92A钻机下钻运动学与动力学分析

尹晓利，孔凡让，范成洲，曹 钧，王定贤

（1.中国科学技术大学工程科学学院，安徽 合肥 230026；2.西北核技术研究所，陕西 西安 710065）

0 引言

在大直径钻井施工中，钻机下钻操作不当会导致溜钻，如果刹车系统能力不足或保养不当，溜下的钻具会砸坏转盘等设备，甚至造成人员伤亡。因此，规范的下钻操作和良好的刹车性能是钻机安全运行的重要保证。

改造后的92A钻机采用交流变频电机和Vacon CX变频器实现变频调速。除了以常闭式液压盘式刹车作为主刹车外，还以电机能耗制动作为辅助刹车。为了保证钻机的安全运行，有必要对92A钻机下钻过程的运动学和动力学进行分析。

1 92A钻机能耗制动过程

92A钻机能耗制动主要发生在电机转子转速大于同步转速的状态下：下钻时，电机以变频器给定的频率工作，电机同步转速不变，但在钻柱势能的作用下，钻柱拖动电机，使电机转子转速大于电机同步转速；绞车即将停车时，降低电机的频率，在频率减小的瞬间，电机的同步转速随之下降，由于机械惯性的原因，电机的转子转速未变，这时电机转速也大于同步转速。当电机同步转速小于转子转速时，转子电流的相位几乎改变了180°，电机从电动状态变为发电状态；与此同时，电机轴上的转矩变成了制动转矩，电机在其机械特性曲线的四象限或二象限运行，处于再生制动状态[1]。

在92A钻机中，电机再生的电能经制动单元反馈到变频器直流电路的制动电阻上，从而将再生电能消耗在功率电阻上来实现制动，如图1所示。

图1 92A钻机能耗制动原理

其制动过程[2]为：

a.当电机在外力作用下反转、减速时，电机即以发电状态运行，能量反馈回直流回路，使母线电压升高。

b.当直流电压到达制动单元开的状态时，制动单元的功率管导通，电流流过制动电阻。

c.制动电阻消耗电能为热能，电机的转速降低，母线电压也降低。

d.母线电压降至制动单元要关断的值，制动单元的功率管截止，制动电阻无电流。

e.采样母线电压值，制动单元重复ON／OFF过程，平衡母线电压，使系统正常运行。

2 下钻运动学及动力学分析

钻机下钻操作的特点是：起钻过程中处于被动的钻柱载荷，在下钻过程中转化为主动；起升时绞车驱使钻柱提升而增加的势能，在下放时由绞车刹车机构和辅助刹车吸收，从而实现钻柱的匀速下放[3]。

根据钻机下钻操作特点，结合92A钻机能耗制动过程，分析下钻过程的运动及载荷变化的特点。下钻过程可分为加速、等速和减速3个阶段[4]。下钻速度变化及对应滚筒轴承上的力矩变化如图2所示。

图2 下钻速度与滚筒轴承上的力矩对应

2.1 加速段

如图2所示，在t1时间内，操作台上工况转换开关处于“下放”位置，操作手将速度给定手轮离开零点，此时绞车刹车打开，速度手轮匀速给定（电机的同步转速增大，电磁转矩增大）到预定速度位置。

在AB时间段，电机在钻柱势能和电磁转矩的作用下，钻柱载荷Q以变加速度加速下放，由于Q和游动系统以及滚筒上产生的惯性力矩为负值，使滚筒所承受的扭矩比开始悬持钻柱的初始力矩M0有所下降，即此时M＝M0-M惯。当电机转子转速等于同步转速时，滚筒轴承所承受的力矩降低到B点。B点以后，电机的转子转速开始大于同步转速，在旋转磁场的作用下，电机轴上产生制动力矩，下行加速度开始逐渐减小，力矩从B点逐渐增加到C点，达到M匀。

2.2 等速段

t2段为等速段。此时电机轴上产生的制动力矩M制，经各传动部件的传动后，与钻柱载荷匀速运动时产生的力矩相等。钻柱以给定的速度等速下放，随着钻头等逐渐进入水中，由于浮力的影响，滚筒轴承上承受的力矩略有逐渐减小的趋势，因此，滚筒轴承力矩图中的CD线略有倾斜。

2.3 减速段

t3为减速段。载荷下放至D时间点（接近预定行程终点）时，操作手进行速度给定手轮回零操作。此过程中，电机同步转速逐步降低，产生的制动力矩增大，绞车减速下放，大量的能量由制动电阻消耗。当速度手轮回到零点时，刹车动作。此过程中，钻柱载荷Q产生一定的惯性力矩M惯。则此时产生的最大动载力矩为：

M动max＝M匀＋M惯（1）

t1，t3时间段相对于t2是个很短的过程，钻柱分别处于加速和减速下放状态。由冲量定理可知，加、减速时间越短，钻柱载荷产生的惯性力越大，对绞车滚筒、轴承及钢丝绳产生动载冲击也越大，从而影响这些部件的使用寿命；在停车时，也会对主刹车产生较大的冲击，导致刹车块过早磨损。

3 最大动载力矩计算

4 刹车安全系数计算

在92A绞车设计计算书中，绞车刹车的安全系数是按绞车匀速下放载荷来计算的，不能说明刹车在很大动载冲击下是否安全。依据动载刹车产生的最大动载力矩计算结果，重新计算刹车安全系数。

一般情况下，刹车是个短暂的过程，不会使刹车片过热。即使在热摩擦状态，保证刹车系统状况良好的情况下，额定载荷下的刹车安全系数也不小于1.5。

5 结束语

92A钻机采用能耗制动来控制下钻过程，具有操作简单、控制精度高等优点，可实现快速、准确停车。但从以上的下钻运动学和动力学分析来看，在具体的操作过程中，仍需要注意：

a.在下放初始阶段和下钻结束需要停车时，操作手应平稳、缓慢地加、减速，适当掌握加、减速时间，以避免过大动载冲击。

b.刹车过程的安全是以刹车系统状况良好为基础的，为保证安全的制动，应定期检查、维护刹车间隙、刹车块和盘刹液压系统等的状况，保证刹车块清洁。

[1]周西章，周 全.电动机的起动·制动和调速[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2]Vacon.Vacon CX／CXL／CXS变频器中文用户手册[Z].Vacon中国公司，2004.

[3]赵 影.电机与电力拖动[M].北京：国防工业出版社，2008.

[4]赵怀文，陈智喜.钻井机械[M].北京：石油工业出版社，1995.