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(dòng)卷筒實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速,取消減速機(jī)構(gòu)及輔助剎車機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便。
永磁電機(jī);直驅(qū);絞車
根據(jù)“找礦突破戰(zhàn)略綱要”工程的需要,我國(guó)著重加強(qiáng)地質(zhì)鉆探設(shè)備的機(jī)械化和自動(dòng)化技術(shù)水平提升,而在地質(zhì)鉆機(jī)中起著重要作用的起升系統(tǒng)成為了改進(jìn)的重要環(huán)節(jié)。目前地質(zhì)鉆機(jī)中常有的絞車有2種形式,即電動(dòng)絞車和液壓絞車。電動(dòng)絞車通常為異步電機(jī)經(jīng)齒輪減速器同步帶動(dòng)卷筒,在電動(dòng)機(jī)與減速器輸入軸之間裝有制動(dòng)器。液壓絞車通常為液壓馬達(dá)通過(guò)行星齒輪減速驅(qū)動(dòng)主軸和卷筒旋轉(zhuǎn)。這2種絞車均需經(jīng)減速器方能實(shí)現(xiàn)低速運(yùn)行,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且能效較低,耗電量大。為了解決這一問(wèn)題,使用永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)卷筒,不僅簡(jiǎn)化了起升系統(tǒng),同時(shí)拓寬了低速運(yùn)行范圍,節(jié)約能源,在地質(zhì)鉆機(jī)應(yīng)用中可屬首例。
本文中的鉆機(jī)絞車采用永磁電機(jī)直驅(qū),通過(guò)變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,與傳統(tǒng)絞車相比取消減速機(jī)構(gòu),簡(jiǎn)化了傳動(dòng)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(jī)啟動(dòng)后方可得電張開(kāi),有效保證起升機(jī)構(gòu)的安全。
(1)采用雙絞車,增強(qiáng)了工程實(shí)用性。
(2)取消減速機(jī)構(gòu),減小設(shè)備體積和故障點(diǎn),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(guò)程中能耗剎車,可隨時(shí)懸停,無(wú)需機(jī)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
液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率損失較大,效率在0.7左右,同時(shí)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)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(jiǎn)單,易于拆卸和維護(hù)。
永磁直驅(qū)絞車運(yùn)行過(guò)程中無(wú)需任何輔助設(shè)備可隨時(shí)懸停,有利于起下鉆工況中的絞車反復(fù)起停。
起下鉆時(shí),絞車上提載荷較重,下降時(shí)載荷較輕,平均載荷較小。根據(jù)電機(jī)的自身特性,異步電機(jī)的效率和功率因數(shù)隨著負(fù)載率的降低而減小,如圖2所示。通常絞車電機(jī)按其最大工作能力進(jìn)行選型,而在實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中,由于平均負(fù)載率較低,傳統(tǒng)的電動(dòng)絞車不得不使用主絞車進(jìn)行起下鉆,輔助絞車進(jìn)行送鉆。而永磁電機(jī)具有效率和功率因數(shù)與負(fù)載率近似無(wú)關(guān)的特點(diǎn),如圖3所示,使得鉆機(jī)工作過(guò)程中始終保持較高的功率因數(shù)和效率,無(wú)論頻繁起下鉆還是自動(dòng)送鉆過(guò)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(jì)效益。
圖2 異步電動(dòng)機(jī)效率和功率因數(shù)與負(fù)載率的關(guān)系曲線
圖3 永磁同步電動(dòng)機(jī)效率和功率因數(shù)與負(fù)載率的關(guān)系曲線
該絞車的控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線,通過(guò)編碼器反饋,計(jì)算出大鉤高度,實(shí)時(shí)鉆進(jìn)深度,鉆進(jìn)速度,并設(shè)置了防碰報(bào)警,避免上碰下砸事故的發(fā)生。通過(guò)壓力轉(zhuǎn)換變送器,計(jì)算出鉆壓、鉤載、懸重等數(shù)據(jù)。通過(guò)變頻器及熱敏電阻等反饋,實(shí)時(shí)顯示電機(jī)的電流、扭矩、繞組溫度等工作所需數(shù)據(jù)。
HMI觸摸屏實(shí)現(xiàn)絞車智能化操作,除了具有顯示報(bào)警功能外,同時(shí)可設(shè)置軟開(kāi)關(guān),減少了控制系統(tǒng)的機(jī)械觸點(diǎn)。電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍、自動(dòng)送鉆數(shù)據(jù)可在屏幕中修改,并在各工作數(shù)據(jù)達(dá)到報(bào)警要求時(shí),通過(guò)觸摸屏的報(bào)警燈進(jìn)行提示。
該絞車能夠輸出短時(shí)過(guò)載轉(zhuǎn)矩滿足處理井內(nèi)事故的需要,通過(guò)機(jī)械和軟件互鎖避免人為操作失誤引起的危險(xiǎn)產(chǎn)生。操作方便靈活,可完成原有鉆機(jī)多檔絞車才能完成的作業(yè)。自動(dòng)送鉆功能的使用,不僅降低了司鉆工的作業(yè)強(qiáng)度,而且保證了系統(tǒng)穩(wěn)速運(yùn)行和鉆進(jìn)質(zhì)量。
3.1工程實(shí)用性
施工過(guò)程中,可根據(jù)起升重量選擇單機(jī)或雙機(jī)運(yùn)行。提升重量較小時(shí),僅啟動(dòng)一臺(tái)絞車電機(jī)即可保證工程的進(jìn)行。啟動(dòng)雙絞車電機(jī)工作時(shí),2#電機(jī)通過(guò)同步控制追隨1#電機(jī)電流和速度,保證雙絞車良好的同步工作性能。
變頻控制實(shí)現(xiàn)了永磁直驅(qū)絞車的無(wú)級(jí)調(diào)速,最低速度可達(dá)到0.03r/min。當(dāng)因地層原因,鉆進(jìn)速度較慢時(shí),以異步電機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)絞車因其低速帶載能力較差,很難達(dá)到自動(dòng)送鉆的要求,而永磁電機(jī)直驅(qū)絞車的低速運(yùn)行解決了這一問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(chǎng)用電設(shè)備數(shù)量。軟件防碰報(bào)警,可在絞車接近允許的運(yùn)行范圍極限時(shí)報(bào)警提醒,當(dāng)達(dá)到運(yùn)行范圍極限時(shí),絞車電機(jī)停止同時(shí)液壓鉗合閘制動(dòng)。
3.2鉆機(jī)的實(shí)際使用情況
該永磁直驅(qū)絞車目前已在浙江臨安市進(jìn)行施工,設(shè)計(jì)井深為2520m,鉆孔井角90°,全孔連續(xù)取芯鉆進(jìn),終孔直徑?150mm。目前已鉆進(jìn)至1400m,鉆機(jī)提升系統(tǒng)運(yùn)行良好,通過(guò)起塔,鉆進(jìn),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(chǎng)圖片
永磁直驅(qū)絞車在地質(zhì)鉆機(jī)中的應(yīng)用,簡(jiǎn)化了地質(zhì)鉆機(jī)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(shí)際應(yīng)用表明,大大提高了地質(zhì)鉆機(jī)提升系統(tǒng)的方便性,節(jié)約能源和施工成本。
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1004-5716(2016)09-0049-03
2015-09-09
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李超(1988-),女(滿族),遼寧丹東人,工程師,現(xiàn)從事電氣設(shè)計(jì)及其控制工作。