永磁直驅(qū)絞車在地質(zhì)鉆探中的應(yīng)用

李　超，宋殿蘭，劉家榮

（北京探礦工程研究所，北京100083）

永磁直驅(qū)絞車在地質(zhì)鉆探中的應(yīng)用

李超*，宋殿蘭，劉家榮

（北京探礦工程研究所，北京100083）

為了滿足深孔能源普查和勘探的需要，研發(fā)永磁直驅(qū)絞車用于地質(zhì)鉆探中，代替原有系統(tǒng)的主副絞車完成提下鉆和送鉆工作，并直接驅(qū)動卷筒實現(xiàn)無級調(diào)速，取消減速機構(gòu)及輔助剎車機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。

永磁電機；直驅(qū)；絞車

1　概述

根據(jù)“找礦突破戰(zhàn)略綱要”工程的需要，我國著重加強地質(zhì)鉆探設(shè)備的機械化和自動化技術(shù)水平提升，而在地質(zhì)鉆機中起著重要作用的起升系統(tǒng)成為了改進的重要環(huán)節(jié)。目前地質(zhì)鉆機中常有的絞車有2種形式，即電動絞車和液壓絞車。電動絞車通常為異步電機經(jīng)齒輪減速器同步帶動卷筒，在電動機與減速器輸入軸之間裝有制動器。液壓絞車通常為液壓馬達通過行星齒輪減速驅(qū)動主軸和卷筒旋轉(zhuǎn)。這2種絞車均需經(jīng)減速器方能實現(xiàn)低速運行，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且能效較低，耗電量大。為了解決這一問題，使用永磁電機直接驅(qū)動卷筒，不僅簡化了起升系統(tǒng)，同時拓寬了低速運行范圍，節(jié)約能源，在地質(zhì)鉆機應(yīng)用中可屬首例。

2　地質(zhì)鉆機永磁直驅(qū)絞車的特點

本文中的鉆機絞車采用永磁電機直驅(qū)，通過變頻器控制電機轉(zhuǎn)速，與傳統(tǒng)絞車相比取消減速機構(gòu)，簡化了傳動鏈，提高了系統(tǒng)能效。永磁直驅(qū)絞車的結(jié)構(gòu)如圖1所示，卷筒采用雙折線筒可有效防止亂繩，安全鉗為液壓常閉結(jié)構(gòu)，斷電閉合，電機啟動后方可得電張開，有效保證起升機構(gòu)的安全。

（1）采用雙絞車，增強了工程實用性。

（2）取消減速機構(gòu)，減小設(shè)備體積和故障點，增加系統(tǒng)可靠性。

（3）拓寬低速范圍，適應(yīng)地質(zhì)鉆探的需求。

（4）工作過程中能耗剎車，可隨時懸停，無需機械剎車，降低剎車噪聲。

（5）系統(tǒng)能效高。

圖1　現(xiàn)有絞車結(jié)構(gòu)示意圖

3　地質(zhì)鉆機永磁直驅(qū)絞車的主要優(yōu)勢

液壓驅(qū)動系統(tǒng)功率損失較大，效率在0.7左右，同時液壓驅(qū)動系統(tǒng)對于零件加工質(zhì)量和濾油精度要求較高，制造和維修比較困難，且液壓油易污染。永磁直驅(qū)絞車同液壓絞車相比，能效高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于拆卸和維護。

永磁直驅(qū)絞車運行過程中無需任何輔助設(shè)備可隨時懸停，有利于起下鉆工況中的絞車反復(fù)起停。

起下鉆時，絞車上提載荷較重，下降時載荷較輕，平均載荷較小。根據(jù)電機的自身特性，異步電機的效率和功率因數(shù)隨著負載率的降低而減小，如圖2所示。通常絞車電機按其最大工作能力進行選型，而在實際鉆進過程中，由于平均負載率較低，傳統(tǒng)的電動絞車不得不使用主絞車進行起下鉆，輔助絞車進行送鉆。而永磁電機具有效率和功率因數(shù)與負載率近似無關(guān)的特點，如圖3所示，使得鉆機工作過程中始終保持較高的功率因數(shù)和效率，無論頻繁起下鉆還是自動送鉆過程中，均可保持較高的功率因數(shù)和效率，從而節(jié)省大量電能消耗，具有直觀的經(jīng)濟效益。

圖2　異步電動機效率和功率因數(shù)與負載率的關(guān)系曲線

圖3　永磁同步電動機效率和功率因數(shù)與負載率的關(guān)系曲線

該絞車的控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線，通過編碼器反饋，計算出大鉤高度，實時鉆進深度，鉆進速度，并設(shè)置了防碰報警，避免上碰下砸事故的發(fā)生。通過壓力轉(zhuǎn)換變送器，計算出鉆壓、鉤載、懸重等數(shù)據(jù)。通過變頻器及熱敏電阻等反饋，實時顯示電機的電流、扭矩、繞組溫度等工作所需數(shù)據(jù)。

HMI觸摸屏實現(xiàn)絞車智能化操作，除了具有顯示報警功能外，同時可設(shè)置軟開關(guān)，減少了控制系統(tǒng)的機械觸點。電機轉(zhuǎn)速運行范圍、自動送鉆數(shù)據(jù)可在屏幕中修改，并在各工作數(shù)據(jù)達到報警要求時，通過觸摸屏的報警燈進行提示。

該絞車能夠輸出短時過載轉(zhuǎn)矩滿足處理井內(nèi)事故的需要，通過機械和軟件互鎖避免人為操作失誤引起的危險產(chǎn)生。操作方便靈活，可完成原有鉆機多檔絞車才能完成的作業(yè)。自動送鉆功能的使用，不僅降低了司鉆工的作業(yè)強度，而且保證了系統(tǒng)穩(wěn)速運行和鉆進質(zhì)量。

3.1工程實用性

施工過程中，可根據(jù)起升重量選擇單機或雙機運行。提升重量較小時，僅啟動一臺絞車電機即可保證工程的進行。啟動雙絞車電機工作時，2#電機通過同步控制追隨1#電機電流和速度，保證雙絞車良好的同步工作性能。

變頻控制實現(xiàn)了永磁直驅(qū)絞車的無級調(diào)速，最低速度可達到0.03r/min。當(dāng)因地層原因，鉆進速度較慢時，以異步電機作為主驅(qū)動的傳統(tǒng)絞車因其低速帶載能力較差，很難達到自動送鉆的要求，而永磁電機直驅(qū)絞車的低速運行解決了這一問題，實現(xiàn)自動送鉆。

采用永磁直驅(qū)絞車代替了系統(tǒng)中原有的主副絞車，減少了現(xiàn)場用電設(shè)備數(shù)量。軟件防碰報警，可在絞車接近允許的運行范圍極限時報警提醒，當(dāng)達到運行范圍極限時，絞車電機停止同時液壓鉗合閘制動。

3.2鉆機的實際使用情況

該永磁直驅(qū)絞車目前已在浙江臨安市進行施工，設(shè)計井深為2520m，鉆孔井角90°，全孔連續(xù)取芯鉆進，終孔直徑?150mm。目前已鉆進至1400m，鉆機提升系統(tǒng)運行良好，通過起塔，鉆進，提下鉆等環(huán)節(jié)表現(xiàn)出了優(yōu)越的性能，與傳統(tǒng)起升系統(tǒng)相比耗能較小，得到了用戶的肯定。

圖4　絞車現(xiàn)場圖片

4　結(jié)語

永磁直驅(qū)絞車在地質(zhì)鉆機中的應(yīng)用，簡化了地質(zhì)鉆機提升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減小了設(shè)備體積，降低了系統(tǒng)復(fù)雜性，實際應(yīng)用表明，大大提高了地質(zhì)鉆機提升系統(tǒng)的方便性，節(jié)約能源和施工成本。

［1］耿瑞倫，張林霞，冉恒謙，等.21世紀地質(zhì)鉆探技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展趨勢［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2001（1）：9-13.

［2］于興軍，魏培靜，叢萬生，等.永磁電機在鉆井裝備中的應(yīng)用探討［J］.石油礦場機械，2010，39（11）：80-84.

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1004-5716（2016）09-0049-03

2015-09-09

2015-09-09

李超（1988-），女（滿族），遼寧丹東人，工程師，現(xiàn)從事電氣設(shè)計及其控制工作。