一種鉆修機轉盤液壓驅動裝置

馬向南， 包夢華， 劉鵬飛， 邵海洋， 沈曉博， 趙福杰

（南陽二機石油裝備集團股份有限公司a.產品研發中心；b.機電工程技術公司，河南南陽473000）

0 引言

現在的鉆修機正在向智能化、模塊化、信息化發展，要求設備布局緊湊、尺寸小、質量輕、集成度高。轉盤是鉆機中實現動力傳動及分配、改變動力傳動傳遞方向、旋轉和懸掛鉆具的重要設備，常規轉盤的鏈條驅動和電動機驅動，傳動部件多、傳動裝置復雜、結構尺寸大以及質量重等特點，在一些特殊的鉆井設備上布置困難，而且影響主機的移運性能，作業效率也不高，給現場造成不小的麻煩[1]。

近年來，隨著大功率頂驅的出現，鉆盤按照鉆井工況設計轉速的功能要求降低了，主要功能體現在要具有較大的支撐能力和通孔直徑，高轉矩和低轉速等方面[2-4]。

針對傳統機械驅動的缺點，國內外許多科研機構和企業研發出了性能優良的液壓驅動轉盤。在國外，美國NOV、德國的WIRTH在很早就開始了研究，但是結構比較復雜，價格太過昂貴。在國內，如蘭石、寶雞、南陽二機也設計了多種樣式通過減速器或者直接驅動的液壓驅動轉盤[5]，但都僅僅通過控制泵的排量來進行轉速調節，效率利用不高，本文設計的液壓驅動轉盤通過雙速切換來實現轉盤的兩擋控制，減少了給定速度所需的流量，并減少了成本和提高了效率。

1 主要技術參數及馬達選型計算

1.1 主要技術參數

裝置型號為YZPQ375；通孔直徑為952.5 mm（37.5 in）；最大靜載荷為5850 kN；齒輪傳動比為3.56；額定壓力為1.6 MPa；最大壓力為2 MPa；額定流量為200 L/min；額定轉矩：高速擋13 000 N·m，低速擋26 000 N·m；最大轉矩：高速擋16 180 N·m，低速擋32 362 N·m；額定轉速：高速擋 35 r/min，低速擋18 r/min。

1.2 馬達選型計算

1）工作轉矩計算。該設計考慮液壓馬達直驅，因從轉盤輸入軸到轉盤輸出i=3.56，則液壓馬達需輸出轉矩：

式中：TMED為液壓馬達需輸出額定轉矩；TED為轉盤需輸出額定轉矩；TMmax為液壓馬達需輸出額定轉矩；Tmax為轉盤需輸出最大轉矩；i為轉盤傳動比。

2）馬達排量的計算。初步擬定額定壓力160 MPa，理論計算其馬達排量如下：

式中：V為液壓馬達排量；T為液壓馬達輸出額定轉矩；p為液壓馬達額定壓力；η為液壓馬達效率。

3）系統流量計算。高速擋（低排量）時，馬達額定轉速125 r/min，對應轉盤轉速35 r/min，對應的額定流量：

式中：Q為系統額定流量；V為液壓馬達排量；ηv為液壓馬達容積效率。

考慮剎車、換擋控制和泄漏，對流量取整為200 L/min。

由流量和排量反推得到低速檔（高排量）時：馬達轉速63 r/min≤115 r/min，轉盤轉速18 r/min。該轉速未超過馬達的低速工況額定轉速。

經過上述計算，查看液壓馬達樣本，選擇液壓馬達為MCR20C徑向柱塞馬達，制動器為多盤制動器（液壓釋放），駐車制動轉矩為17 500 N·m，剎車釋放壓力為1.5~3 MPa。

MCR-C型液壓馬達是安裝有后部殼體和法蘭連接驅動軸的徑向柱塞馬達。這些馬達具有緊湊型前部殼體，用于開路或閉路中的驅動裝置[6]。帶車輪螺栓的集成法蘭可非常方便地與其它設備相連接。

4）轉盤轉矩核算。當壓力△p=16 MPa時馬達轉矩：

換算為轉盤轉矩：

低速擋轉矩 TL160=TM160·i=26121.78 N·m；

高速擋轉矩 TH160=TM160·i=13060.89 N·m。

取整TL160=26000 N·m；TH160=13000 N·m。

結果顯示該液壓馬達轉矩滿足要求，同時駐車制動器轉矩17 500 N·m大于TLM160，轉盤能夠實現帶載駐車制動。

因轉盤ZP375最大轉矩32.36 kN·m，我們通過提高驅動壓力實現。

當壓力△p=20 MPa時:

換算為轉盤轉矩：

低速擋轉矩 TL200=TM160·i=32652.21 N·m；高速擋轉矩 TH160=TM160·i=16326.12 N·m。

此結果表明駐車制動器仍能夠滿足制動要求，同時只需把驅動壓力升高4~20 MPa即可覆蓋ZP375的全轉矩范圍。

2 液壓和電氣控制系統設計

2.1 液壓控制系統原理

液壓驅動轉盤采用閉式液壓系統，原理如圖1所示，液壓泵的流量可從零到最大值之間任何值，相對應提供給轉盤的轉矩也馬達采用兩擋控制，即在滿排量和半排量范圍內分別提供給轉盤從零增大為最大值的轉矩，并實現從小到大、從大到小的正反轉轉速。液壓驅動轉盤的閉式液壓系統由主液壓回路、控制回路、雙速切換和制動回路三部分組成，這三部分之間管線和快速接頭連接在一起，方便拆卸和運輸[7]。

圖1 液壓控制系統原理

1）主液壓回路。該系統采用雙向變量泵1和液壓馬達7組成，通過電信號控制電比例排量控制閥11推動伺服控制缸3來達到改變泵排量的目的[8]。

由于系統是閉式系統，系統內會存在泄漏，因此選用吸油過濾器5的補油泵2對系統進行補油和作為功能模塊的油源，補油的壓力可通過補油溢流閥4進行調節。

本系統還具有過壓保護功能、壓力限制功能、旁通功能，這些都集中在多功能閥9中，如圖2所示。

圖2 多功能閥

在某些特定情況下，系統中液壓油需要在泵主軸無法旋轉或不適宜旋轉時旁通液壓泵，以實現液壓油在泵及發動機不工作的情況下循環流動。

由于徑向柱塞馬達驅動轉盤時常產生大量的熱，高溫會降低液壓系統元件的壽命，因此馬達選了沖洗模塊對馬達殼體進行冷卻，冷卻油經馬達殼體、冷卻器6返回油箱[9]。

在機械應用中，需要馬達低負荷高速作業，可以將馬達切換至低轉矩和高速模式。這通過操作內置閥進行，將液壓流體僅送至馬達柱塞的一半行程中，而在另一半行程中則使液流連續循環流動。該“排量減小”模式減少了給定速度所需的流量，并減少了成本和提高了效率。通過雙速切換這一特性我們實現轉盤的兩擋控制，如圖3所示。

馬達端部帶有駐車制動器，以確保停止使用時馬達和轉盤不會旋轉。駐車制動器通過盤簧壓縮制動盤提供保持轉矩。當油壓作用至制動器油口“Z”時制動器釋放，盤簧受環狀區域的壓力壓縮，使制動盤獨立旋轉，也可通過擰開螺釘手動釋放制動器。

圖3 雙速軟切換原理

2）控制回路。控制閥組8（如圖4）采用電液控制，易于實現自動化智能控制。閥組主要由梭閥1、插裝調壓閥2、防爆電磁閥3及閥塊組成。當電動機正轉時壓力油經A2-A3口流向馬達，同時部分液壓油通過梭閥到達剎車釋放口Z解除駐車制動，馬達回油經B3-B2口流回泵，液壓馬達帶動轉盤實現正轉；反之電動機反轉則實現轉盤的反轉。

當兩位四通換向閥3得電，閥組X口輸出壓力油實現液壓馬達排量的軟切換，馬達排量減半即轉盤切換到了高速擋；在線圈斷電后，X口的壓力油經閥組的泄油口單獨泄回油箱。

圖4 液控控制閥組

2.2 電控制系統設計

1）電控箱。液壓轉盤電控原理如圖5所示：采用電位計輸出0~10V信號給定比例放大器（E-RPAC），比例放大器（E-RP-AC）輸出電流信號給排量控制閥，此閥為防爆比例電磁閥（三位四通），通過改變電流的大小控制伺服控制缸3的行程進而改變泵流量的大小，來調整轉盤轉速。同時設置有開關旋鈕S1負責電動機正、反轉電磁閥供電的切換，從而實現正、反轉選擇的控制[10]。

圖5 電控原理圖

設置旋鈕開關S2作為防爆電磁閥（兩位四通）的供電開關，實現液壓轉盤擋位的切換。該開關未導通時轉盤默認為低速擋。

2）控制臺。轉盤控制臺由正反轉選擇開關、高低擋選擇開關、轉速調節旋鈕組成，轉盤轉速與轉矩直接由參數儀系統顯示（如用戶有需要亦可在操作臺單獨顯示）。控制臺所選用控制元件均為防爆產品。

要求不工作時：正、反轉控制旋鈕置于“停（STOP）”位置；高低速選擇置于“低擋（LOW）”；速度調節旋鈕置于“0”位。

3 試驗過程及結果

本項試驗主要驗證液壓馬達輸出轉矩能否達到設計要求，此時僅對液壓馬達進行測試，不與轉盤進行聯調。

1）將液壓馬達與公司3000 hp綜合試驗臺的減速箱中間輸出端連接（減速比為2.03），液壓馬達反轉矩臂固定在支撐工裝上；2）正確連接管線，啟動電動機，馬達低速擋：電動機速度控制在130 r/min左右，轉矩設定為3598 N·m；馬達高速擋：電動機速度控制在260 r/min左右，轉矩設定為1799 N·m；3）啟動液壓馬達，通過增大控制手柄開度，將液壓馬達速度逐漸調整至65 r/min或130 r/min左右；4）觀察電控系統顯示屏，降低電動機轉速，觀察電動機轉矩變化趨勢，電動機轉速每級降10 r/min，逐漸電動機轉速接近0 r/min，觀察轉矩值能否達到設定值。繪制轉矩與轉速曲線，如圖6所示。

圖6 電動機、馬達轉矩與轉速曲線

圖7 轉盤轉矩與轉速曲線

已知轉盤傳動比為3.56，經過換算后可以得到轉盤轉矩與轉速曲線，如圖7所示。從圖7中可知該液壓轉盤轉矩滿足要求。

4 結論

1）閉式液壓系統的換向和起動平穩，節能，效率高,液壓沖擊比較小，大大延長了系統元件的使用壽命，保證了系統的可靠性；2）該液壓系統采用雙速軟切換的兩擋控制，通過“排量減小”模式減少了給定速度所需的流量，降低了成本和提高了效率；3）采用了電液控比例控制元件，提高了系統的響應時間和控制精度；4）安裝、移運方便，馬達安裝完成后，馬達不再拆卸，每次拆裝只需拆卸管線的快換即可，省時、省力。文中所述液壓轉盤已成功應用于某油田鉆機，完全滿足轉盤在鉆井過程中的工況特點和性能要求。