高转速顶驱液压系统组成及原理分析.pdf

２０１５ 年 １１ 月 第 ４３ 卷 第 ２２ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｎｏｖ􀆱 ２０１５ Ｖｏｌ􀆱 ４３ Ｎｏ􀆱 ２２ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１５􀆱 ２２􀆱 ０３０ 收稿日期 ２０１４－０９－２２ 基金项目 内蒙古民族大学科学研究项目 （ＮＭＤ１３２４） 作者简介 刘丽娜 （１９８２）， 女， 硕士， 讲师， 主要从事机电液一体化方面的科研和教学工作。 Ｅ－ｍａｉｌ ｌｉｕｌｉｎａ０８０５＠ １６３􀆱 ｃｏｍ。 高转速顶驱液压系统组成及原理分析 刘丽娜１， 于萍２ （１􀆱 内蒙古民族大学机械工程学院， 内蒙古通辽 ０２８０００； ２􀆱 吉林大学机械学院， 吉林长春 １３００００） 摘要 被称为人类 “入地望远镜” 的科学钻探是人类解决发展过程中一系列能源、 资源、 环境问题的重要途径。 现有 顶驱主要是为了满足石油钻井的需求而设计的， 顶驱的转速不能满足深部勘探一机多用的要求， 需要设计能满足更深地层 回转钻进需要的液压顶驱。 确定了液压顶驱液压系统的总体方案， 阐述了其工作原理， 绘制了液压原理图。 关键词 科学钻探 ； 顶驱； 液压系统 中图分类号 ＴＨ１３７ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１５） ２２－０９１－２ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｏ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ Ｔｏｐ Ｄｒｉｖｅ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ ＬＩＵ Ｌｉｎａ１， ＹＵ Ｐｉｎｇ２ （１􀆱 Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆｏｒ Ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ， Ｔｏｎｇｌｉａｏ Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ ０２８０００， Ｃｈｉｎａ； ２􀆱 Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｊｉｌｉｎ １３００００， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｉｓ ｃａｌｌｅｄ ｍａｎ’ｓ “Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ”． Ｉｔ’ｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｗａｙ ｓｏｌｖｅ ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ， ｒｅ⁃ ｓｏｕｒｃｅｓ， ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ． Ｔｏｐ⁃ｄｒｉｖｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｄｒｉｌｌ． Ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｏｐ⁃ｄｒｉｖｅ ｃａｎ’ｔ ａｆｆｏｒｄ ｅｎｏｕｇｈ ｓｐｅｅｄ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉ⁃ｐｕｒｐｏｓｅ ｄｅｅｐ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ． Ｉｔ’ｓ ｎｅｅｄ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｒｏｔａｒｙ ｄｒｉｌｌ ｆｏｒ ｄｅｅｐ ｓｔｒａｔｕｍ ｔｏ ｍｅｅｔ ｄｅ⁃ ｍａｎｄ． Ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｔｏｐ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ． Ｉｔｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｗａｓ ｄｉｓ⁃ ｃｕｓｓｅｄ ａｎｄ ｉｔｓ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｗａｓ ｄｒａｗｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｄｒｉｌｌｉｎｇ； Ｔｏｐ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ； Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ 在大陆钻探过程常遇到坚硬的结晶岩， 如使用牙 轮取心钻， 要求回转速度不小于 ２８０ ｒ／ ｍｉｎ， 目前， 国内头， 其钻进效率低， 岩心采取率低， 故常选用孕 镶金刚石钻头。 而孕镶金刚石钻头要求其钻头圆周线 速度为 １􀆱 ５～３􀆱 ０ ｍ／ ｓ， ϕ１５２ ｍｍ 的钻头的交流变频电 动顶驱装置的回转速度为 ０～２２０ ｒ／ ｍｉｎ。 现有 ＤＱ４０Ｙ 型液压顶驱装置其转速为 ０～１９０ ｒ／ ｍｉｎ， 它们的最大 扭矩为５０ ｋＮｍ， 只能满足４ ０００ ｍ 以下钻机。 故这 些顶驱装置的回转速度都不能完全满足更深地层回转 钻进的需要， 所以需要设计转速高、 扭矩大的液压顶 驱。 顶驱装置将由液压马达驱动， 这就需要选择高压 大排量的液压马达。 １ 系统的组成 液压顶驱系统主要由液压马达、 减速器、 主轴等 组成， 作用是驱动减速器驱动钻杆旋转钻进。 液压马 达驱动系统是为钻井液压顶驱马达提供动力， 其主要 能源部件采用恒功率变量泵与变量液压马达配合， 液 压附件由蓄能器组、 油箱、 热交换器、 滤油器、 阀组 管件等组成［１－２］。 液压马达驱动分为单液压马达型和 多液压马达型， 马达输出轴与减速器齿轮轴相连接， 通过齿轮传动驱动主轴旋转从而进行钻进。 采用液压 马达驱动取代交流变频电机驱动， 使得整机结构更加 紧凑， 空间尺寸整体缩小。 ２ 顶驱液压系统原理设计及参数分析 液压顶驱装置总图如图 １ 所示。 图 １ 高转速液压顶驱系统结构原理图 该装置主要由液压马达 １、 减速器 ２、 大通径水 龙头 ３、 内防喷器机构 ４、 钻杆上缷扣背钳 ５ 等 ５ 个 部分组成。 其工作原理是由 ４ 台双速液压马达 １ 提供 驱动力， 再经减速器 ２ 的一对减速轮将动力传给主 轴， ４ 台液压马达可实现变速， 单马达驱动或多马达 驱动使液压顶驱装置可实现 ２ 个转速。 在减速器上装 有大通径水龙头 ３， 在减速器下方安装有内防喷器机 构 ４ 和钻杆上缷扣背钳 ５。 顶驱 拟 采 用 六 主 泵 电 液 比 例 负 载 敏 感 （ 或 ＬＵＤＶ） 控制系统［３］， 液压泵由电机或柴油机驱动， 通过齿轮箱实现分动。 主泵优先选择力士乐 Ａ７Ｖ 系 列、 川崎 Ｋ３Ｖ 或 Ｋ５Ｖ 系列产品。 控制阀组以整体式 多路阀为主， 宜选用力士乐 Ｍ４、 Ｍ７ 等集成阀组。 但 由于顶驱执行机构数量较少， 也可考虑选择哈威 ＰＳＬ 片式阀作为控制元件。 在控制方式上采用了电液比例 先导控制结合手动减压式比例先导控制相结合的方 案［４］。 顶驱整体液压原理图如图 ２ 所示。 图 ２ 顶驱装置液压系统原理 顶驱回转机构采用 ４ 个轴向柱塞液压马达作为执 行元件， 马达以并联工况为主， 可采用 ２ 个主泵供油 方式进行高低速工作区间的切换， 且可借助比例先导 控制实现无级调速。 采用恒压恒功率变量泵与变量液 压马达配合能够提高能量的利用率起到节能的效果， 而且还可以根据地质条件自动改变动力头的排量和压 力， 进而提高钻速［５］， 使动力头自动适应地质土壤的 特性。 顶驱给进机构采用 ２ 个液压缸驱动的滑轮倍速机 构， 油缸行程达 １６ ｍ， 动力头有效行程为其 ２ 倍， 达 ３２ ｍ， 给进机构可实现 ３ ＭＮ 的起拔力， 确保在极 限钻深条件下顺利提钻。 由于整体设计方案已决定不 再另行布置主卷扬机和大钩， 故顶驱动力头兼作起下 钻升降机构， 在轻载工况下顶驱动力头需快速运动， 设计提出了液压缸低压条件下可差动快进的控制方 案。 为保证动力头快速移动时的流量供应， 可采用将 回转系统流量合流至给进机构的工作模式。 此外， 为 保护钻杆丝扣， 主轴设计为浮动结构， 且采用平衡油 缸与给进机构相联。 由于顶驱拟采用自动上卸钻杆装置， 而接卸钻杆 操作与动力头回转动作有着严格的逻辑关系， 拟在先 导控制环节将上述逻辑关系准确实现， 有效避免各种 可能发生的误操作。 同样， 对于类似双泵合流这样的 负荷控制， 也是通过单一手柄完成操作的。 在实现逻 辑控制的过程中， 采用了电液比例阀及压力继电器或 压力传感器。 ３ 结束语 确定了钻机液压系统的总体方案， 阐述了其工作 原理， 绘制了液压原理图。 同时兼顾了石油钻机常见 的操作功能， 液压系统设有辅泵回路用以实现动力头 的倾斜、 开合和锁紧， 以便在特殊情况下采用常规手 段处理可能发生的故障问题。 这些可选功能在通常情 况下可以省略。 参考文献 ［１］ 齐建雄，卢丽敏，谢宏峰．ＤＱ４０Ｙ 顶驱装置液压系统设计 ［Ｊ］．石油机械，２００８，３６（９）５０－５２． ［２］ 许福玲，陈尧明．液压与气压传动［Ｍ］．北京机械工业 出版社，２００７． ［３］ 陈欠根，纪云锋，吴万荣．负载独立流量分配（ＬＵＤＶ）控 制系统［Ｊ］．液压与气动，２００３（１０）１０－１２． ［４］ 陈扼西， 冯培锋， 闫勇刚，等．装载机工作装置电液比例 先导控制模块设计［Ｊ］．液压与气动，２００５（７）１１－１３． ［５］ 强宝民，肖晟．基于节能的液压系统分析与设计［Ｊ］．机 床与液压，２００８，３６（９）２３２－２３４． ２９机床与液压第 ４３ 卷