(zhuǎn)速為100 r/min（電機轉(zhuǎn)速為356 r/min），運轉(zhuǎn)5 min，之后使用慣性剎車進(jìn)行剎車。

（4）調(diào)整電機反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為100 r/min（電機轉(zhuǎn)速為356 r/min），運轉(zhuǎn)5 min，之后使用慣性剎車進(jìn)行剎車。

（5） 調(diào)整轉(zhuǎn)盤正轉(zhuǎn)速為180 r/min（ 電機轉(zhuǎn)速640 r/min），運轉(zhuǎn)5 min，之后使用慣性剎車進(jìn)行剎車。

試驗結(jié)果表明，各項試驗數(shù)據(jù)均符合設(shè)計要求。

4 油田應(yīng)用情況

該ZJ50DB 型石油鉆機直驅(qū)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置已經(jīng)在油田現(xiàn)場5 000 m 鉆機上得到了應(yīng)用，根據(jù)油田現(xiàn)場的反饋信息，該轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置完全滿足使用要求，且占據(jù)鉆臺空間小，傳動可靠，工作時噪聲較小，整體尺寸小、質(zhì)量輕，方便拆裝和運輸，效果良好。

5 結(jié)論

該ZJ50DB 型石油鉆機直驅(qū)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置有以下特點。

（1）該轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置采用低速大扭矩交流變頻直驅(qū)電機替代常規(guī)電驅(qū)動轉(zhuǎn)盤的高速交流變頻電機，通過球籠式萬向聯(lián)軸器直接驅(qū)動轉(zhuǎn)盤，省去了中間齒輪減速箱這一大型傳動機構(gòu)，簡化了傳動鏈，提高了傳動效率和可靠性，同時減少了中間故障點，降低了運行維護(hù)成本，更加方便轉(zhuǎn)盤的維護(hù)與保養(yǎng)。

（2） 該轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置更加節(jié)能環(huán)保。采用的低速大扭矩交流變頻直驅(qū)電機能效等級不低于GB 18613—2020《電動機能效限定值及能效等級》中的二級，降低了作業(yè)能耗，減少了碳排放量，更加節(jié)能。此外，該轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置噪聲更低，據(jù)現(xiàn)場測量，較常規(guī)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置降噪約5～10 db（A）。由于取消了齒輪減速箱機構(gòu)，減少了機油潤滑系統(tǒng)，無油污污染，更加環(huán)保。

（3）該轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置慣性剎車采用氣壓控制的鉗盤式剎車，該氣控盤剎的剎車鉗是專門針對惡劣工部設(shè)計的，完全通過含不銹鋼成分的硅青銅合金壓鑄而成，結(jié)構(gòu)堅固，可對應(yīng)長時間運行和高強度的生產(chǎn)，且其所需要的維護(hù)保養(yǎng)極少。此外，該氣控盤剎所采用的剎車墊沒有石棉，對剎車盤無損耗，并且提供了相當(dāng)穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和優(yōu)異的磨損老化率。

（4）該轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置的傳動軸采用球籠式萬向聯(lián)軸器，通過其獨特的結(jié)構(gòu)和設(shè)計，實現(xiàn)了電機軸和轉(zhuǎn)盤軸的高精度同步旋轉(zhuǎn)。此外，該球籠式萬向聯(lián)軸器還具有使用壽命長、傳動效率高、平衡精度高、運行噪聲低、安裝簡便等優(yōu)點。

（5）該轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置安裝尺寸小、質(zhì)量輕，比常規(guī)的ZJ50DB 型石油鉆機用轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置約減輕4.8 t，更加方便拆裝和運輸。

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