JC40D钻井绞车总体方案研究.pdf

与 开发 摘要 多年来 ，为提 质量重 、运行效率低 霉积小，便于移运。调 关键词 绞车 单轴 中图分类号 T E 9 2 3 S t u d y i n g o n t h e Ge n e r a l Ar r a n g e me n t o f J C4 0 D Dr a wwo r k s LI U Ho n g z h o u。 MA Ha i s h e n g C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m E a s t C h i n a ，D o n g y i n g 2 5 7 0 6 1 ，C h i n a Ab s t r a c t F o r ma n y y e a r s ，i n o r d e r t o e n h a n e e u t i l i z a t i o n r a t i o o f h o r s e p o we r o f r i g an d s p e e d u p h o i s t i n g ，t h e d r a wwo r k s u s u a l l y s e t s 4 -6 g e a r s wi t h t h e mu l t i a x i a l s t r u c t u r e ． Th i s i nc r e a s e s i t s v o l u me an d q ua l i t y ，a n d l e a d s t o l o we r e ffic i e n c y ，e t c ． I n v i e w o f t h i s ，a s i n g l e s h a f t d r a wwo r k s wi t h s t e p l e s s s p e e d r e g u l a t i o n i s d e v e l o pe d b a s e d o n Br us h l e s s DC mo t o r ．I t h a s s o me v i r t u e s s u c h a s t a i l o r e d s t r u c t u re，s ma l l v o l u me ， s ma l l flo o r a r e a ，e a s y d e p o r t i o n， a l o n g - r a n g e o f s p e e d ，e f f i c i e n t t o ru n ， e a s y t o c o n t r o l ，l i n e ar me c h an i c a l c h ara c t e r i s t i c s ． Ke y wo r d sd r a wwo r k s ；s i n g l e s h aft s t ruc t u r e ；b rus h l e s s DC mo t o r ；s t e p l e s s c h an g e；r e g e n e r a t i o n b r a k e 绞车是组成钻机的核心部件 ．它的性能好坏 直接关系到钻机 的整体性能 。为 了提高钻机 的功 率利用率 ，加速起钻 ，机械钻机 的绞车要设置有 限的 4 ～ 6个档 ，采用多轴传动结构 。总体设计存 在着体积大和质量重等缺点 ．严重影响了其应用 与发展 。现代钻机 ，尤其是海洋钻机 ，都迫切需 要一种体积小、质量轻的新型结构绞车。随着 电 力电子技术的迅速发展 ，直流无刷 电机技术 日趋 成熟 ，它既具备交流 电动机 的结构简单 、运行可 靠 、维护方便等一 系列优点 ．又具备直流电动机 的运行效率高 、无励磁损耗以及调速性能好等诸 多优点 ，可实现无级调速 ．所 以绞车可设 计成直 流 电机驱动 的单速单轴结构 ，使其结构简明 ，纵 向尺寸小 ，占地面积小 ，便于移运。 1总体结构简介 J C 4 0 D绞 车采用全 密闭式双墙 板箱 形结构 。 单轴单速传动方案 ，利用直流无刷 电动机 ，实现 无极调速。主要部件包括绞车架、滚筒轴 、齿轮 减速箱 、自动送钻装置 、盘式刹车、天车防碰装 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 4 1 4 置、润滑系统 、气控系统等 。传动原理如图 1 所 示 。减速器设置空档档位 ，使 主电动机与滚筒 和 自动送钻电动机分开 ，独立运行 ，互不影响。来 自主电动机 的动力经联轴器 、减速箱直接传递 给 绞车滚筒 ．系统效率高 。需 自动送钻操作时 。减 速箱齿轮挂 至空档 ，先与主电动机脱离 。再挂合 7 3 5 k W l 1 * ． ‘ 斗 十 ． _ J 3 7 k W ．10 ‘ 图 1 J C 4 0 D绞车传动方案 研 自动送钻离合器 。动力 由自动送钻 电机经其减速 箱 、离合器 、主电动机减速箱 、联轴器传递给滚 筒轴旋转 。滚筒两端轴承采用脂润滑 ， 自动送 钻 减速箱和绞车主减速箱齿轮与轴承采用齿轮泵润 滑系统强制喷淋润滑 。 2主要技术参数 额定输入功率 7 3 5 k W； 最大快绳拉力 2 7 5 k N 钢丝绳直径 b 3 2 m m； 钻井深度 1 1 4 mm钻杆，2 5 0 0 m～ 4 0 0 0 m； 1 2 7 mm钻杆，2 0 0 0 m～ 3 2 0 0 m； 配套钻机游动系统绳数 4 5 ； 滚筒档数 空档 无级变速 ； 滚筒转速 0 3 0 0 d m i n 开槽滚筒尺寸 f 直径 长度 6 4 0 mm x 1 2 3 5 mm； 外 形尺 寸f 长 宽高1 5 9 4 0 m m 2 9 4 6 m m 26 7 0 mm ； 质量 3 5 9 2 0 k g 。 3绞 车转速控制方案 3 ． 1直流 无刷 电动机 简介 直流无刷 电动机是利用 电子换相技术代替传 统直流电动机 的电刷换向的一种新型直流电动机 ， 主要 由电动机本体 、位置传感器和电子开关 电路 三部分组成 ，其原理框 图如图 2所示。电动机本 体在结构上与永磁 同步 电动机相似 ，但没有笼形 绕组和其它起动装置 。其定子绕组一般制成多相 图 2 直流无刷电动机原理框图 三相 、四相 、五相不等 ，转子由永久磁钢按一 定极对数 2 p 2 ，4 ，⋯组成 。这种电动机结构 简单 ，而且 由于去除 了机械换 向电刷 ，解决 了普 通直流 电动机限制最大转速 、易产生火花 、需定 期维修等缺点 ，具有一般直流电动机 的运行效率 高 、起动转矩大、调速范围广和机械特性为线性 等优点 ，又具有交流电动机 的结构简单 、运行可 靠 、维修方便等特点 ，非常适合应用于钻井绞车 装置。 3 ． 2直流 无刷 电动 机的控 制 直流元刷 电动机速度 的控制是根据位置传感 器 的反馈信号 ，计算 出转子速度 ，利用 P I 或 P I D 等控制 方法 。实时调 整 P WM 占空 比等来实现定 子 电流调节 。因此 ，控制芯片要进行较多的计算 过程。Mo t o r o l a公司的 1 6位 D S P 5 6 F 8 0 3芯片内部 的 P WM 模块是专 门面 向电动机控制设计 的 ，由 于其具有低功耗 、外 围电路配置灵活 、代码简洁 等优点 ．且在一个单一 的芯片上集成了 D S P数据 处 理 能 力 和 微 控 制 器 的 控 制 能 力 ， 因 此 D S P 5 6 F 8 0 3特别适合于有较强数据处理 能力 同时 又有较多控制功能的系统应用。 3 ． 2 ． 1主电动机的速度控制 控制直流无 刷电动机时 ．D S P控制器 主要是 根据转子 当前 的转 动位置 ，发出相 应的控制字 ， 通过改变 P WM 脉冲 的占空 比来实现对 电动机 的 控制 ，其驱动主电路如图 3所示 。直流无刷 电动 机的转子位置是 由位置传感 器检测 出来 的 在本 设计 方案中。采用三个光电式位置传感 器来检测 转子 位置 随着 电动机转子 的旋转 ，光 电式位置传感器 中的光 电管间歇接收从光源发 出的光 ，不断导通 和截止 ，从而产生一系列 “ 0 ” 、 “ 1 ”信号 ，这些 脉冲信号通过 I ／ O 口传输给 D S P控制器 ，D S P读 取光电元件的状态值 ，确定转子 当前的位置 ，通 过改变 P WM信 号输 出的高有效或低有效来控制 驱动电路 ，改变 MO S F E T管的导通顺序就能很好 地实现 电动机换相 的控制 ；同时改变 P WM 信号 占空 比来调节 电动机的转速。 由图 3可知 ，电动机驱 动电路控制桥功率管 的 导 通 顺 序 为 Q1 Q 2 、 Q 2 Q 3 、 Q 3 Q 4 、 Q 4 Q 5 、 Q 5 Q 6 、Q 6 Q1 ，为两两通电方式 。当其中两个桥臂 图 3 电动机驱动主 电路 与 开 发 导通时 ，另外一桥臂禁止导通 。电动机转子每转 一 圈 。光 电元件 H1 H 2 H 3会出现六种状态 ．D S P 对每一种状态发出相应 的控制字 ，改变 电动机的 通 电相序 ，实现电动机 的连续运行 。同时 ，利用 定 时器检测两次换相之 间的时间间隔 。计算出电 动机运行 的速度 ．再通过 调整 P WM信 号的 占空 比，调 整 电流 ，即 可实现 调速 。 3 ． 2 ． 2主电动机的制动 J C 4 0 D绞车取消了传统 的辅助刹车机构 ，辅 助刹车功能由主电机回馈制动实现。 依据电动机 的可逆性原理 ，任何电动机既可 作为 电动机亦 可作 为发电机 运行 。电动运行 时 ， 电枢 电流与反 电动势同相 ，电磁转矩为驱动转矩。 若强制电枢 电流与反 电动势反 向，电磁转矩 的方 向与转向相反 ，表现为制动转矩 。电动机工作 于 制 动状态 。此 时 ，电动 机相 当于发 电机 ，通过 Q1 ～ Q 6进行整流，将 电动机中的能量回馈给电源。 电动机作顺 时针 电动运行 ，某 时刻 电枢绕组 U、V两相通电 图 3 ，Q 1 Q 6关断 ，对 Q 3和 Q 4 进行斩波调制 。 若此时 Q 3 Q 4亦关断 ，电流流经 路径为 D 6 一V相绕组一U相绕组一D1 。建立 电 压方程 U u v - iU R - 誓一 E 州 。 式中 i t‘ V、U相和逆变器直流侧 电流 ，i v 一 i u i ； E , v 、E 删 V、U 相 电 动 势 ，E 帆 一 E 中 I J ； 厂U、V两端端电压 ； R、L、胁一电动机每相绕组 电阻、 自感和 互感 。 2 2 L d i 一 2 2 此时 ．由动能转化的磁场能量就转化为电能 回馈给电源 ，电磁转矩处于制动性质 ，电动机为 发 电制动状态 。若要实现 电动机反转 ，可在制动 结束 、转速为 0后 。改变功率管通断顺序 即可进 行反转起动 。 3 ． 2 ． 3自动送钻电动机的控制 自动送钻装置在绞车中的功能主要有两个方 面 一是 当主系统发生故 障时 ，该系统可进行应 急操作 ．能提升最大钻柱重量 ；二是送钻 时由数 字化控制系统设定恒扭矩 ．反拖滚筒 ，自动调速 和保护 ，可以实现恒压稳速送钻的 目的。 依据 自动送 钻装 置 的功 能要求 ，其 电动 机 控 制必 须具备 速度控制 和制 动功能 。其控 制原 理与 主电动机 相似 。出于安 全考 虑 ，增 加 了钻 具 转速 、钻具扭 矩 、大钩载 荷 、钻 井泵泵 压 和 游车位 置 的监 控 ，以便 实现 报警及 紧急 刹车制 动功能。 4主刹车机构 J C 4 0 D绞车主刹 车采用液压盘式刹车 ，刹车 盘分左 、右两件 ，由钢板焊接组成 ，刹车盘外径 1 5 0 0 m m，厚度 7 6 ram，刹 车盘 内设水 冷却 套 。 工作 时 ．冷却水从 滚筒轴 左端 水葫芦 通过 ，经 刹 车盘 内部 环流后 ，将刹 车盘 工作 中的热量 经 滚筒 轴右 端 出水孔 及水葫 芦带 到水箱 ，不 断循 环 冷却刹 车盘 ．保证刹 车盘使 用寿命 及制 动效 果 。 液压盘刹设有安全钳 、工作钳共 6副 ，工作 钳与安全钳形成互锁并互为备份 。其 中安全钳为 可调节式液缸 ．可调节刹车副间隙，提高刹车块 的利用率 ．延长更换周期 工作钳采用浮动式液 缸，具有 自动补偿作用 。 5特点 1 采用单轴结构 和齿轮传动 ，使绞车体积 小 、质量轻、振动小、噪音低 、传动平稳 、维护 保养简单方便。 2 减速箱设置空档档位 ，使主电动机与滚 筒和 自动送钻电动机分开，独立运行 ，互不影响。 3 绞车架为墙板式焊接结构 ，整体刚性强 ， 稳定性好 。 4 设置独立 自动送钻装置 ，可在主系统发 生故障时进行应急操作 ，增强钻机对地层 、工况 的适应 性 ，提高钻井质量 、降低钻头磨损 、减少 井下事故的发生以及降低钻井成本。 5 采用直流无刷 电动机驱动方案 ，结构简 单 、运行可靠 、维修方便 、运行效率高 、起动转 矩大、调速范围广 、机械特性为线性 。 6 直流无刷电动机可控参数多 ，控制方式 灵活 ，其输 出转矩与流过 它的电流成线性关 系 ， 起动转矩大 ，调速性能好 ，其控制性能优于异步 电动机 。特别是采用 D S P芯片 的速度控 制装 置 ， 可降低硬件成本 ，且其体积小 、重量轻 、能耗小 。 7 分散独立的电气传动系统 D S P控制有利 于和总的钻井控制系统 中的主计算机联机 ．实现 信息的双 向传递能力。 8 借助 D S P易于实现对 系统运行状态的监 视 、预警 、故障诊断和数据采集 ，有利 于对可能 发生的故障进行分析和处理 。 6结束 语 直流无刷 电动机具有调速性 能好 、控制方法 灵活 多变 、效率高 、起动转矩大 、过载 能力强 、 无换 向火花 、无谐波干扰 、无励磁损耗及运行寿 命 长等诸多优点 ，它在石 油钻井行业 的应用 ，使 得 起钻速度加快 ，钻井效率提高 ，故 障率降低 ， 将 给石油钻井行业发展带来动力驱动方面 的一场 变革。 参考文献 [ 1 ]李继志 ，陈荣振 ． 石油钻采机械概论 [ M]． 东营 石 油大学 出版社 ．2 0 0 4 ． [ 2 ]张琛． 直流无刷电动机原理及应用 [ M ]． 北京 机械 工 业 出版 社 ．2 0 0 4 ． [ 3 ]邵 贝贝，龚 光华 ，薛涛 ，等． Mo t o r o l a DS P型 1 6位 单 片机原理 与 实践[ M ]． 北京 北京航 空航 天 大学 出 版 社 ．2 0 0 3 ． [ 4 ]S Y ／ T 5 5 3 2 2 0 0 2 ，石 油钻机用绞车 [ S ]． 第一作者简介刘宏洲 ，男 ，1 9 7 6年生 ，陕西大荔人 ，大 学本科 ，工程师。研究领域 石油 机械 、工业阀 门、石油 特种车辆 、计算机辅助机械工程。 编辑 向 飞 欢迎订阅 机 械 传 动 杂志 机械传动杂志创刊于 9 7 7 年 原名齿轮 ，由中国机械工业联合会主管，郑州机械研究所、 中国机械工程学会、中国齿轮专业协会共同主办，是中国机械工程学会机械传动分会和中国齿轮专业 协会两组织的会刊。 本刊是中文核心期刊，中国科技核心期刊，中国科学引文数据库和中国学术期刊综合评价数据库 统计源期刊 ，中国期刊网、中国学术期刊 光盘版 入编期刊 ，中国期刊全文数据库收录期刊。 本刊主要报导机械传动领域 包括齿轮传动、机构学、链传动、带传动、机械无级变速传动等 的理论、设计、试验研究、测量、材料热处理、制造、润滑等方面的新成果、新技术、新工艺以及国 内外发展动向等方面的著作和信息。 本刊每月1 5 日出版 ，每期8 O 页 ，定价1 O 元／ 期 ，全年1 2 O 元。国内统一代号 C N 4 1 1 1 2 9 厂 T H，国际 标准刊号 I S S N 1 0 0 4 2 5 3 9 ，广告许可证号 4 1 0 1 0 0 4 0 0 0 0 1 1 ，邮发代号 3 6 3 6 ，全国各地邮局均 可订阅。 本刊竭诚欢迎机械行业的各类人士踊跃投稿 、订阅、刊登广告。