Ｊ Ｃ５ＯＤ Ｂ绞车电驱动方案的分折矾究 口张力－ 口周海领 口７３００５０ 徐乐 １．兰州理工大学机电Ｔ程学院兰州２．邦迪管路系统天津有限公司广州分公司 广州 ５１０８００ 摘 要：例举了ＪＣ５ＯＤＢ绞车四种典型电传动方案，分别介绍了其组成、结构、性能及其优缺点，并从其工艺性、可靠 ｝生、经济性等方面进行分析比较，找出最佳方案。 关键词：电驱动绞车 变频技术应用 绞车方案优化 中图分类号：ＴＥ９２３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—４９９８（２０１１）ｏ３－ｏｏ５１—０２ 的一侧输入，滚筒的正挡和倒挡依靠电机换向旋转实 现：变速箱输出端与滚筒轴之问靠离合器挂接，绞车下 钻时离合器打开．由刹车控制其下放速度，绞车起升钻 杆时离合器挂合，由变速箱通过电机提供的转矩传给 滚筒轴实现钻机的起升：主、辅刹车分别安装在滚筒体 两侧和滚筒轴左端。该方案从总体七来说，其特点是结 构简单、紧凑、使用元ｆＦ￣－＂、重量轻、体积小。 方案二．如图２所示，主要由２台相同规格的交流 电机、联轴器、两级两挡变速箱、滚筒和主、辅刹车装置 绞车是钻机最重要的设备之一，直接决定着钻机 钻进能力。为了适应浅海、海滩、沙漠和丘陵等不同地 带油气的勘探和开发，迫切需要一种体积小和质量轻 的新型结构绞车以适应模块化钻机的需求 交流变频 电传动绞车克服了传统机械驱动绞车体积大质量重的 缺点，具有钻井性能好、启动平稳、过载性能强、恒功率 调速范 大、功率利用率高、电机无电刷火花隐患等独 特优势，较好地简化了绞车结构，使绞车适应性强、经 济性好…～［ 。 １ 绞车独立电驱动方案形式 依据绞车功能原理和组成绞车的主要部件，设计 等组成。变速箱设计为两挡结构，其特点是一方面可以 缓解电机的转速范同．另一方而可以使绞车实现２个 正挡和２个倒挡，从而增加了绞车］＿作的灵活性。该方 了图ｌ至图４所示四种绞车传动方案．以下分别介绍 其组成和结构特点 。 方案一．如 １所示．主要由２台同规格的交流电 案总体结构特点是：结构简单、紧凑，绞车 作灵活性 好．重量较轻．体积较小 方案 ．如图３所示，变速箱中间轴上增加了一套 换挡装置，加上用低速离合器换挡，可实现４个正挡、４ 个倒挡。该结构除输入方式上与传统的２ｘ２＝４挡变速 绞车不同外，工作方式完全相同。绞车采用 机、两级一挡变速箱、一套离合器、滚筒和主、辅刹车等 组成。该方案的结构特点为动力通过变速箱从滚筒轴 这种方案的主要优点是变速调解范围宽。 变速箱齿轮等主要零件使用寿命长。如果 与方案一和方案二比较，在变速范同大致 相同的情况下．交流电机的变速范同可以 很小。但该结构的不足是冈增加了齿轮数 量和一套双向换挡装置等．从而使绞车的 体积和重量会有所增大，结构比较复杂。 方案四，如图４所示，结构与方案三的 传动效果相同，不同的是该方案在变速箱 中间轴上装了两套单向换挡机构．滚筒轴 与变速箱轴出轴同轴，少了一套联轴器。它 的优点是整体对称性好。输入方式比较直 接。缺点是箱体尺寸大，输入轴、中间轴尺 寸较长，绞车整体尺寸变大，重量增加，刚性 相对较差。 机械制造４９卷第５５９期 ２０１１／３ Ｉ ２绞车独立电驱动方案的对比分析 从钻井实际需要出发，对四种绞车方案进行全面 的对比分析，综合考虑其＿丁艺性、可靠性、经济性、运输 ２．３ 经济性分析 方案一自制传动元件最小，重量轻，加工成本最 低，运费最省。但该方案由于电机调速范围很大．从而 实现该方案所配的电机、输入轴轴承等必须特制，其价 格是非常昂贵的，大约比常规价值要高出４０％左右 因此，方案一从整体经济性能上来说，其成本和费用还 是相当高的，不是一种非常理想的方案。 安装维修性、通用性、互换性等许多问题，科学合理地 选择出一种理想的方案。 ２．１ 工艺性分析 从四种绞车方案的总体情况来看 方案一和方案 二的工艺性相对较好，主要原【大１是绞车使用元件少。变 方案二自制传动元件较少，体积小，重量轻，结构 简单，生产加工成本和运输安装费用较低 该方案由于 速箱体积小，从而降低整台绞车的生产加工难度。另外． 这两种方案中各传动轴的尺寸较小．加之轴上安装零 件少，从而降低了轴的加工难度，但不足是由于受变速 箱外形尺寸的影响，手工装配的难度会有所增加。装配 工艺性较差。 方案三和方案四由于元件多、箱体尺寸大、轴长等 因素．生产加工量大。产品生产周期长．但手工装配的 空间大，装配工艺性较好。 ２．２ 可靠性分析 对钻井绞车来说，其可靠性来源于三个方面，一是 电机及控制系统的可靠程度：二是传动系统的可靠程 度：三是主、辅刹车的可靠性程度。以下主要从前两个 方面对绞车方案进行可靠性分析。 方案一为一挡变速，变速完全依靠电机的调速来 完成绞车的变速范围，要想满足绞车的工作性能，则电 机的转速范围大约需要在０～ｌ ８００ ｒ／ｍｉｎ左右，如此大 的变速范围。其电机及其变频控制系统设计必然复杂， 可靠性相对较低；同时，由于电机的高速运转，使得变 速箱、特别是输入轴轴承、齿轮等使用寿命降低，可靠 性差。所以，对可靠性来说，该方案不是最理想。 方案二为两挡变速，与方案一比较，电机的调速只 需其一半的转速范围便能满足绞车的丁作要求。由于 电机转速范围的变小，其电机及变频调速系统将大大 简化，可靠性增高。同时，变速箱输入轴轴承、齿轮等元 件的可靠性、安全性也得到明显改善，齿轮的分布结构 也更趋合理。主要原因：一是由于变速箱输入端转矩较 小．设计布置一副齿轮便有较高的可靠性，如果设计成 人字齿轮，克服轴向力的影响，可靠性更好。二是输出 端采用两副齿轮，如果一副齿轮失效，还可利用另一副 齿轮维持短时Ｔ作，不致造成方案一齿轮失效时带来 的严重后果。 方案三和方案四单从电机控制性能及主要传动件 的可靠性和安全性上来说都比前两个方案要好，这是 由于电机变速范围小，使电机控制系统更简单。但这两 种方案由于传动件的增多，结构复杂，会引起整台设备 故障率的增加，同样限制了绞车总体可靠性的提高，不 利于绞车正常工作。 画２０１１／３ 可靠性高，并且由于电机调速范围很小，选用常规交流 电机便能满足使用要求，输入轴轴承等零件的技术要 求也不是很高，不需外购国外高价格的产品，其经济效 益非常明显，与方案一比较虽多增加了齿轮等元件，但 所增加的费用要远远低于选用特种电机所需的费用。 方案三和方案四在电机规格的选择上与方案二相 同，没有明显的经济优势。从传动及整体结构性上来 说，由于结构复杂．配套元件较多，导致生产加工成本 上升。另外，从运输安装维修上来说，这两种方案由于 体积较大，包装运输较困难，同时由于元件多，出现故 障的概率也大。从而使安装维修费用ｔｔｚ相应增多。所以 整体看来，这两种方案的经济性不是很理想。 ２．４标准化、通用性分析 从当前的技术条件来看。方案一由于电机的特殊 性．其标准化、通用性较差；方案三和方案四由于传动 系统的结构特点．虽比方案一有较大的改观，但由于选 配元件增多的缘故，其标准化水平也不会很高；相比 较．方案二实现标准化、通用化的情况要比其它方案成 熟的多，这是因为：①电机的标准化、通用性相对很高， 可供选择的范围较广；②由于该方案选配的电动机、变 速箱、滚筒等单元部件均采用联轴器连接，这便为产品 的通用化、模块化设计提供了方便，使其之间的匹配更 灵活．选择现套范围更广。 ３结论 鉴于以上分析。方案二的综合性能最好，结构最优， 为此，本文选择方案二作为ＪＣ５ＯＤＢ绞车电驱动方案， 该方案从外购配套元件、生产加工件均具有可行性。不 足之处是轴承、离合器及阀等部分元件从国外进口，增 加了绞车的制造费用。 参考文献 『１］李继志，陈荣振．石油钻采机械概论［Ｍ］．山东东营：石油大 学 版社，２０００． ｆ２］ 陈如恒，沈家骏．钻井机械的设计计算［Ｍ］．北京：石油工业 出版社．１９９２． 『３］ 符达良，张晓东．石油机械现代化设计技术与方法［Ｍ］．北 京：石油工业出版社，１９９２． △ （编辑 禾 禾） 机械制造４９卷第５５９期