永磁直驱绞车在地质钻探中的应用

李　超，宋殿兰，刘家荣

（北京探矿工程研究所，北京100083）

永磁直驱绞车在地质钻探中的应用

李超*，宋殿兰，刘家荣

（北京探矿工程研究所，北京100083）

为了满足深孔能源普查和勘探的需要，研发永磁直驱绞车用于地质钻探中，代替原有系统的主副绞车完成提下钻和送钻工作，并直接驱动卷筒实现无级调速，取消减速机构及辅助刹车机构，结构简单，操作方便。

永磁电机；直驱；绞车

1　概述

根据“找矿突破战略纲要”工程的需要，我国着重加强地质钻探设备的机械化和自动化技术水平提升，而在地质钻机中起着重要作用的起升系统成为了改进的重要环节。目前地质钻机中常有的绞车有2种形式，即电动绞车和液压绞车。电动绞车通常为异步电机经齿轮减速器同步带动卷筒，在电动机与减速器输入轴之间装有制动器。液压绞车通常为液压马达通过行星齿轮减速驱动主轴和卷筒旋转。这2种绞车均需经减速器方能实现低速运行，结构复杂，且能效较低，耗电量大。为了解决这一问题，使用永磁电机直接驱动卷筒，不仅简化了起升系统，同时拓宽了低速运行范围，节约能源，在地质钻机应用中可属首例。

2　地质钻机永磁直驱绞车的特点

本文中的钻机绞车采用永磁电机直驱，通过变频器控制电机转速，与传统绞车相比取消减速机构，简化了传动链，提高了系统能效。永磁直驱绞车的结构如图1所示，卷筒采用双折线筒可有效防止乱绳，安全钳为液压常闭结构，断电闭合，电机启动后方可得电张开，有效保证起升机构的安全。

（1）采用双绞车，增强了工程实用性。

（2）取消减速机构，减小设备体积和故障点，增加系统可靠性。

（3）拓宽低速范围，适应地质钻探的需求。

（4）工作过程中能耗刹车，可随时悬停，无需机械刹车，降低刹车噪声。

（5）系统能效高。

图1　现有绞车结构示意图

3　地质钻机永磁直驱绞车的主要优势

液压驱动系统功率损失较大，效率在0.7左右，同时液压驱动系统对于零件加工质量和滤油精度要求较高，制造和维修比较困难，且液压油易污染。永磁直驱绞车同液压绞车相比，能效高，系统结构简单，易于拆卸和维护。

永磁直驱绞车运行过程中无需任何辅助设备可随时悬停，有利于起下钻工况中的绞车反复起停。

起下钻时，绞车上提载荷较重，下降时载荷较轻，平均载荷较小。根据电机的自身特性，异步电机的效率和功率因数随着负载率的降低而减小，如图2所示。通常绞车电机按其最大工作能力进行选型，而在实际钻进过程中，由于平均负载率较低，传统的电动绞车不得不使用主绞车进行起下钻，辅助绞车进行送钻。而永磁电机具有效率和功率因数与负载率近似无关的特点，如图3所示，使得钻机工作过程中始终保持较高的功率因数和效率，无论频繁起下钻还是自动送钻过程中，均可保持较高的功率因数和效率，从而节省大量电能消耗，具有直观的经济效益。

图2　异步电动机效率和功率因数与负载率的关系曲线

图3　永磁同步电动机效率和功率因数与负载率的关系曲线

该绞车的控制系统采用现场总线，通过编码器反馈，计算出大钩高度，实时钻进深度，钻进速度，并设置了防碰报警，避免上碰下砸事故的发生。通过压力转换变送器，计算出钻压、钩载、悬重等数据。通过变频器及热敏电阻等反馈，实时显示电机的电流、扭矩、绕组温度等工作所需数据。

HMI触摸屏实现绞车智能化操作，除了具有显示报警功能外，同时可设置软开关，减少了控制系统的机械触点。电机转速运行范围、自动送钻数据可在屏幕中修改，并在各工作数据达到报警要求时，通过触摸屏的报警灯进行提示。

该绞车能够输出短时过载转矩满足处理井内事故的需要，通过机械和软件互锁避免人为操作失误引起的危险产生。操作方便灵活，可完成原有钻机多档绞车才能完成的作业。自动送钻功能的使用，不仅降低了司钻工的作业强度，而且保证了系统稳速运行和钻进质量。

3.1工程实用性

施工过程中，可根据起升重量选择单机或双机运行。提升重量较小时，仅启动一台绞车电机即可保证工程的进行。启动双绞车电机工作时，2#电机通过同步控制追随1#电机电流和速度，保证双绞车良好的同步工作性能。

变频控制实现了永磁直驱绞车的无级调速，最低速度可达到0.03r/min。当因地层原因，钻进速度较慢时，以异步电机作为主驱动的传统绞车因其低速带载能力较差，很难达到自动送钻的要求，而永磁电机直驱绞车的低速运行解决了这一问题，实现自动送钻。

采用永磁直驱绞车代替了系统中原有的主副绞车，减少了现场用电设备数量。软件防碰报警，可在绞车接近允许的运行范围极限时报警提醒，当达到运行范围极限时，绞车电机停止同时液压钳合闸制动。

3.2钻机的实际使用情况

该永磁直驱绞车目前已在浙江临安市进行施工，设计井深为2520m，钻孔井角90°，全孔连续取芯钻进，终孔直径Ø150mm。目前已钻进至1400m，钻机提升系统运行良好，通过起塔，钻进，提下钻等环节表现出了优越的性能，与传统起升系统相比耗能较小，得到了用户的肯定。

图4　绞车现场图片

4　结语

永磁直驱绞车在地质钻机中的应用，简化了地质钻机提升系统的结构，减小了设备体积，降低了系统复杂性，实际应用表明，大大提高了地质钻机提升系统的方便性，节约能源和施工成本。

［1］耿瑞伦，张林霞，冉恒谦，等.21世纪地质钻探技术应用与发展趋势［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2001（1）：9-13.

［2］于兴军，魏培静，丛万生，等.永磁电机在钻井装备中的应用探讨［J］.石油矿场机械，2010，39（11）：80-84.

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1004-5716（2016）09-0049-03

2015-09-09

2015-09-09

李超（1988-），女（满族），辽宁丹东人，工程师，现从事电气设计及其控制工作。