修井机油电双驱动力传动系统的结构设计

王仁鹏，杨兵，雷凯龙，李鹏，王宝全

（陕西汽车控股集团有限公司，陕西 西安 710200）

修井机油电双驱动力传动系统的结构设计

王仁鹏，杨兵，雷凯龙，李鹏，王宝全

（陕西汽车控股集团有限公司，陕西 西安 710200）

针对现有油电双驱修井机动力传动系统的结构复杂、传动效率低和动力切换不可靠的问题，开发一种新型油电双驱传动系统。该系统分电驱动和机械驱动两种动力传动路线；电驱动直接从井场电源取电，利用超级电容储能装置进行充放电，通轴电机带动各传动部件完成动力传递；机械驱动从发动机取力，经过各传动部件完成动力传递。该系统结构简单、可靠性高，不仅提高了修井作业时动力传动效率，而且节约了修井成本。通过试验，该系统适用良好。

修井机；油电双驱；动力传动系统

CLC NO.:U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-60-03

前言

为响应国家节能减排政策，降低油田修井作业成本，油电双驱修井机得到大力推广和应用。其中修井机动力传动系统直接影响整车的使用寿命，因此该系统传动路线的设计尤为重要，简单可靠的传动路线不仅可以提高动力传动效率，提升整车性能，而且还会降低整车作业成本。

1、现有油电双驱动力传动系统

现有油电双驱修井机的动力传动系统由各部件并联组成，如图1所示。该系统分为电驱动和机械驱动两条传动路线，电驱动传动路线为：电容储能装置→调频电机→分动箱Ⅰ→联轴器→变速箱→传动轴→角传动箱→绞车；机械驱动传动路线为：取力器→分动箱Ⅱ→液力变矩器→分动箱Ⅰ→联轴器→变速箱→传动轴→角传动箱→绞车。此传动路线具有结构复杂、占用空间大、维修性差等缺陷，因此大大降低了整个系统的传动效率。

图1 现有油电双驱动力传动系统示意图

2、新型油电双驱动力传动系统

2.1 动力传动系统简介

为解决现有油电双驱修井机动力传动系统的不足，设计了一款新型油电双驱传动系统，该系统采用串联形式，主要元件包含：新型分动箱、可移位联轴器、通轴电机、联轴器、新型三档角传动箱、绞车。其中新型分动箱输出轴、可移位联轴器、通轴电机、联轴器、新型三档角传动箱同轴设计，提高了传动效率，缩短了传动路线，减少了传动元件，达到节约成本、降低能耗的目的。

2.2 动力传动系统方案设计

2.2.1 传动路线的确定

修井作业时，根据井场实际情况，优先选择电驱作业。

油电双驱传动路线如下：

2.2.2 设计方案的确定

修井作业时，首先操作分动箱的手柄切断底盘动力，然后根据作业现场基本情况，选择最优、最经济的传动路线方案进行作业。

电驱动作业时，首先通过可移位联轴器的操作手柄断开发动机动力源，通轴电机驱动联轴器、新型三档角传动箱、绞车依次进行动力的传递。

机械驱动作业时，首先切断通轴电机励磁装置，发动机动力经传动轴输出到新型分动箱、可移位联轴器、芯轴（通轴电机）、联轴器、新型三档角传动箱、绞车依次进行动力的传递。

图2 新型油电双驱动力传动系统示意图

新型油电双驱动力传动系统相对现有的动力传动系统，在动力切换传递过程中，通轴电机的芯轴一轴两用，不但缩短了传动路线，而且提高了其传动效率，从而降低了成本。动力传动系统示意图如2所示。

2.2.3 传动效率的确定

根据结构已知：传动轴的效率：η传=0.98；分动箱Ⅰ的效率：ηⅠ分=0.96；联轴器的效率：η联=0.99；角传动箱的效率：η角=0.98；变速箱的效率：η变=0.98；惰轮的效率：η惰=0.98；离合器的效率：η离=0.99；滚筒的效率：η滚=0.97；分动箱Ⅱ的效率：ηⅡ分=0.98；液力变矩器：η液=0.85；芯轴（通轴电机）η通轴=0.98；新型三档角传动箱的效率：η新角=0.97；链条的效率：η链=0.96；新型分动箱的效率：η新分=0.96；可移位联轴器的效率：η可=0.99[1]。

1）现有动力传动系统的传动效率确定：

2）新型动力传动系统的传动效率确定：

3）传动系统的传动效率对比分析确定：

2.3 动力传动系统主要部件三维模型设计及参数

根据确定的设计方案及传动效率的要求，首先计算该动力传动系统主要部件的参数，再利用CATIA软件建立传动系统主要部件三维模型，分析计算传动系统尺寸和干涉情况。在建立三维模型时，先确定系统传动力路线主轴的同轴度，再建立各个部件的连接固定平台，最后搭建连接传动系统中的主要部件及相关附件。

图3 新型油电双驱动力传动系统三维模型

2.3.1 新型分动箱三维设计

图4 新型分动箱三维模型

表1 新型分动箱参数表

在修井机作业过程中，新型分动箱动力传递具有以下几个优点：①具有一个输入口和四个输出口（X液压泵、Y液压泵、上装、底盘），采用强制加飞溅润滑方式，满足长时间的连续作业需求；②传动轴的传动角度接近直线状态，提升了传动系统的可靠性和寿命，同时也提高了传动效率；③焊接镶套式箱体的合理设计使得箱体加工成本低，工艺性简便；④动力切换装置设有锁紧机构，降低故障及误操作。

新型分动箱三维数模及主要参数如上。

2.3.2 可移位联轴器三维设计

可移位联轴器是一种轴向弹性联轴器，有效地降低传动轴运行过程中产生的振动和冲击。可移位联轴器两轴端由齿型键连接，在圆周方向相互错开半个齿距，装入梅花形弹性体，有效避免应力集中，纠正轴向、径向和角向的安装偏差。

可移位联轴器三维模型及主要参数表如下：

图5 可移位联轴器三维模型

表2 可移位联轴器参数表

2.3.3 通轴电机三维设计

通轴电机选用三相异步交流变频型电机，用以电能转化为机械能，为该新型油电双驱动力传动系统动力源。通轴电机传动轴根据设计计算结果进行特殊工艺处理，满足新型油电双驱动力传动系统的性能参数要求。

通轴电机三维模型及主要参数表如下：

图6 通轴电机三维模型

表3 通轴电机参数表

2.3.4 新型角传动箱三维设计

在修井机作业过程中，新型三档角传动箱可根据实际工况进行液压远程控制，无需切断动力就能实现修井作业中不停车换挡。新型三档角传动箱可控制三套液压湿式离合器的断开与啮合，调整速比和输出扭矩，满足大钩提升力和提升速度的三种组合需求，减少操作程序，提高修井机的作业效率。

新型三档角传动箱三维模型及主要参数[2]如下：

图7 新型三档角传动箱三维模型

表4 新型三档角传动箱参数表

2.3.5 绞车三维设计

绞车是修井机上重要的起吊装置，修井作业时，绞车缠绕钢丝绳通过井架、游动系统、提升大钩实现油管和抽油杆的起升、下放操作，绞车主要部件包含：气胎离合器、链轮、滚筒、刹车装置、过圈防碰装置、绞车轴、绞车护罩等。其中滚筒体直径取决于缠绕钢丝绳曲率半径，滚筒宽度取决于作业钢丝绳长度。同时滚筒体采用里巴斯绳槽设计，便于绞车的自动排绳同时提高了钢丝绳使用寿命。

绞车三维模型及主要参数如下：

图8 绞车三维模型

表5 绞车参数表

3、结论

新型油电双驱动力传动系统的设计开发有效简化了现有修井机的动力传动系统结构、降低整车成本、提升作业性能，同时采用液压换挡更方便可靠。该传动系统主驱动为电驱动，不但降低了整车能耗，响应国家节能减排政策，而且有效降低了油田修井作业成本。

[1] 成大先,机械设计手册[M],北京:化学工业出版社2008年1月第五版.

[2] 薛亚刚,杨兵,王仁鹏,司浩,朱阳.石油修井机新型角传动箱设计.汽车实用技术,2016年第8期.

New Hybrid Drive Transmission System Design of a Petroleum Workover Rig

Wang Renpeng, Yang Bing, Lei Kailong, Li Peng, Wang Baoquan
( Shaanxi automobile group co., LTD, Shaanxi Xi'an 710200 )

In view of the problems, complex structure, low transmission efficiency and unreliable power switch, of the power transmission system of the traditional hybrid drive workover rig, a new type of hybrid drive system is developed. The system include two power transmission lines: electric drive and mechanical drive; electric drive draws power directly from the well site and charges or discharges using super reservoir capacitance, co-axial motor drives the transmission part completing power transfer; the mechanical drive draws force from the engine, completing power transfer through the transmission part. The system has the advantages of simple structure and high reliability, not only improves the power transmission efficiency during workover operation, but also saves cost. Through the experiment, the system applies well. Keywords: workover rig; hybrid drive; power transmission system

U463.2

A

1671-7988 (2017)08-60-03

王仁鹏，男，（1987-），助理工程师，就职于陕西汽车控股集团有限公司。现从事特种车整车设计开发工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.020