浅析车载钻修井机液压驱动转盘研制

母小平，刘炜，陈楠，邢付顺

（中国石油集团渤海石油装备中成装备制造公司，天津 300280）

转盘作为石油钻修井作业的主要部件，其主要作用就是传递扭矩，带动钻具旋转钻进钻出。目前，在以自走式底盘为载体的车载钻修井机中，转盘常规的驱动方式为机械驱动，动力经发动机、变速箱、传动轴、角传动箱、绞车、传动链条、转盘传动箱、传动轴、爬坡链条盒，最终传递到转盘上，从而带动钻具旋转钻进钻出。机械驱动转盘的缺点主要有，传动链冗长、传动部件多、传动装置复杂、传动效率低，传动部件外形体积大、占据台面空间大、而且增加整机质量，影响主机移运性能。尤其在新的国家标准GB1589-2016《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限制》实施后，对车载钻修井机等油田专用作业车的台面空间进一步压缩，对整机重量严格限制。因此结合车载钻修井机的作业特点，对于采用液压作为转盘驱动型式的研究非常有必要。

1 技术分析

1.1 组成结构

液压驱动转盘主要由主体结构、液压控制系统、电气控制系统及操作系统4部分组成，其中控制系统包括液压控制系统和电气控制系统。其中转盘主体结构整体安装在钻台上，液压控制系统、电气控制系统及操作系统安装在运载车上。

（1）主体结构

主体结构由液压马达、转盘组成。液压马达选用低速大扭矩柱塞马达，通过连接支架固定在转盘上，马达输出轴通过连接轴套与转盘输入轴连接，直接驱动转盘运转。主体结构如图1所示。

图1 液压转盘主体结构示意图

（2）液压控制系统

液压控制系统主要由液压泵、控制阀件、液压油箱等组成，主要功能包括转盘正反转控制、转盘档位控制、反扭矩释放控制。根据车载钻修井机的作业工况，设计选用双液压泵，分别安装在变速箱自有的2个取力口上。其中一个液压泵选用双联泵，作为转盘工作的主要动力源。另外一个选用单联泵，既可以作为转盘工作的辅助动力源，也可以为修井机其余液压控制部分提供动力源。控制阀件选用板式阀，通过集成阀组模块设计，从集成阀块内部油道实现油液互通。其中换向阀等选用电控方式，可实现远程控制。液压油箱利用修井机自有油箱为系统提供液压源。液压控制系统如图2所示。

图2 液压控制系统原理图

（3）电气控制系统（如图3）

图3 电气控制系统原理图

（4）操作系统

操作系统主要包括转盘正反转选择开关、转盘档位选择开关、反扭矩控制选择开关及转盘转速控制阀，以上所有操作元件均集成安装于司钻操作箱上，便于人员操作。（如图4）

图4 操作系统组成

1.2 工作原理

（1）转盘正反转选择开关主要控制转盘的启停及换向。转盘正反转选择开关位于“停止”位置，此时转盘换向控制阀处于中位，液流经换向阀中位直接返回油箱。同时，补油、冷却电磁阀Y5处于失电状态，液压泵Ⅱ第二出口分别向液压马达两腔供油，润滑马达腔体，防止内部元件损伤。转盘正反转选择开关位于“正转”位置时，转盘换向控制阀正转电磁阀Y4得电，液流带动液压马达正转，进而驱动转盘钻进。同时，补油、冷却电磁阀Y5处于得电状态，液压泵Ⅱ第二出口向液压马达冷却口供油，润滑马达内部驱动轴支撑轴承，并带走马达转动过程中产生的热量。转盘正反转选择开关位于“反转”位置，转盘换向控制阀反转电磁阀Y3处于得电状态，液流带动液压马达反转，进而驱动转盘钻出。

（2）转盘档位选择开关主要控制转盘的档位变化。转盘档位选择开关位于“Ⅰ档”位置时，由液压泵Ⅱ第一出口向液压控制系统供油。转盘档位选择开关位于“Ⅱ档”位置时，转盘档位控制阀电磁阀Y2得电，此时液压泵Ⅰ液流与液压泵Ⅱ第一出口液流进行合流，共同向液压控制系统供油。

（3）转盘反扭矩选择开关主要控制钻进过程中产生的反扭矩。在正常钻进作业过程中，反扭矩选择开关位于“保持”位置时，此时反扭矩控制阀Y6处于失电状态，反扭矩释放回路断开，无液流通过。遇到卡钻等紧急情况时，首先需要将转盘正反转选择开关置于“停止”位，然后将反扭矩选择开关位于“释放”位置，此时反扭矩控制阀Y6处于得电状态，液流经反扭矩释放回路通过，因钻具钻进产生的反扭矩也随之释放，保证了作业安全。

（4）转盘转速控制阀主要用来控制转盘转速。转盘速度控制阀为手轮气控比例调压阀，通过该阀件可以控制发动机转速大小，进而控制各液压泵的流量输出大小，最终控制液压马达及转盘的速度大小。同时该阀件可将发动机转速定位控制在任意转速状态下，不需要人员长期操作，减轻了作业人员劳动强度。

1.3 主要元件技术参数

（1）转盘主要技术参数

型号：ZP175；通孔直径：444.5mm（17.5in）；最大静载荷：1350 Kn；齿轮传动比：i=3.56；最大工作扭矩：13729N.m。

（2）液压马达主要技术参数

（3）液压系统主要技术参数

液压系统额定压力P：21MPa；液压泵Ⅰ排量VⅠ：99.4ml/rpm，效率η=0.9；液压泵Ⅱ排量VⅡ：165.7ml/rpm，效率η=0.9。

（4）液压转盘转速计算

已知发动机转速范围：700～2100rpm，其中怠速n怠=700rpm，最大转速nmax=2100rpm。

（5）液压转盘扭矩计算

通过对液压转盘转速及扭矩进行计算，转盘理论工作转速在23～111rpm范围，最大扭矩为13457N.m，各项性能参数满足标准SY/T 5080《石油钻机和修井机用转盘》标准规定值。

2 现场应用情况

该液压转盘应用在我公司生产的XJ900车载修井机上，2017年9月，在长庆油田北二区1#井进行了现场工业试验，钻井深度1248m。经过现场试验验证，转盘的转速及扭矩参数可以满足钻修井现场作业要求，各档位切换顺利，工作状态稳定，液压系统在使用过程中无明显油温升高现象，参数匹配合理，系统功率利用率较高。该液压转盘及控制系统操作简便，易于维护保养，整体工作性能达到预期要求。

3 结语

（1）在修井机自有变速箱上取力，无需另外增加液压动力装置，简化整机配套范围。

（2）采用集成阀组模块设计，从集成阀块内部油道实现油液互通，减少液压接头管线数量，整体结构紧凑，节约安装空间，便于后期维护检修。

（3）转盘控制采用电控方式，操作集成在司钻操作箱上，便于人员操作，亦可实现远程控制。

（4）由主机至液压马达的液压管线全部采用快速接头连接，现场安装、拆卸方便、安全、高效。

（5）液压马达、液压泵、控制阀件分别选用赫格隆、派克、华德液压等国内外知名液压厂家产品，保证产品性能。

（6）液压转盘及控制系统结构简单，转速及转矩能满足中小型钻修井的作业要求，安装使用及维护方便，制造成本低，可广泛配置于各类中小型车载钻修井机，有较好的推广价值。