直流伺服电动机用于石油测井仪推靠装置的分析

赵发明,鹿蔚旭，阎治安

(1西京学院，陕西西安 710123；2中国电建青海火电工程公司，青海西宁 810000)



直流伺服电动机用于石油测井仪推靠装置的分析

赵发明,鹿蔚旭，阎治安

(1西京学院，陕西西安 710123；2中国电建青海火电工程公司，青海西宁 810000)

针对石油测井中现有液压、气囊式推靠装置所存在的问题，对直流伺服电动机用于石油测井仪推靠装置进行了分析，提出了石油测井仪推靠装置设计方案，设计出了直流伺服电动机、传动系统以及推靠装置的控制器。实践证明，该装置具有结构简单、运行可靠等特点。

直流伺服电动机；推靠装置；传动系统；控制器

0 引言

石油是国民经济的命脉，随着石油需求量的不断增加，全球石油天然气储量的自然递减，开采难度不断增加[1]。因此，就需要更加精确有效的勘探手段来判断矿井中有无油气藏以及油气藏的面积大小。近几年出现的地震勘探技术在国内外被广泛采用，被认为是一种很有发展前景的测井技术[2]。为了保证勘探过程中地震波信号的采集质量，人们设计了带推靠装置的测井仪。推靠装置作为石油测井仪器中的关键机构，一方面通过施加足够的推靠力，使测井仪器紧贴井壁以确保安全工作；另一方面将震波发生器产生的地震波经推靠装置中的推靠机械块传递出去，有效地消除了由于仪器振动对信号采集质量的影响[3、4]。

1 现有推靠装置存在的问题

目前国内外生产的推靠装置主要有气囊型、液压型和机械型三大类，但这些推靠装置或多或少地存在制造成本高、加工难度大、使用不方便等问题[5]。

1.1 气囊型推靠装置

气囊型推靠装置通过逐节对气囊充气来实现推靠动作，这种推靠装置虽然结构简单，柔韧性好，但是需要庞大的地面气压站支持，而且气囊刚度小，推靠力不稳定，将对检波器的频响以及测试精度影响较大。

1.2 液压型推靠装置

液压型推靠装置根据液压平衡原理和体积补偿原理，使得推靠动作平稳，推靠力大，动力系统的密封性好，从根本上解决了气囊式推靠装置刚度不够的问题。但是，液压型推靠装置需要庞大复杂的地面液压控制系统，这不仅需要在地面设置液压站，进行一系列的管路布置，而且拆装极为不方便，过程繁琐成本高。

机械型推靠装置目前在国内外使用比较普遍，其典型产品是斯伦贝谢公司(Schlumberger)生产的32臂井径成像测井仪中的推靠装置[6]。目前市场上存在的机械型推靠装置存在的主要问题是机构复杂、可靠性低，机构运动到位时推靠力不足，这些缺陷严重影响了测井信号的采集质量，有时甚至造成生产事故。

国内在测井仪推靠装置方面的研究比较少，被广泛采用的产品不多。所以设计一种结构简单、可靠性高、密封性好、成本低廉的推靠装置来克服上述缺点是石油、矿物勘探中急需解决的现实问题。

2 石油测井仪推靠装置设计

为了解决现有技术中存在的问题，本文设计了一种石油测井仪推靠装置，能够有效保证该装置在恶劣状况下能顺利作业。推靠装置由直流伺服电动机、扭矩限制器、超越离合器、滚珠丝杠、位移传感器、连接杆和碟簧组成。其工作原理是通过直流伺服电动机带动机械传动机构(滚珠丝杠、推力杆等等)，使得推靠机械块慢慢张开并与井壁紧密耦合，完成推靠动作，方能完成后续的地震测井。

2.1 直流伺服电动机设计要点

直流伺服电动机实际上是永磁直流电动机和齿轮减速器的组合体。设计上使电动机的转速转矩经过齿轮减速机构以低转速、大力矩输出。对所设计的直流伺服电动机要求比较特殊，其参数如表1所示。减速器的参数还有减速比和转矩放大倍数，其中减速比为1166 ∶1，转矩放大倍数为896。

表1 直流伺服电动机参数

2.1.1 直流伺服电动机材料选择

由于直流伺服电动机在大于200℃的环境温度下工作，选用的材料必须有足够的耐热性、热稳定性、机械强度和介电强度[7]。金属材料应选机械强度高、耐磨性好、容易加工的。少数零部件需选用特殊的金属材料。电机绝缘采用国内比较高级的、主要是聚酸亚胺系绝缘材料，属于C级绝缘，只有极少数部件采用H级绝缘。线圈、槽绝缘及换向器的片间绝缘均选用耐高温、耐腐蚀聚酞亚胺绝缘材料， 其长期使用温度规定为260℃，短期工作温度有时可达400℃。

2.1.2 减速器

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采用周转轮系四级行星齿轮减速方式。其特点是减速比大、结构紧凑、体积小、传递力矩大，可以方便地实现力矩的输入与输出同轴线传动。每一级减速器有四个行星齿轮，齿轮受力均匀，负载能均匀分布在四个行星轮上，运转平稳。这种减速器的加工精度要求较高，运转的平稳性、传动效率、齿轮寿命都与加工精度直接相关。

2.2 传动系统设计

推靠装置传动系统如图1所示，它是由直流伺服电动机、扭矩限制器、超越离合器、滚珠丝杠、位移传感器、连接杆和碟簧组成，其作用是将直流伺服电动机的旋转运动转换为沿丝杠的直线运动，在推杆和推靠板的作用下带动推靠臂张开或收拢，从而完成测井仪器的推靠和回收动作。

图1 推靠装置传动系统

2.2.1 扭矩限制器

推靠装置传动系统所用扭矩限制器结构简单、限位方便(要求可调)、占用空间小，其主要特点如下。

(1)当冲击、 过载时，通过打滑来限制传动系统中的扭矩。当过载消除后，设计上能满足自动复位，可反复使用。

(2)对负载变化反应灵敏，精确度高，脱开动作准确，复位及时。

(3)在一定范围内扭矩任意调节，使用范围广。

2.2.2 超越离合器

超越离合器采用双向楔块式结构，一端轴孔接主动轴；另一端轴孔接从动轴。当外环不动而主动轴顺时针或逆时针转动时，从动轴也同步转动；当从动轴受外力矩的作用时，顺时针或逆时针都不能转动。与滚珠丝杠配套使用，双向自锁。 这样既为仪器推靠力度提供保证，也可在过载时保护直流伺服电动机不受损害。

2.3 推靠装置控制器设计

推靠装置的控制器设计采用井上交流供电，井下实现推靠控制的方案。推靠装置控制电路原理框图如图2所示。

图2 推靠装置控制电路原理框图

测井时，地面电缆 1#、2# 提供交流220 V电压，经变压器降压至120V后传给继电器 K1，继电器 K1接到 DSP 采集控制命令后吸合，120V 交流电压通过继电器 K1，经过整流和滤波电路，转换成 115V 直流电压，继电器 K2接到 DSP 控制命令后开关动作改变电压的极性，控制直流伺服电动机的正反转，从而实现直流伺服电动机推靠执行机构-推靠臂的推开和收拢。

推靠控制板为整个控制器的核心，主要采用TMS320F2808DSP模块发出推开和收拢的控制命令，通过驱动器 NCV1413BDG对推靠器控制电路的继电器进行控制，使继电器开关动作，完成推靠臂推靠功能，推靠装置控制原理图如图3所示。

图3 推靠装置控制原理图

3 实验结果分析

经过现场测井实验，该推靠装置设计方案满足了测井要求，且实现了自动控制。推靠装置实测数据表如表2所示。

表2 推靠装置实测数据表

电源电压115V施加到电枢绕组，测得空载转速8010r/min；推靠过程中，推靠动作时电动机的电流表读数为77.5mA，在该装置靠紧过程中电流表读数逐渐增加，到大于180mA时，直流伺服电动机将自动断电，完成推靠动作，则测井装置在井中进行可靠地测井。当测井结束推靠装置开始收臂，收臂动作时测得电动机电流表读数为65mA。设置继电器断电延时时间为115ms。当推靠装置控制电路通电时间大于115ms时，推靠装置控制电路断电，推靠装置停止工作。由于直流伺服电动机自动控制电路的断电电流与时间控制构成了双重保护，经试验证明可以提高推靠装置工作的可靠性。

4 结语

本文设计的石油测井仪推靠装置已经在西安某测井公司进行多次实际测井，应用情况良好，这表明该装置具有成本低廉，运行可靠，推靠力大等特点，相比同类气囊型、机械型以及现有机械型推靠装置大大降低了成本，提高了安全系数，为井下地震数据采集和物质勘探提供了一种更加高效、安全的方法。

[1] 吕元颖,李永红.石油存储参数测井仪[J].计量与测试技术,2005,32(6):30-32.

[2] 王炳章,王丹，等.油气勘探技术发展趋势和发展水平[J]. 油气勘探与开发, 2011,16(5):46-55.

[3] 闫永平.新型组合井径测井仪器[J]. 测试技术,2004,28(4):332-333.

[4] 赵金秋,邵芳.八臂滚轮扶正器[J]. 石油仪器,2006,21(5):23-27.

[5] 王会来，杨建玺.新型测井仪推靠装置的设计和分析[J]. 西安科技大学学报，2009,29(2):209-212.

[6] 秦世群.油井连续测井仪的研制与应用[J].石油机械,2005,33(6):64-68.

[7] 陈隆昌，阎治安，刘新正. 控制电机[M]. 西安:西安电子科技大学出版社，2013.

Analysis on DC Servo Motor Used in Pushing Device of Petroleum Logging Instrument

ZhaoFaming,LuWeixu,andYanZhian

(1.Xijing University, Xi′an 710123, China；2.PowerChina Qinghai Thermal Power Construction Company, Xining 810000, China)

In view of the problems existing in hydraulic gasbag pushing device for petroleum well logging, this paper analyzes DC servo motor used in the pushing device of petroleum well logging instrument and proposes a design scheme of the device including DC servo motor, driving system and controller of the pushing device. The practice has proved that the device has the characteristics of simple structure and reliable operationo.

DC servo motor；pushing device；driving system；controller

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.06.02

TM383.4+1

A

1008-7281(2016)06-0004-003

赵发明 男 1988年生；西京学院研究生，研究方向为伺服电机CAD及其控制.

2016-07-26