液压起升钻机同步系统的设计.pdf

2 0 0 8 年第3 7 卷 第5 期第4 3 页 石油矿场机械 o I LF I E L DE Q U I P M E N T 文章编号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 0 8 0 5 0 0 4 3 0 5 液压起升钻机同步系统的设计 杨世平 敖沛 胡朝刚 四川宏华石油设备有限公司 四川广汉6 1 8 3 0 0 摘要 液压起升同步系统是为Z J 4 0 D B S T 新型40 0 0m 液压起升式快速移运钻机配套设计的 钻 机底座使用4 只液压缸垂直起升 钻机井架使用2 只液压缸旋转起升 选用同步马达 P L C 位移 传感器等 组合设计成同步控制系统 保证了在起放工况下液压油缸的同步性和钻机安全可靠性 缩短了钻机搬迁和安装时间 关键词 钻机 液压起升 同步系统 设计 中图分类号 T E 9 2 3文献标识码 A D e s i g no fN e wR i gH y d r a u l i cS y n c h r o n o u sR a i s i n gS y s t e m Y A N GS h i p i n g A OP e i H UC h a o g a n g S i c h u a nH o n g h u aP e t r o l e u mE q u i p m e n tC o L t d G u a n g h a n6 1 8 3 0 0 C h i n a A b s t r a c t T h es y s t e mi sd e s i g n e df o ra d v a n c e dZ J4 0 D B S T4 0 0 0 Mf a s t m o v i n gr i g u s i n gah y d r a u l i cs y s t e mt or a i s es u b s t r u c t u r ev e r t i c a l l yb yf o u rc y l i n d e r sa n dm a s tb yt w os w i n g u pc y l i n d e r s S y n c h r o n o u sm o t o r P L Ca n dd i s p l a c e m e n ts e n s o r s c o n s t i t u t et h ec l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e r n w h i c he n s u r e st h es y n c h r o n i z a t i o no fc y l i n d e r sa n dt h es a f eo p e r a t i o nw h i l ew o r k i n g a l s o r e d u c e st h em o v i n ga n dr i g u p d o w nt i m e K e yw o r d s d r i l l i n gr i g h y d r a u l i cr a i s e s y s t e mo fs y n c h r o n i z a t i o n d e s i g n 为了减少石油钻机的运输单元 减轻质量 快捷 搬安 诞生了一种以液压缸垂直起升底座 并且以液 压缸旋转起升井架的新型快速移运钻机 其液压系 统以变量轴向柱塞泵为液压动力源 主阀件采用进 口的负载敏感式双控 手动 电动 比例多路阀 同步 控制采用高精度同步马达 特殊设计的底座四缸垂 直同步起升控制系统 井架双缸旋升同步控制系统 集自动 手动补偿和单缸独立伸缩于同一系统 成功 地解决了双缸及四缸同步伸缩 同步控制问题 确保 了钻机安全下起放井架底座 提高了钻机的可靠性 经过样机测试以及多台钻机的使用验证 满足钻机 搬迁 安装要求 取得了较好的经济效益和社会效 益 具有一定的推广价值 1 系统组成 1 1 底座井架起升液压系统 底座起升的液压系统如图1 液压泵提供液压 动力油 操作五联多路阀的阀片1 压力油经过四联 同步马达等量分流 供给4 个底座液压缸A B C D 使其同步伸缩 同步精度受P L C 系统监控 操 作五联多路阀的阀片2 3 4 5 可对底座液压缸A B C D 进行单独控制 在没有P L C 控制的情况下 可以人工控制液压缸伸缩行程 同步起放底座 井架起升的液压系统如图2 液压泵提供液压 动力油 操作五联多路阀的阀片1 压力油经过四联 同步马达等量分流 由于井架液压缸只有2 只 为了 收稿日期 2 0 0 7 0 1 2 0 作者简介 杨世平 1 9 6 2 一 男 四川仁寿人 高级工程师 1 9 8 3 年毕业于甘肃工业大学机械系 现主要从事石油钻机液压 系统设计和研究 E m a i l n c e f r a n k a o g m a i l C O I T I 石油矿场机械2 0 0 8 年5 月 共用同步马达 将四联马达1 3 并联供油给井架液 压缸A 将四联马达2 4 并联供油给井架液压缸B 使2 只井架液压缸同步伸缩 同步精度受P L C 系统 监控 操作五联多路阀的阀片2 3 可对井架液压 缸A B 进行单独控制 在没有P L C 控制的情况下 可以人工控制液压缸伸缩行程 同步起放井架 图1 底座同步起升液压系统组成 图2 井架同步起升液压系统组成 1 2 主要液压元件 a 液压泵为1 6 0 Y C Y l 4 1 B 型轴向变量柱 塞泵 工作压力2 5M P a 最大排量1 6 0m L r b 操作阀五联多路阀为进口的负载敏感 式双控 手动 电动 比例多路阀 实现液压系统压 力 流量 方向等控制 使液压系统能同时满足各执 行机构对压力 流量的不同要求 c 同步马达四联同步马达是齿轮马达 它将 压力油一分为四 其分流精度受负载影响很小 可靠 性高 工作压力2 5M P a 分流精度0 5 1 5 d 液压缸 底座 井架起升用液压缸均为双 作用双级油缸 设计了双向平衡阀 防止油缸外部回 路爆管 过度起升负载性质变化和下放速度失控造 成设备人身安全事故 e 补偿液压缸为双作用单级液压缸 在井 架水平位置时 用于调节井架左右高低位置 操作五 联多路阀的阀片4 5 进行控制 f P L C 控制系统各液压缸的同步误差通过 闭环的监测控制系统来进行补偿 同步精度可通过 P L C 进行设定 液压系统原理如图3 所示 2 同步控制回路 在常用的同步回路中 节流同步回路用得较为 普遍 节流同步回路简单 成本低 但同步精度受油 温和负载影响较大 同步性能较差 本系统采用容 积式同步回路 4 个液压马达通过同一根轴机械连 接 以同一转速旋转 把相同的流量送入4 只液压 缸 从而实现四缸的同步 容积式同步回路的同步 精度取决于液压马达的容积效率 偏载所造成的压 差不影响送入液压缸的流量 只影响微量的压缩和 泄漏L l j 底座起放时液压油经同步马达一分为四 等流 量控制4 只油缸的伸缩 井架起放时液压油经同步 马达一分为二 等流量控制油缸的伸缩 在进行底 座或井架起升时 P L C 对传感器采集的信号进行处 理 输出控制相应补偿阀动作而达到消除位移误差 的效果 位移检测采用高精度拉绳式位移传感器 实时 将位移信号输入到P L C P L C 判断4 只缸的位移情 况 当位移差距达到1 5m m 时 P L C 控制补偿电磁 阀动作 自动进行补偿直到同步为止 如果误差没 有消除 上升到2 5m m 时 超限报警指示灯 红灯 亮 也可以外接一个声光报警器 如果误差达到了 3 0m m P L C 将发出紧急信号停止液压机具泵电机 运行 在整个过程中数字仪表实时显示各个油缸的 实际位移值 3 液压系统的设计计算口喝3 3 1 设计依据 液压系统为钻机液压起升系统以及液压机具提 供动力 根据主要液压机具 钻杆动力钳的参数 要求 可以确定系统的额定流量 根据液压起升的工 况要求 可以确定系统的最高压力 第3 7 卷第5 期杨世平 等 液压起升钻机同步系统的设汁 井真g 油缸A 井寅g 由缸B 蓍目虱倚缸A 笔茸虱l 打缶邛 毫圈 油缸c 底座油缸D 看 自 室油缸丰p 崖 由缸 8 18 29 19 29 39 41 0 1 1 1 一控制阀组 2 一单向节流阀 3 一节流阀 4 一同步马达 5 一补偿阀 6 一单向节流阀 7 一截止阀 8 一井架油缸 9 一底座油缸 1 0 一司钻室起升油缸 1 1 一井架调平油缸 补偿油缸 图3 液压系统原理 钻杆动力钳的额定流量 1 1 4L m i n 起升负载800 k N 因此 系统流量要求大于1 1 4L m i n 底座设计 为4 缸垂直起升 即单缸推力要求大于2 0 0k N 压 力选定为2 5M P a 据此可以确定液压系统的基本 参数如表1 表1 液压系统基本参数 3 2 计算结果及分析 3 2 1 系统空载最大流量 Q 一而q X n X r V 1 4 1L m i n 3 2 2 系统压力流量特性 本系统使用油泵是近似恒功率变量的 1 6 0 Y C Y l 4 1 B 型轴向柱塞泵 其压力流量特性曲线 如图4 该泵的功率曲线可以任意调定在A B C D 与A B C D 之间 曲线A B C D 是该 泵的实际功率曲线 A B C D 就是该泵的最大 功率曲线 即5 5k W 时的功率曲线 a 系统最大功率曲线分析 油泵在5 5k W 情况下 起始变量压力数值 即 p 2 为 石油矿场机械2 0 0 8 年5 月 户 堕丛穿苴塑一2 0M P a 油泵在2 5M P a 时处于变量状态 此时的排量 为油泵最小排量 即Q Q 2 一P X n Xr X r X6 0 0 1 0 1L m i n p 故 A 2 点坐标为 2 0M P a 1 4 1L r a i n D 2 坐 标点为 2 5M P a 1 0 1L r a i n 此时油泵最小排量百 分比为而1 0 1 7 2 譬 鲁 8 杏 一 爆 图41 6 0 Y C Y l 4 1 B 型轴向柱塞泵的压力一流量特性曲线 b 系统实际功率曲线分析 该泵出厂时设定压力2 5M P a 下的排量为最小 排量 取最大流量的6 0 可计算出系统的实际压 力流量特性 系统最小流量为1 4 1 0 6 8 4 6 L r a i n 即D 2 点为2 5M P a 8 0L m i n 此时系统进 入恒功率曲线时A 点的功率为 P 一骅 3 9 2k w1 6 0 0 仉 A 点的压力为 P l P 1X6 0 0 Xr 1 5M P M l a n 2 由此得出系统的实际压力一流量曲线如图5 名 昌 8 咨 一 塌 1 62 5 压力加 图5 柱塞泵实际的压力一流量特性曲线 c 油缸的运动特性 底座油缸是双作用双级油缸 其规格为 一级缸直径d 1 行程S 1 2 0 0m m 21 0 0m m 二级缸直径d 2 行程S 1 1 2 5m m 20 0 0m m d 油缸最大推力 F 7 c d l p 3 0 7k N 计算推力大于设计要求的2 0 0k N 故推力满足 要求 e 油缸最小速度 在2 5M P a 下的系统流量最小 即8 4 6L m i n 一级活塞速度为 l l n i n 了垒一1 1 1m m s 7 c d 二级活塞速度为 口2 I n i 了垒一2 8 5m m s 丌 d 油缸运行时间最大为 产旦 鱼 2 6 0s 4 5m i n V l m i n7 Z m i f 油缸最大速度 系统压力低于1 5M P a 系统流量最大为1 3 3 3 L m i n I 一级活塞速度为 U l r n a 粤 1 7 7m i l l s x 2 一2 l 丌 d 二级活塞速度为 现 了堑一4 5 3m m s 尢 d 油缸运行时间最小为 一旦 鱼一1 1 9 4 4 1 6 3s 2 7m i n V l m i x 0 2 m i l 由于在运动过程中 系统要实现自动补偿 补偿 的过程实际就是放油的过程 故系统的实际流量应 小于上述计算值 因此系统的实际运动速度也应比 上述计算值慢 其精确的运动速度与补偿的频繁程 度和同步马达的容积效率有关 4 结束语 该液压系统经过在新型液压起升钻机上长时间 的使用证明 实现了稳定可靠的同步工作 达到了预 2 0 0 8 年第3 7 卷石油矿场机械 第5 期第4 7 页O I LF I E L DE Q U I P M E N T2 0 0 8 3 7 5 4 7 4 9 文章编号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 0 8 0 5 0 0 4 7 0 3 固定节流阀流场数值模拟研究 魏存祥1 滕龙2 王勇刚3 朱海燕 1 西南石油大学机电工程学院 成都6 1 0 5 0 0 2 长庆石油勘探局井下技术作业处 西安7 1 0 0 2 1 3 四川石油管理局成都石油总机械厂 成都6 1 0 0 5 1 摘要 应用有限体积法 借助F L U E N T 分析了突然收缩和突然扩张型固定节流阀在节流孔孔径为 1 4m m 时的流场特性 揭示了流线 速度 压力分布 讨论了节流孔长度 孔径对压降的影响 提出 了一种新型节流阀结构 可有效增大压降 为固定节流阀结构优化及性能改善提供参考依据 关键词 有限体积法 节流阀 F L U E N T 结构优化 中图分类号 T E 9文献标识码 A N u m e r i c a lS i m u l a t i o nf o rF l o wF i e l do fF i x e dT h r o t t l e W E IC u n x i a n g T E N GL o n g W A N GY o n g g a n g Z H UH a l y a n 1 S o u t h w e s t P e t r o l e u mU n i v e r s i t y C h e n g d u6 1 0 5 0 0 C h i n a 2 D o w n h o l e O p e r a t i o nD e p a r t m e n t C h a n g q i n g P e t r o l e u mE x p l o r a t i o nB u r e a u X i a n7 1 0 0 2 1 C h i n a 3 C h e n g d uP e t r o l e u mM a c h i n e r yG e n e r a lF a c t o r y S i c h u a nP e t r o l e u mA d m i n i s t r a t i v eB u r e a u C h e n g d u6 1 0 0 5 1 C h i n a A b s t r a c t U s i n gf i n i t ev o l u m em e t h o d t h ef l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i cw a sc a r r i e do nt h ef i x e dt h r o t t l ew h i c hi Ss u d d e nc o n t r a c t i o na n ds u d d e ne x p a n d sw i t ht h ea i do fF L U E N Tw h e nt h et h r o t t l e a p e r t u r ei s1 4 m m I th a sp r o m u l g a t e dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ef l o w nl i n e s p e e d p r e s s u r e A n d t h ei n f l u e n c e so fp r e s s u r ed r o pb yt h el e n g t ho fb o r e t h ea p e r t u r ea r ed i s c u s s e d O n ek i n do fn e w t h r o t t l es t r u c t u r ew a sp r o p o s e d A f t e rt h ea n a l y s i si n d i c a t e dt h a ti tm a yi n c r e a s et h ep r e s s u r e d r o pe f f e c t i v e l y w h i c ho f f e rt h er e f e r e n c et ot h eo p t i m a ld e s i g no fs t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n to ft h ef i x e dt h r o t t l e K e yw o r d s f i n i t ev o l u m em e t h o d t h r o t t l e F L U E N T s t r u c t u r eo p t i m i z e s 节流阀是节流压井的关键设备 可调节流阀因一个可调节流阀串联运行 文献 2 对固定节流阀 流量与压力控制方便而应用广泛 但通常只能在5 0的压力损失机理做了深入的研究 表明突然收缩和 M P a 以下安全 高效地工作 井底压力偏高 需采突然扩张型的压力损失最大 随着C A D C A E 技 用多级节流压井 1 通常是采用一个固定节流阀与术的发展 尤其是计算流体动力学技术的发展 建立 l W l 一I 期设计目的 大大提高了钻机井架 底座起放的安全步回路中的应用E J 液压气动与密封 2 0 0 6 2 0 1 2 一 性 提高了钻机快速移运过程中的作业效率 降低了 5 运行成本 z 徐灏 机械设计手册 K 2 版 北京 机械工业出 版社 2 0 0 3 参考文献 3 马永刚 赵小奎 郭海涛 等 钻机用集成液压源的研制 1 3 杨红娟 范玉林 液压分流马达在高压水压试验机同 J 石油矿场机械 2 0 0 6 3 5 5 8 4 8 5 收稿日期 2 0 0 7 1 1 1 4 作者简介 魏存祥 1 9 8 3 一 男 I 1 1 1 1 宜宾人 硕士研究生 主要从事石油机械研究工作 E m a i l w d e u n x i a n g s w p u e d u c n 液压起升钻机同步系统的设计液压起升钻机同步系统的设计 作者 杨世平 敖沛 胡朝刚 YANG Shi ping AO Pei HU Chao gang 作者单位 四川宏华石油设备有限公司 四川 广汉 618300 刊名 石油矿场机械 英文刊名 OIL FIELD EQUIPMENT 年 卷 期 2008 37 5 被引用次数 4次 参考文献 3条 参考文献 3条 1 杨红娟 范玉林 液压分流马达在高压水压试验机同步回路中的应用 期刊论文 液压气动与密封 2006 01 2 徐灏 机械