DB4000型变频电动绳索绞车的研制与应用

潘飞，藏臣坤，孙军盈，杨硕，齐华

（中国地质装备总公司，北京 100102）

绳索取心钻进工艺是当前我国钻探取心的主导工艺方法，以“三高两低”（岩心采取率较高，钻头寿命较高，钻进效率高，降低成本，降低劳动强度）的优势取代传统提钻取心方法。岩心打捞是绳索钻进的核心环节，绳索绞车的选择对于岩心打捞的成功与否、效率高低具有决定性影响。

目前常用的绳索绞车类型，以JS系列机械绞车为主，辅以较少的液压绳索绞车。JS绞车由电动机、皮带、离合器、变速箱、卷筒及带式刹车组成，作为立轴钻机的配套设备。在常规1000m以浅的钻探取心施工中，满足了基本的功能要求。随着我国“深部找矿”战略的推进，2000～3000m深孔，甚至大于3000m的超深孔取心钻探对于绳索绞车提出越来越高的技术要求、功能要求及操控要求，JS系列绳索绞车在速度控制、拉力控制、刹车控制、离合控制以及一体化远程控制等方面存在一定的盲目性，导致事故频发。尤其在深孔钻探过程中与绳索取心的工艺要求很不协调，不能满足当前地质取心钻探发展的需要。液压绳索绞车在操控性能上较机械绞车有所提升，但仍有一定的局限性：大多液压绞车作为全液压钻机的配套，无独立动力源，主机动力机和液压系统在长时间打捞辅助过程中仍需保持运转状态，不节能；液压传动效率低，深孔重载能耗更大；液压系统复杂、不易查找故障点、设备维修困难；液压油在维修过程中的泄露造成环境污染，不减排。因此，有必要研制清洁、高效、高精度操作的深孔绳索取心绞车。

DB4000型变频绳索绞车（图1）是中国地质装备总公司自主研发的XD35DB型全电驱钻探设备的重要组成部件，采用变频电机、电磁离合、测速和张力传感器，可进行远程一体化监控与操作。该绞车可在3000m～4000m超深孔绳索取心钻探施工中高效、便捷、可靠地完成打捞岩心、下放内管等作业，可作为深孔立轴钻机、液压钻机和电驱动岩心钻机的配套。

图1 DB4000型电驱绳索绞车

1 关键技术

1.1 自由落钩

DB4000型绞车在减速机与卷筒之间装有电磁离合器，离合器通电闭合，卷筒在电机驱动下可控升降钻具；断电脱开，卷筒无动力自由回转。在深孔、超深孔下放打捞矛时，可先在可控状态下将打捞矛下放至一定深度，在打捞矛及钢丝绳重量大于泥浆浮力及摩擦阻力时，离合器脱开切换为无动力自由下放状态。凸显两大优势：高速、节能，这是深孔打捞最值得重视的目标要求。

传统绞车只能实现有动力可控升降，下放速度控制较慢的情况下，以30m／min计算，4000m打捞时间需要将近4个半小时，超长时间的刹把操作，劳动强度太大，非人力所能承受；超长时间的工作需要更多的动力消耗，如果是液压钻机，整个主机动力消耗，动辄在数十万千瓦时以上，绝不是点点滴滴的节省。如果具备无动力可控自由落钩，在超深孔取心时采用可控自由落放，4000m打捞矛下降时间可以控制在1小时之内，既节省动力，实现快速下放，又降低劳动强度，同时保证打捞矛带钢丝绳在一定比重泥浆中的自然下落状态。

1.2 能耗制动与盘刹制动相结合

DB4000型绳索绞车采用交流变频电机驱动，电机由变频器驱动，绞车电机装有编码器，变频器在编码器的识别转速基础上实现对于电机的无级调速控制，并在小于1500r／min额定转速时以恒扭矩特性输出转矩及拉力，在高于1500r／min额定转速时以恒功率特性输出转矩及拉力，根据负载要求输出转矩，满足不同孔深的拉力需求，调速无级柔和，输出转矩平稳，而且可实现零速悬停。绞车在减速运行、缓慢升降以及临时停止运行过程中的制动方式为能耗制动，操作者调速的同时即可实现有效制动，不必操控刹车，降低操作难度，大大提高操控精度，满足深孔岩心打捞时对于速度及转矩自动控制的工艺需求。

DB4000型绳索绞车的驻车制动为液压盘刹，为常闭式刹车，弹簧夹紧，液压松开，可由主机提供液压源或配套独立的液压动力站。主要确保在岩心打捞过程中出现现场断电、离合失灵或者电机故障等异常情况，防止绞车失控，确保安全驻车，岩心安全悬停。

能耗制动作为运行主制动，液压盘刹作为驻车辅助制动，二者有效结合，为确保绳索绞车的操控精度、操作难度以及打捞的安全性方面提供了基础型的保障。

1.3 自动排绳、适用不同直径钢丝绳

DB4000型绳索绞车设置有专门的排绳机构，采用螺旋杆、滑销与导绳轮的组合运动实现钢丝绳的自动导向及轴向有序排列，采用双向螺杆实现钢丝绳的自动换向及径向有序排列。DB4000型绳索绞车螺旋丝杆的螺距32mm与Ф8mm钢丝绳的直径成4倍关系，导绳轮移动一个螺距，钢丝绳排列4圈。排绳螺旋杆的动力来自于卷筒输出轴，二者通过链轮及齿轮实现；该齿轮副同时具备手动调节功能，将大小齿轮脱开后可实现手动排绳，在初始安装及运转过程中偶尔出现乱绳时可脱开机械动力，手动调节螺旋杆，恢复到有序排绳状态。在2000m以上的深孔岩心打捞过程中，6～8mm直径钢丝绳在高速运转过程中，如果仅仅设置导向轮，没有排绳机构，很容易造成压绳、乱绳、咬绳、跳绳等问题，不仅严重影响钢丝绳的适用寿命、也容易引起打捞事故。

采用此种排绳机构具有以下优点：

（1）排绳机构的动力来自于绞车电机，不需要额外动力，同时可保证卷筒及排绳机构的转速具有一定相关性。

（2）排绳机构仅与钢丝绳直径有关，与钢丝绳层数无关。这样就不需要编写相关程序，同时可降低由于排绳误差导致的排绳混乱。

（3）排绳机构有手动调节功能，出现导绳轮与钢丝绳位置不一致时，绞车停转，手动将导绳轮调至合适位置即可实现自动排绳，操作简单方便。

（4）DB4000型绞车针对不同直径钢丝绳配有不同配比的链轮，通过更换链轮就可适用不同直径钢丝绳，满足深孔打捞作业可能需要根据取心直径、地层情况、泥浆比重等不同情况选用不同直径钢丝绳的需求。

1.4 精确控制打捞矛孔内位置

在传统的绳索绞车取心过程中，打捞矛投放位置主要是靠工人经验感觉，打捞成功率会大打折扣；特别是在深孔取心过程中，下放深度是否到位，内管打捞是否成功，不容易被确认。为解决这些问题，DB4000型变频绳索绞车设计安装了绳长绳速传感器、钢丝绳拉力传感器，可实时测量钢丝绳受力及打捞矛的投放位置。

（1）测速装置

DB4000型变频绳索绞车设计有测速装置，主要包括导绳轮和测速传感器，测速传感器安装在导绳轮侧板上，导绳轮上对称加工两个计数孔。绞车控制程序会先判断绞车正反转，在根据传感器输出的计数数据，通过公式进行逻辑计算，得出钢丝绳移动长度。

图2 测速装置

钢丝绳长度计算公式为：

其中：L－钢丝绳长度，m

D－导绳轮分度圆直径，m

n－传感器检测数值。

钢丝绳速度计算公式为

其中：v－钢丝绳速度，m／s。

采用此种测量方式，钢丝绳长度与速度的计算和卷筒长度、钢丝绳层数没有任何关系，仅和导绳轮直径有关，可防止由于钢丝绳乱绳导致的长度和速度计算误差，保证钢丝绳相关数据计算的准确性；而且这种测量方式简单可靠，成本低廉，为操作人员提供实时的打捞矛位置及速度数据。

（2）张力监测装置

在绳索取心过程中，打捞矛是否打捞成功，岩心堵塞后是否会造成钢丝绳拉断的情况，如没有监测就只能靠操作人员经验判断。DB4000型变频绳索绞车设计安装了张力传感器（图3），该传感器为应变式传感器，分为前后导轮和测量轮，可测量运动中钢丝绳的受力。通过绞车程序计算可得出钢丝绳及时受力。

钢丝绳张力计算公式：

其中：α为钢丝绳与测量轮之间的夹角。

DB4000型变频绳索绞车钢丝绳张力传感器前后导轮在同一平面内，保证钢丝绳进出张力传感器的角度始终不变，可够避免由于钢丝绳在运行过程中的摆动造成钢丝绳张力测量误差，避免错误的张力检测数据使操作者判断错误造成事故发生。

图3 张力监测装置

1.5 远程操作，程序化控制

DB4000型变频绳索绞车，采用独立的逻辑控制器或者主机系统的PLC进行逻辑控制，并通过司钻房内的触摸屏（HMI）的一个界面（图4）进行远程操作。操作者可在司钻房内操作绞车电机的起停、打捞矛的上升下放、绞车悬停、盘刹的打开刹死等一系列动作；也可在操作界面上观察到打捞矛投放位置及钢丝绳拉力情况；报警界面，可视危险情况自动刹车，防止由于操作者的失误造成作业事故；绳索绞车处安装有摄像头，可实时观看绞车运行状态。

图4 HMI界面

DB4000型变频绳索绞车也配有远程监控系统（图5），工程师可不必在井场就可获得井场内施工的任何数据，该系统可保存绞车相关数据并制作相应图标，方便工程师远程监控。

图5 远程监控

2 绞车主要参数

项目 参数电机额定功率45kW电机额定转速 1480r／min单绳最大拉力30kN钢丝绳公称直径 Ф8mm绞车档数 1＋1R 无极变速滚筒尺寸（直径×长度） Ф400×968mm滚筒转速 83r／min绳速 0～1.75m／s刹车 液压盘式刹车刹车盘尺寸（外径×厚度） Ф800×20mm绞车外形尺寸（长×宽×高）2320×1200×1350mm

3 应用情况

2012年8月至2013年五月，在江西相山大型铀矿“中国铀矿地质第一科学深孔”施工中（图6），DB4000型变频绳索绞车作为主要部件承担了绳索取心重要工作，实现全孔绳索取心2818.88m（图7），终孔口径122mm；创造并刷新了国内S114大口径绳索取心钻探记录。绞车整体运行可靠，排绳有序，检测精准，控制灵活，顺利的完成了取心任务。

4 结语

DB4000型变频绳索绞车由电机驱动，变频器控制，速度控制稳定、调速平滑。由于绞车安装了测试装置、排绳机构、盘刹系统等，在现场施工中表现优异。主要优点包括：

（1）钢丝绳排列整齐，有效的防止了乱绳、咬绳等问题的发生；

（2）数据的实时监测，实现了数据化施工；

（3）远程操作、程序化控制，保证了施工的安全性、可靠性，防止事故发生；

（4）具有可控自由落钩功能，降低能耗。

DB4000型变频绳索绞车设计先进，功能齐全，该产品的推广应用可加快我国绳索取心绞车的更新换代，进一步推进我国绳索取心工艺的推广，市场前景广阔。

图6 DB4000绳索取心绞车

图7 中核科钻2818m岩心

［1］刘跃进，朱江龙，潘飞，黄洪波.新一代电驱动深孔岩心钻机的实践与展望［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2013（z1）.

［2］何磊，沈怀浦，杜江.YSJ3000型深孔绳索取心液压绞车的研制［J］.地质装备.2011（11）.

［3］孙军盈，杨硕，臧臣坤，李溪清.DB4000型变频电驱动绳索绞车的智能化控制［J］.地质装备.2013（14）.