液壓傳動行星減速器在鉆井絞車中的應用

孟獻

（南陽二機石油裝備集團股份有限公司，河南 南陽 473006）

液壓傳動行星減速器在鉆井絞車中的應用

孟獻

（南陽二機石油裝備集團股份有限公司，河南 南陽 473006）

根據機械傳動行星減速器在鉆井絞車應用中存在傳動噪聲大、平穩性差、外形尺寸和重量大的問題，設計液壓傳動鉆井絞車，并對該絞車所使用減速器的設計方法進行確定。以JC14絞車為例，對液壓鉆井絞車所用減速器進行分析，對馬達、泵參數的選定方法進行說明，對減速器的結構形式和齒輪進行具體設計。優化后的設計經過實際使用，表明其克服了機械傳動鉆井絞車使用中存在的問題。

液壓行星減速器；鉆井絞車；傳動

行星減速傳動器在石油鉆修機上主要用作絞車［1］，分機械和液壓傳動形式，具體應用有液壓小絞車、測井絞車、鉆井絞車。液壓小絞車安裝在鉆臺上，用于將地面上的鉆桿或其他重物提升至鉆臺和井架二層臺，通過纏繞在絞車滾筒上的鋼絲繩提升物體。由于其自身結構限制和實際需要，一般選擇液壓馬達和單速行星減速器傳遞動力，其工作原理和減速器在絞車上的應用結構圖分別見圖1和圖2。測井車上使用的絞車也是液壓傳動，其安裝在車內，但需要輸出較大扭矩和低速度，一般采用變量馬達和雙速行星減速器來傳遞動力，目前雙速行星減速器已成為常規產品，其主要結構見圖3。

鉆井絞車是鉆井設備的品種，由于輸出大扭矩和較高速度，目前一般使用機械傳動絞車，其采用電機驅動定軸系齒輪減速箱來傳遞動力，通過自身滾筒上的鋼絲繩來下放和提升鉆桿。但該種絞車存在整個外形尺寸大、重量大、傳動噪聲大、平穩性差等缺陷，在一些特殊場合的應用中受到限制。如隨著對海洋鉆井平臺用鉆機使用要求的提高，作為鉆井設備的重要傳動部件，絞車的整體質量需要進一步提升，從傳動平穩性、降低噪聲、縮小絞車整體外形尺寸和重量等方面考慮，逐步引入馬達和行星減速器組成的液壓傳動絞車結構。但該種結構中的減速器不是單純的動軸系行星減速器，而是采用定軸系與動軸行星系相組合的減速結構。該種減速器的制造和安裝精度要求較高，本文配套設計的液壓傳動鉆井絞車提升了絞車的整體質量，經過現場應用考察使用效果良好，能滿足特殊工況的實際需要。

由于液壓小絞車和測井絞車所使用的減速器基本已標準化和系列化，因此本文重點對液壓傳動鉆井絞車所使用的液壓行星減速器進行討論。

1 液壓傳動行星減速器相關設計

設計包括絞車滾筒軸最大扭矩和轉速計算，泵和馬達參數確定，泵和馬達參數驗證，減速器結構設計和零部件設計等。

圖1 液壓小絞車工作

圖2 液壓小絞車結構

圖3 雙速行星減速器結構

1.1 減速器的結構確定及泵和馬達選用

根據以往絞車傳動用減速器設計經驗，結合結構尺寸和安裝位置要求，將減速器的結構確定為定軸輪系與動軸輪系相組合的減速結構，全液壓控制與驅動。由絞車所需要的輸入扭矩及最高轉速、減速器的總減速比，確定液壓泵和馬達的選型和參數。

1.1.1 絞車滾筒軸最大扭矩和最高轉速計算

①絞車滾筒軸最大傳遞扭矩計算如下：

式（1）（2）中，F為最大快繩拉力，N；D平為絞車滾筒平均直徑，m；Do為滾筒直徑，m；e為絞車滾筒纏繩層數，一般取3；φ為增量系數，一般取0.9；d繩為大繩直徑，m。

②絞車滾筒軸最高轉速計算如下：

式（3）（4）中，v為快繩線速度，m/s；D平為絞車滾筒平均直徑，m；v大鉤為大鉤線速度，m/s；n為繩系數，n=2×游系數。

1.1.2 馬達參數確定。根據減速器總傳動比、絞車滾筒軸所需的最大扭矩和最高轉速，并結合常用變量馬達參數，先初步確定馬達的型號和數量。根據以往設計經驗，一般選擇斜軸變量馬達，該種馬達有2個排量點：①當馬達在最大排量點時，能夠使減速器為絞車傳遞最大扭矩，此時絞車為大鉤提供的鉤速一般處于中速位置，如果要降低此時鉤速，調節泵排量即可；②當馬達在下一個排量點時，減速器傳遞的動力能夠為大鉤提供額定鉤載，并可通過調節泵排量，來控制鉤速。

1.1.3 減速器最大輸出扭矩及轉速的校核計算。馬達確定后，減速器最大輸出扭矩及轉速的校核分為以下3種情況。

①當馬達在最大排量點時，減速器最高輸出扭矩及轉速為：

式（5）中，n0為馬達在最大排量點時扭矩因數；P為馬達額定壓力，bar；n1為馬達數量；i為減速器總傳動比；η為機械傳動效率，一般取0.98。

式（6）中，q2為泵排量，mL/r；n2為泵數量；v2為泵持續輸入轉速，r/min；η2為泵容積效率，一般取0.95；η1為馬達容積效率，一般取0.95；q1為馬達排量，mL/r；n1為馬達數量；i為減速器總傳動比。

此時，幾臺馬達同時工作，減速器輸出最大扭矩，應大于絞車滾筒軸傳遞給大鉤的最大鉤載要求。減速器輸出的最高轉速一般使大鉤處于中速位置，并可通過調節泵的排量來降低此時大鉤鉤速。

②當馬達排量為另一個排量點時，減速器最高輸出轉速及扭矩為：

式（7）中，q2為泵排量，mL/r；n2為泵數量；v2為泵持續輸入轉速，r/min；η2為泵容積效率，一般取0.95；η1為馬達容積效率，一般取0.95；q1＇為馬達另一個排量點，mL/r；n1為馬達數量；i為減速器總傳動比。

式（8）中，n0＇為馬達在第2個排量點時扭矩因數；P為馬達額定壓力，bar；n1為馬達數量；i為減速器總傳動比；η為機械傳動效率，一般取0.98。

此時，幾臺馬達同時工作，減速器輸出最高轉速，應大于絞車滾筒軸傳遞給大鉤的最高鉤速要求。同時，所傳遞的扭矩使大鉤達到額定鉤載，并可通過調節泵的排量來控制鉤速。

③當絞車滾筒軸達到最高扭矩時，馬達實際壓力的確定：

式（9）中，Tmax為絞車最高傳遞扭矩；n0為馬達在最高排量口時扭矩因數；n1為馬達數量；i為減速箱總傳動比；η為機械傳動效率，一般取0.98。

1.1.4泵參數的確定。根據幾臺馬達同時工作所需排量，經過計算選擇泵。根據經驗一般選擇軸向柱塞泵。

1.2 減速器結構設計

液壓傳動鉆井絞車所使用的減速器主要結構設計為：多臺馬達同時傳遞動力，馬達輸出的扭矩和轉速由一級定軸齒輪減速結構，經由3個行星輪組成的行星齒輪減速結構，和最后一級定軸齒輪減速，通過最后一級齒輪與滾筒軸之間的鍵連接來傳遞給絞車。減速器輸出扭矩和轉速即為絞車滾筒軸輸入扭矩和轉速。具體結構見圖4。

圖4 減速器結構圖

2 液壓傳動行星減速器設計結果

技術條件：JC14絞車，最大快繩拉力140kN，額定功率257kW，滾筒直徑353.4mm，大繩直徑22mm，最大鉤載675kN，額定鉤載400kN，大鉤速度0.2～1.2m/s，游動系統4×3，游系數為3，減速器減速比7.02。

2.1 絞車滾筒軸最大扭矩和最高轉速計算

①絞車滾筒軸最大傳遞扭矩計算：

②絞車滾筒軸最高轉速計算：

2.2 馬達參數的確定

根據減速器總傳動比7.02，絞車所需要的最大傳遞扭矩30 436N·m，最高轉速316r/min，結合常用變量馬達的參數，選擇斜軸變量馬達250，3臺。其額定轉速3 400r/min和2 200r/min，最高轉速4 250r/min和2 700r/min。額定壓力42MPa。變量馬達有2個排量點：一個為250mL/r，一個為150mL/r。

2.3 泵的參數確定

根據3個馬達所需要的排量，經過計算，選擇90系列軸向柱塞泵250，2臺。排量250mL/r，持續輸入轉速2 300r/min，額定壓力42MPa。

2.4 馬達和泵確定后減速器最大輸出扭矩及轉速的校核計算

①當馬達排量為250mL/r時，減速器最高輸出扭矩及轉速為：

此時，3臺馬達和2臺泵同時工作，減速器最大輸出扭矩34 500N·m，達到了絞車滾筒軸最高傳遞扭矩30 436N·m的要求。當n=197rpm時，由nmax=v/（π×D平）= v大鉤×n/（π×D平）=v大鉤×2×游系數/（π×D平）=3.28r/s= 197rpm，得出大鉤鉤速v大鉤=0.75m/s，處于大鉤線速度（0.2～1.2m/s）的中等要求，如果要降低此時的鉤速，調節泵的排量即可。

②當馬達排量為150mL/r時，減速器最高輸出轉速及扭矩為：

此時，3臺馬達同時工作時，減速器輸出最高轉速為328.5rpm，達到了絞車滾筒軸最高轉速316r/min的要求。當M=20 700N·m時，由Tmax=F×D平/2=20 700N·m，得出快繩拉力F=95 216N，由F=大鉤鉤載/（繩系數×繩系效率），得出大鉤鉤載=95 216×6×0.81=463kN，達到了大鉤額定鉤載400kN的要求，通過調節泵的排量，來控制鉤速。

③當絞車滾筒軸達到最高扭矩30 436N·m時，馬達實際壓力為：

2.5 減速器結構尺寸設計

根據以上對液壓絞車減速器的設計計算，以及對齒輪計算知識和計算軟件的利用，將各級齒輪均設計為標準漸開線圓柱直齒輪，其參數確定為：①一級減速結構，m=6，Z1=45，Z2=54，齒寬B=115mm；②行星減速結構，m= 8，ZA=28，ZC=35，ZB=98，齒寬B=120mm；③三級減速結構，m=10，Z3=40，Z4=52，齒寬B=120mm。

3 應用效果

通過對液壓傳動鉆井絞車用減速器的設計和使用，達到了提高鉆機傳動平穩性、降低噪聲、縮小絞車整體外形尺寸和重量等方面的要求，同時使傳動系統精度更高。定軸系與動軸系相組合的減速器設計制造技術最初應用在南陽二機石油裝備集團股份有限公司生產的JC12、JC14絞車上，通過現場使用考察達到了預期效果。計劃進一步將該技術拓展至JC18、JC21等相對小型的鉆井絞車上。由于使用液壓和高精度的齒輪傳動，將使南陽二機石油裝備集團股份有限公司生產的小型鉆井絞車在整體制造技術和質量上均有較大提高。

［1］劉廣平，朱國牛.液壓絞車行星傳動系統的優化設計［J］.液壓與氣動，2010（12）：4-6.

Application of Hydraulic Transmission Planetary Reducer in Drilling Winch

Meng Xian
（RG PETRO-Machinery Group Co.Ltd.，Nanyang Henan 473006）

Due to the problems of large transmission noise,poor stability,large size and weight in the application of the mechanical transmission planetary reducer in drilling winch,hydraulic transmission drilling winch was designed, the design method of the reducer used in the winch was determined.Taking the JC14 winch as an example,this paper analyzed the reducer used in the hydraulic drilling winch,described the selection method of the motor and pump pa?rameters,and designed the structure and the gear of the reducer.The optimized design has been used in practice, which shows that it overcomes the problems in the use of the mechanical drive drilling winch.

hydraulic planetary reducer；drilling winch；transmission

TH132.41

：A

：1003-5168（2017）03-0061-03

2017-02-06

河南省重大科技專項“智能化斜直井鉆機關鍵技術研發及產業化”（141100210700）子課題。

孟獻（1983-），男，本科，工程師，研究方向：石油機械設計及開發。