7000m液压顶驱液压系统设计
【图文】：
catingsystem;Largeflowhydraulicsystem诞生于20世纪80年代的石油钻机顶部驱动钻井装置是钻井界的重大革命性变革。目前，根据驱动方式，分为电动顶驱(电机驱动)和液压顶驱(液压马达驱动)，市场上的大功率顶驱几乎都是电驱动，其价格非常昂贵(7000m电顶驱的价格在150万美元左右)。为了降低顶驱成本，增强市场竞争力，作者设计了一套1160kW的大功率7000m液压顶驱，其成本仅仅为电顶驱的50%左右，将具有非常强的市场竞争优势。此系统的设计参数为:转杆最大转速220r/min，对应的最大扭矩31kN·m，最大上卸扣扭矩为123图1顶驱输出性能曲线kN·m，对应转速0～20r/min。系统输出性能参数如图1所示:转速在0～20r/min时段，为上卸扣段，最大上卸扣扭矩为123kN·m;在20～85r/min时段，为恒扭矩段，最大输出扭矩为81kN·m，在85～220r/min时段，为恒功率段，最大输出功率为721kW，其中顶驱90%的工作时段在80～120r/min时段。1动力站液压系统设计1.1电机功率计算与分析(1)根据蒲氏公式，计算破岩功率与泥浆阻力功率。钻头破岩功率:N1=K·W·D头3·n71.62×0.746(kW)式中:K为摩阻系数，取0.15;n为转速，220r/min;D头为钻头直径，取17.8cm;W为钻压，28×104N。N1=K·W·D头3·n71.62×0.746=57kW泥浆阻力功率:N2=1.15×105·γ·L·n1.6(kW)式中:γ为泥浆密度，取1.6g/cm3;L为转柱长度，取7000m;n为动力输出转速，取150r/min。计算得:
机防爆，极大地降低了成本;采用2个电机单独驱动，一方便考虑如果一个电机损坏还有一个电机可以备用，防止停机影响作业，另一方面当钻浅层时，可以只采用单个电机作业，可提高电机和液压泵的使用寿命。1.2液压泵的选择与计算1.2.1主轴转动液压泵确定根据设计输出扭矩与转速，考虑各个环节的效率，液压泵需要提供的功率P=2π·M·N60η=895kW，再考虑性价比，选择6个190mL/r的ＲEXＲOTH泵(总功率可以达到1500kW)。根据顶驱的工作特性，选择液压泵带恒功率控制、压力切断控制、电比例控制，设计的液压泵原理如图2所示。图2液压泵原理图其中，恒功率控制阀实现恒功率段转速与压力相互协调作业、保护电机不因超载而损坏，根据计算，此系统的恒功率压力点设计为23MPa;考虑瞬间负载压力过高引起液压件损坏，液压泵带压力切断阀以保护液压元器件，切断压力设计为35MPa，该压力同时保证最大上卸扣扭矩达到123kN·m;在每个泵的出口处设计有单向阀，主要考虑当系统某一个泵出现故障时，系统仍能正常工作，也方便排除故障点，另外当只有一组泵工作的情况下，另一组泵不会产生反转。1.2.2液压马达变量控制液压泵确定经查询，设计的液压马达排量调节所需流量为24L/min，选择1个16mL/r的液压齿轮泵来提供动力。1.3散热系统的选择与计算整个系统的发热功率包括电机、分动箱、液压泵、变速箱、减速机、液压马达与管路的功率损失，可总体将发热量分为3个部分:电机、液压系统与变速箱。电机采用自带的风冷散热器进行散热(散热器的功率为100kW)。液压系统根据效率与功率计算，有200kW的压力损失发热量。查散热器型谱，选择2个120kW的风冷散热器，，散热器驱动马达流量选择32mL/r，压力在5MPa，选择散热器的驱动液压泵为2个16mL/r?
【作者单位】： 遵义师范学院工学院;湖南机电职业技术学院汽车工程学院;
【基金】：贵州省科学技术联合基金项目(黔科合LH字[2015]7045号;黔科合LH字[2016]7001号)
【分类号】：TE92
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