立轴式钻机的升降机

1《岩土钻掘工程学》第三章钻机与泵第二节－>第三单元立轴式钻机的升降
机
立轴式钻机的升降机
升降机的功用是升降钻具、套管和悬挂钻具、在处理事故时进行强力起拔等。

升降机的主要组成部分包括传动机构、卷筒和制动器。

为增强深孔制动器的效能，下降制动器带有水冷装置或水刹车装置。

几乎所有现代钻机均采用行星传动式升降机。

按照传动原理，行星式升降机有两种类型，即定轴轮系传动型和行星轮系传动型。

定轴轮系传动升降机的结构如图3-6所示。

卷筒与内齿圈固定连接，提升靠内齿圈带动。

其工作原理如下：
(1) 提升钻具刹紧提升抱闸8，同时松开制动抱闸9。

行星轮5及其轴4不能绕升降机轴1公转。

在角速度为ωa的中心轮带动下，行星轮绕自身轴以ωg自转，并带动内齿圈以ωb转动，缠绕钢绳，提升钻具［图3-6(a)］。

提升时，定轴轮系行星式升降机的传动比为
(3-1)
式中：Zb、Za--分别为内齿圈与中心轮齿数；"-"号--转向相反。

图3-6 定轴轮系行星式升降机结构示意图
1-升降机轴；2-升降机传动齿轮；3-中心轮Za；4-行星轮轴；5-行星轮Zg；6-内齿圈Zb；7-卷筒；8-提升抱闸；9-制动抱闸；10-行星架
(2) 制动钻具抱闸9刹住下降制动盘，同时松开抱闸8。

因卷筒与内齿圈被闸住不转，钻具停止升降。

此时行星轮自转又公转［图3-6(b)］。

(3) 下降钻具两抱闸均松开，在钻具自重作用下钻具下降［图
3-6(c)］。

(4) 微动升降（ωb、ωH可控）即慢速控制升降工况。

若松开提升抱闸
8，控制制动抱闸9，钻具会出现下降、停止和慢速下降运动状况；若松开制动抱闸9，控制提升抱闸8，行星轮出现三种运动状态，即钻具提升、停止（不稳定）和下降运动状况。

因此，行星式升降机能够并允许微动升降操作，两抱闸只要不同时刹死，两者制紧程度配合得当，微控升降操作就会得心应手。

XY-4型钻机的升降机（图3-7）属于定轴轮系传动行星式升降机。

升降机由卷筒、行星传动机构、水冷装置及抱闸组成。

升降机轴19右端的花键部插入分动箱的轴齿轮的花键中；升降机轴19的左端通过水套轴8、单列向心球轴承11、支架13等支承在支架上；轴左端头是四方轴头，作为人力传动升降机轴用；卷筒用两盘313型轴承16、36支承在升降机轴19上。

行星传动机构由中心齿轮24、游星齿轮32、内齿圈20等组成。

中心齿轮以花键连接装在轴19的右侧。

行星齿轮用两盘207型轴承30装在行星轮轴29上，行星齿轮共三组，均布安装在左右支架27上；行星轮轴的左右支架分别用一盘313型轴承36和两盘111
型轴承26支承在升降机轴上；右支架27外侧用平键28与提升制动盘34联结，并用螺钉将端盖23固紧在支架右侧，防止提升制动盘外串，两个支架用3个均布的螺栓连接成一体。

水冷装置由水套轴8、引水环9、压盖10、水管3及制动盘水套等组成。

图3-7 XY4型升降机
1-制动抱闸；2-水管接头；3-水管；4-接头式压注油杯；5-骨架橡胶油封；6-档板；7-堵丝；8-水套轴；9-引水环；10-压盖；11-单列向心球轴承；12-水管接头；13-支架；14-内螺纹圆柱锁；15-骨架式橡胶油封；16-单列向心球轴承；17-孔用弹性挡圈；18-卷筒；19-升降机轴；20-内齿圈；21-密封盖；22-直通式压注油杯；23-端盖；24-中心齿轮；25-毡封油圈；26-单列向心球轴承；27-游星轮支架；28-平键；29-游星轮轴；30-单列向心球轴承；31-孔用弹性挡圈；32-游星齿轮；33-骑缝螺丝；34-提升制圈；35-提升抱闸；36-单列向心球轴承
1. 动力机类型的选择
1.1 钻机负载特性及其对动力机的要求
回转器带动钻具回转并刻取岩石，其所需的功率、转速随孔深和所钻岩石的不同而变化；升降机起下钻作业时，钻杆柱质量不仅随孔深而变化，而且在提升过程中经常有可能出现"提升遇阻"，甚至是强力起拔的情况，因此要求驱动动力机具有良好的调速性能及一定的超载能力。

此外，钻机流动性大，还要求动力机使用和维修方便、经济，单位马力质量小，便于搬迁。

1.2 动力机的特性
立轴式钻机一般采用交流电动机和柴油机驱动，有的使用直流电动机。

三相交流感应电动机在额定转矩时，其调速范围很小，而超载系数较大。

由于感应电动机使用方便，调速性能可用变速箱来改善，因此几乎在有电力供应的地区均采用交流电机驱动。

柴油机的超载系数不大。

虽然其调速范围略大于交流电动机，但是其输出功率与转速成正比，降低转速将使功率降低，不能产生增大扭矩的效果。

显然柴油机的工作特性与钻机的适应性较差。

大型柴油机可配备液力偶合器或液力变矩器以改善其输出特性。

用于钻探设备的直流电机，通常是以串激为主的复激直流电机。

直流电机驱动有许多优点，超载系数和调速系数较大。

但因直流电机笨重、结构复杂，在中小型钻探设备中尚未应用。

2. 钻机所需功率
立轴式钻机基本是采用单独驱动方案。

钻机所需功率，根据钻进与提升时所需的功率确定。

中、浅孔时按两者中的大值计算功率；深孔时则按提升功率确定。

2.1 钻进时钻机所需功率Nzj：
Nzj=N1+N2+N3 (kW) （3-3）
式中：N1--破碎孔底岩石与克服摩擦所需功率，kW；N2--回转钻杆柱所需功率，kW；
N3--钻机传动损失的功率，kW。

N1、N2、和N3的计算式请查阅有关文献。

2.2 提升时钻机所需功率Nts：
(kW) (3-4)
式中：Qd--大钩载荷，N；Vd--大钩提升速度，m/s；ηz--钻机传动效率，取0.85。

2交流变频调速钻机的节能潜力
桂暖银刘宝林王小刚
摘要：以XY-4型地质钻机为例，对常规异步电机驱动和交流变频调速驱动时的钻机能耗进行对比分析，结果表明：后者能耗明显小于前者，证明钻机采用交流变频调速动力系统有显著的节能效果，为提高钻机性能、降低钻探成本提供了一个新的技术途径。

关键词：钻机；变频调速；负载特性；节能；钻探成本
中图分类号：P634.3+1文献标识码：A
文章编号：1000-3746(2 000)01-0013-03
Potential Economizing Energy on AC Frequency Conversion Drill GU I Nuan-yin，LIU Bao-lin，WANG Xiao-gang
(China University of Geo-sciences, Beijing, 100083, China)
Abstract：Taking XY-4 geological drill as example, comparing e nergy consumption of drill driven by conventional asynchronous motor with that driven by AC freque ncy conversion motor shows that the latter's is obvious lower than the former's. This demonstrates that economizing energy effect of drill driven by AC frequenc y conversion power system is obvious. A new technical way for improving performa nce of drill and decreasing drilling cost is provided.
Key words：drill; speed adjusting by frequency conversion; loa d characteristic; economizing energy; drilling cost
我国地质钻机的动力系统一直以异步电机加变速箱的简单驱动方式为主，其输出端只能由变速箱实现有限的几挡变速，不仅对钻探工作不利［1］，其额外电能损耗也是比较严重的。

这是由于：电机本身不能调速，即不具有调速节能功能；其输入端直接连到电网，对电网性能又会产生不良影响，因为异步电机本身属感性负载，在钻探过程中有时处于轻载或空载运行状态，功率因数很低，无功功耗较大，这会使电网性能变差，无功功率在电网上流动又会产生有功电能损耗。

电动机功率越大，对电网的不良影响也越大。

因此一般需在电网侧加装无功功率补偿装置来提高功率因数，减少电能损耗。

在我国钻探领域，对钻机的节能问题一直未引起足够的重视，这主要是由于技术方面的原因。

随着电动机调速技术，特别是变频调速技术的发展并走向成熟，使钻机节能运行成为可能。

由于能源价格的上涨，能耗在钻井每米成本上的比例也越来越大，已是不争的事实。

但钻机节能幅度和潜力到底有多大？钻机节能运行能否成为降低钻探成本的重要技术手段之一？这些问题已引起钻探界专家的关注，急待解决。

1 动力系统的节能原理
对可变负载实现调速，是电动机运行中最重要的一个节能措施。

在电动机拖动机械负载运行时，通过电动机调速实现节能的效果，与负载的机械特性有密切的关系。

负载按机械特性，大体可分为2大类，即恒转矩特性和风机类负载特性。

对于恒转矩特性负载，负载转矩为一定，负载功率与转速成正比。

即当转速调低时，负载功率也随之降低。

而电网供给电动机的功率是否降低则取决于调速方式。

当采用变频调速时，在不同的转速下，总能保持较小的转差率，故转差功率较小，随着转速调低，机械功率降低，电磁功率也降低，由电网输给电动机的功率也减小，所以采用这种调速方式就能够节能。

但当采用调转差率调速，转速调低时，转差率增大，转差功率也随之增大，尽管机械功率随转速降低在减小，而电磁功率基本不变，由电网输入的功率也就不能减小。

所以这种调速基本上起不到节能作用。

这说明采用高效调速方法可以节能，采用低效调速方法时(除串级调速外)则不能节能。

对于风机类机械负载，由于负载转矩与转速的平方成正比，轴上功率与转速的3次方成比例。

对这类负载，采用高效调速方法和采用低效调速方法都可以节能，当然高效调速方法比低效调速方法节能更多。

低效调速节能的原因是：风机类负载转速调低时，轴功率转速3次方迅速降低，而电磁功率则随转速2次方降低，因而由电网输入的功率也就减小了。

当采用高效高速时，随着转速的降低，除电磁功率照样与转速2次方成正比地降低，还可回收转子的转差功率，所以由电网输入的功率又比低效方式有显著降低。

钻进过程是钻探工作的主体，钻进时钻柱回转的负载转矩与转速的0.5～0.91次方成正比［2］，它具有介于恒转矩与风机类负载之间的负载特性。

其调速节能的效果，可根据上述2种特性负载的节能效果综合分析。

2 交流变频调速钻机的节能估算
本文以目前广泛使用的常规地质钻机XY－4型(30 kW异步电机)为例，分析常规驱动和用变频驱动2种情况下的电网额外功率消耗，由此可估算出交流变频调速的节能效果和可能的节能潜力。

在钻探生产过程中，需要大量消耗动力机功率的钻进作业有：纯钻进过程、回次起下钻的提升过程和处理事故等工作。

在一般的金刚石钻进时，纯钻进时间约占总钻井时间的40%；回次起下钻约占总时间的20%。

其中提升工序，升降机是每隔一定时间才有负荷的；下放钻具工序，需要动力的时间极少，实际动力机空转时间约占回次起下钻时间70%以上，即占总时间的20%×70%=14%；处理事故时间平均按总时间的10%计算。

计算中，暂不计钻进和提升过程的离合器和传动箱等机械传动损耗。

2.1 调速节能
回转钻进过程是钻探的主体过程，其运行时间占总钻进时间的比例最大，调速节能主要在回转过程。

实际钻进时，为充分利用动力机功率，常在浅孔时使用较高的转速，深孔时适当降低钻具的回转速度。

浅孔时钻具的扭矩比较小，随着孔深的增加其扭矩也依次增大；一般动力机的功率消耗随孔深的增加也是依次增大的。

但即使是到额定孔深，动力机也不是满负荷运行(因为深孔钻机动力机功。