72、顶驱性能试验台的设计(定稿)

1、 顶驱性能试验台的设计中国石油集团钻井工程技术研究院钻井机械研究所马青芳摘要：从顶驱的使用工况入手，确定了试验台的基本要求和技术指标，利用电磁涡流测功机的高速特性和磁粉刹车的低速特性，采用电磁涡流测功机和磁粉刹车联合加载和手动自动两种加载控制方式，达到了完整的顶驱输出功率特性和输出扭矩特性的测试目的，编制了相应的软件利用工控机进行测试显示、数据采集和处理。经使用证明，该试验台性能稳定，操作方便，很好地满足了顶驱性能测试的要求。关键词：顶驱，性能试验台，输出功率特性，输出扭矩特性，数据采集和处理一、前言顶部驱动钻井装置（简称顶驱）是用以取代转盘地面驱动装置的新型石油钻井装备,由于它显著提高了钻井

2、作业的能力和效率，被誉为近代钻井装备的三大技术成果之一。顶驱不仅可接入立根钻进，节约钻井时间，而且还配备了管子处理装置、内防喷阀等，使钻杆上卸扣操作机械化，在起钻时可以迅速接上钻具，边旋转边循环，提高了安全性。由于顶部驱动钻井装置对钻井技术的巨大影响，已成为深井、复杂井钻井作业的必配设备之一和21世纪钻井机械的发展方向。顶驱输出功率特性和输出扭矩特性试验是顶驱重要的试验内容之一。作为旋转驱动装置，顶驱的输出功率特性和输出扭矩特性直接决定了顶驱钻进性能的好坏，由于顶驱中配置的管子处理装置，可以直接进行钻杆柱的上卸扣操作，顶驱的低转速输出扭矩特性则直接决定了其上卸扣能力。可见，无论钻进、上卸扣和旋

3、扣，均与顶驱的输出功率特性和输出扭矩特性直接相关，为了很好地检测顶驱输出特性，便于顶驱产业化的顺利实施，特研制了顶驱性能试验台。二、顶驱性能试验台的基本要求和技术指标的确定为了达到试验台的完善性、先进性和可靠性，确定该试验台的基本要求如下：（1）测试系统要稳定可靠，满足扭矩及功率测试要求；（2）测试精度至0.4%，加载转速和扭矩波动至1%，微机采集精度不低于0.2级；（3）状态检测应包括所有部件及冷却系统的状态检测和报警；（4）具有安全防护系统，漏电保护，工作异常情况下的报警和自动停机；（5）控制系统应包括加载装置控制，电机控制和各项保护控制；（6）显示包括被测系统的扭矩转速和功率显示，加载系

4、统运行状态监控，故障显示和运行状态显示；（7）由工控机进行数据信号的采集、记录、处理和输出。试验台技术指标的确定是一个关键的问题，它直接关系着试验台的性能和使用范围。鉴于顶驱试验台在顶驱产业化中的重要地位，该试验台应是一个比较完善的试验装置，它应囊括顶驱使用中各种旋转工况输出特性的测试，即，钻进，上卸扣和旋扣。这三种工况在输出特性要求上存在较大的差别，钻进工况，需要在一定转速下输出一定的连续扭矩；上卸扣工况，需要在低转速或零转速下输出大扭矩；旋扣工况，需要在低扭矩下有较高的转速。考虑到顶驱今后的发展，试验台应能满足12000米及以下所有顶驱的性能试验，因此，最后确定顶驱性能试验台技术指标如下：

5、电机最大功率：输出轴转速范围：输出轴连续扭矩：1500HP0300rpm100kN.m（速度范围：15110rpm）输出轴间断扭矩：恒功率输出转速范围:136kN.m（转速范围:015rpm）110300rpm三、顶驱性能试验台的测量原理一般来说，测量输出功率主要测量两个基本量：扭矩和转速。输出功率等于两者的乘积,通常可以按照下面的公式计算：P=kTn/9550式中：P输出功率，kW；k系数；T输出扭矩，N.m；n输出轴转速，rpm。由此可见，只要在试验过程中，测量出输出轴扭矩和转速，就可以得出输出功率。四、顶驱性能试验台的结构及工作原理整个试验装置包括加载系统，控制系统，测试显示、数据采集和

6、处理系统。1.加载系统根据各个工况的不同可知，顶驱不仅输出轴转速范围大扭矩高，甚至包括零转速下的扭矩输出测量，由此增加了加载系统的设计难度。目前检测系统较为先进的加载方式有三种：水力测功机、电磁涡流测功机和发电机组电力反馈。根据不同的加载方式，我们曾前后做了四种方案，均因无法达到低转速下的加载性能要求而放弃。经过反复分析研究和调查，最后做出加载方案如图1所示。整个加载系统由增速传动箱、扭矩转速传感器、电磁涡流测功机、离合器、磁粉刹车以及联轴器等组成。图1顶驱性能试验台加载方案电磁涡流测功机是利用涡流损耗的原理来进行加载工作的，它较适合作为较高转速下的加载装置。而磁粉刹车的工作原理是，当线圈通电

7、时产生磁场，磁场使磁粉极化，在定子与转子之间产生阻力。这个阻力的大小与磁场强度有关，与速度无关，当零转速时，可以产生最大制动力矩。但随着转速的增加，磁粉温度升高，则会造成磁粉的磁力下降，所以磁粉刹车适宜于低转速或零转速下的加载，不应在高转速时使用。考虑到电磁涡流测功机和磁粉刹车两种加载装置的特性互补，在设计试验台过程中，借助电磁涡流测功机良好的高转速性能，实现高转速时的加载，利用磁粉刹车的低转速制动特性，实现低转速时的加载，从而实现完整的加载过程。为了在高转速时使磁粉刹车与其它加载部分脱离，在磁粉刹车与电磁涡流测功机之间设置了一台离合器，并安装了位置检测装置，提供位置检测信号，用于在离合器未脱

8、开情况下与电机驱动互锁，以保护磁粉刹车的使用寿命。由于顶驱输出轴速度低（0300rpm），扭矩大（连续扭矩lOOkN.m）,且为垂直输出，为了成功实现加载，在性能试验加载装置的始端增设了一台1:10的增速角传动箱，一方面将垂直输入转成水平传动，另一方面使转速范围变宽，更充分地利用电磁涡流测功机和磁粉刹车的制动特性。通过扭矩转速传感器以实时地将施加的扭矩及转速测量出来传输给数据采集计算机，但由于不是直接测量顶驱输出轴转速和扭矩参数，所以需要数据采集处理系统根据增速箱的效率曲线做实时修正，以得到实际的输出特性。为了保证电磁涡流测功机和磁粉刹车的正常使用，在系统中还设计了水冷却系统，以满足试验装置对

9、冷却的要求。图2自动加载程序加载系统可以实现正转和反转加载，以及在运转过程中加载和卸载，加载方式可以手动加载，也可以自动加载。对于变频电机驱动顶驱，自动加载程序如图2所示。2.控制系统，测试显示、数据采集和处理系统控制系统包括电磁涡流测功机控制、磁粉刹车控制、离合器控制，以及各项保护控制。测试显示、数据采集和处理系统由测试显示模块和数据采集与处理模块组成。测试显示模块,显示被测系统的转矩、转速和功率，监控加载测功系统运行状态，故障显示，保护状态显示，以及设定数据；数据采集与处理模块，利用PC机进行试验数据的采集、记录、处理和输出。需测试的输入电流、电压,增速传动箱输出轴转速、扭矩,各设备轴承部

10、位温度、冷却液进出口温度，增速箱润滑系统工作状态等参数由相应的传感器检测，检测到的信号传输到各自的二次仪表进行显示，并通过相应的接口电路传输到工控机进行显示和处理，其信图3信号采集流程图号采集流程如图3所示。由于利用工控机进行数据信号的采集和处理，与普通的测试系统相比对操作软件存在一定的依赖性，数据的采集、处理、显示和试验曲线和试验报告的输出均是在软件的支持下完成的。针对该试验装置，开发了全汉化的计算机数据自动采集处理软件系统，界面为WIN图形界面，美观大方，系统稳定性和兼容性好，操作使用简单方便。3.测试系统工作流程由于该试验系统是一个集采集、显示、记录、报警、数据处理、数据存储及功能保护于

11、一体的实时多任务系统。系统要实现的功能较多，操作序列复杂。为了便于管理，将系统的工作过程分为试验前、试验中和试验后三个阶段，试验前，完成设定设备参数、环境参数、试验参数等初始化工作，并设置运行工况;试验开始后，系统采集各通道数据，实时显示记录采集到的数据，参数超限则进行报警处理，试验过程中,还接受操作员的指令；试验结束后则由计算机针对采集到的各种数据进行处理，生成所需的温升曲线、功率曲线等，输出试验报告。图4为系统总体工作流程。试试试后图4系统工作流程五、结束语目前该试验装置已经应用于顶驱的性能试验和出厂检验，图5为用该试验台对DQ70DB顶驱实测得出的扭矩特性曲线和功率特性曲线。可以看出，该试验台很好地满足了顶驱的性能检测要求。该试验台实现了计算机进行数据信号的采集和处理，系统性能稳定，操作使用简单方便。该顶驱性能试验台的研制成功，不仅保证了顶驱的整机性能，而且为顶驱产业化及新型号顶驱的开发奠定了试验基础。图5DQ70DB顶驱实测扭矩