直流电驱动绞车集中脂润滑系统的设计研究_王农晖.pdf

现代制造技术与装备122023 年第 3 期总第 316 期直流电驱动绞车集中脂润滑系统的设计研究王农晖张明云董灵芝陈文龙（兰州兰石石油装备工程股份有限公司，兰州 730314）摘要：针对直流电驱动绞车人工手动脂润滑脂注入量难控制、润滑点易漏以及劳动强度大等问题，设计改进了集中脂润滑系统，并介绍系统的工作原理、设计要点和可行性等。此系统采用单线递进式集中润滑方式，实现了绞车各润滑点的集中控制，同时可远程实时监测润滑系统的工作情况和故障报警。关键词：驱动绞车；直流电；脂润滑系统Design and Research of Concentrated Grease Lubrication System for Winch Driven by Direct CurrentWANG Nonghui,ZHANG Mingyun,DONG Lingzhi,CHEN Wenlong(Lanzhou Lanshi Petroleum Equipment Engineering Co.,Ltd.,Lanzhou 730314)Abstract:Aiming at the current situation of the direct current electric drive winch,such as the quantity of manual grease injection is difficult to control,the lubrication point is easy to leak and the labor intensity is high,the centralized grease lubrication system is designed and improved,and the working principle,design key points and feasibility of the system are introduced.This system adopts the single line progressive centralized lubrication system,realizing the centralized control of each lubrication point of the winch,at the same time,it can monitor the working condition of the lubrication system and the fault alarm remotely.Keywords:drive the winch;direct current electricity;grease lubrication system在石油钻井直流电驱动绞车设计中，脂润滑系统的设计十分关键。它的设计直接关系由滚筒轴、中间轴以及输入轴等组成的传动系统的寿命。传统脂润滑方案是润滑点通过直径为 10 mm 的铜管、接头体等与黄油杯直接相连，黄油杯就近安装。加注润滑脂的各点分散在绞车的各个位置，且相距较远，目前主要靠现场操作人员按照保养规程定时定点手动加注润滑脂，因此容易产生较多问题。随着石油钻井绞车不断向自动化和智能化方向发展，因此有必要改进优化绞车的润滑系统。本文以直流电驱动绞车为模型，研究集中脂润滑系统的设计。该系统选用单线递进式集中润滑方式，解决了传动系统各脂润滑点不精确、不能自动润滑的问题。1集中脂润滑系统方案介绍集中脂润滑系统采用单线递进式，主要由电动脂润滑泵装置、电控系统、单线递进分配器以及管线接头等组成。采用二级分配供送润滑脂，系统原理如图1 所示。电动润滑泵装置通过主管路与一级分配器 P1连接。主管路设有溢流装置、压力开关和压力表等。一级分配器 P1的 3 个出油口分别连接二级分配器 P11、P12、P13。其中：分配器 P11接输入轴及中间轴的轴承润滑点，预留接口、可供自动送钻装置轴承连接；分配器 P12接滚筒轴高（低）速离合器空套链轮轴承润滑点；分配器 P13接辅助刹车润滑点。司钻房启动电动润滑泵装置，主管路压力升高，一级分配器 P1开始运作。润滑脂经分配器 P1定量分配后，二级管路压力升高，润滑脂进入二级分配器P11、P12和 P13，待达到二级分配器启动压力后，将润滑脂经支管路运输至各润滑点。2集中脂润滑系统的设计要点设计参照绞车人工手动脂润滑点的布置，选用单线递进式润滑系统，优点是配管简单方便、易布管线。此外，递进式分配器可定量、顺序、强制向润滑点供给润滑脂。2.1润滑脂消耗量计算滚筒轴、中间轴和输入轴等处轴承均为滚动轴承，目前还没有准确计算各点润滑脂量的公式。润滑脂消耗量可参考机械设计手册进行计算，公式为1Q=0.025DNK（1）式中：Q为润滑脂消耗量，mL；D为轴孔直径，cm；N为系数，单列轴承取值 2.5，双列轴承取值 5；K为工况系数，与转速和工况条件有关。式（1）得出的润滑脂消耗量往往偏小。由图 1可知：输入轴直接与主电机相连，是整个传动系统中转速最高的轴；中间轴上设有二档齿式换挡机构；滚筒轴设有高、低速离合器。当换挡机构和离合器相互配合挂合时，经传动链绞车从滚筒处可输出四档位能量。不同工况时，传动系统挂合相应的档位，其负载和转速等不同导致轴承发热量不同。考虑轴承座、分配器以及管路等的泄漏和损耗影响，计算时需要按经验适当增加裕量。DOI:10.16107/ki.mmte.2023.0134设 计 与 研 究13依据绞车运行环境和工况，润滑脂选用 7022 号汽车润滑脂。各处轴承润滑脂消耗量计算值汇总如表 1 所示，其中总消耗量已按经验增加裕量。表 1润滑脂消耗量计算值汇总表轴承部位各处轴承润滑脂消耗量/mL滚筒轴主轴承138.54滚筒轴高（低）速离合器空套链轮轴承168.23中间轴轴承173.18输入轴轴承226.19辅助刹车轴承178.13由表 1 可知，轴承润滑脂消耗总量为 884.27 mL。2.2泵装置选型计算润滑系统为开式系统，且润滑泵的工作压强一般为各管路压强损失、各级分配器动作所需压强以及给脂负荷的总和，因此泵选型时轴承润滑脂消耗总量应乘以 1.5 2.0 倍的安全系数。润滑脂泵的最小流量可参考机械设计手册计算，公式为 1234QQQQQT+=（2）式中：Q为润滑脂泵的最小流量，mL min-1；Q1为全部分配器给脂量的总和，mL；Q2为全部分配器损失量的总和，mL；Q3为液压换向阀或压力操作阀的损失量，mL；Q4为压强 10 MPa 或 20 MPa 时，系统管路内油脂的压缩量，mL；T为电动润滑泵全部分配器工作完毕所需的时间，按 5 min 计算。设定绞车运行时每小时注脂 1 次。依据表 1 数据可得出，每次电动泵工作的Q1约为 150 mL。此润滑系统共 4 个分配器，查询分配器的选型手册得出单个分配器的损失量约为 0.68 mL，则Q2约为 2.72 mL。系统未加入液压换向阀或压力操作阀，Q3值为 0 mL。此次选用的电动润滑泵公称压强为 10 MPa，按电动润滑泵在直流绞车的位置布置，系统管线的长度总和约为 40 m，则依据机械设计手册经验参数计算可得Q4约为 6.4 mL。综上计算润滑脂泵的最小流量Q为 31.8 mL min-1，因此选型采用公称流量 50 mL min-1的 DRB-L50 电动油脂润滑泵。依据每次电动泵工作的Q1，考虑润滑脂在装置中储油筒的储存时效和现场工人的维护习惯，电动油脂润滑泵装置的最小注油周期预设为 2 d，因此选用电动油脂润滑泵储油筒的规格为 8 L。2.3分配器的选择分配器是单线递进式集中润滑系统的关键元件，是系统故障的主要元件。选用片式递进式分配器，可根据不同润滑点的需油量与润滑点数量进行任意组合，一般不少于 3 片2。片式递进式分配器中活塞行程不变，连接在同一个柱塞两端的出油口排油量相等。图 1单线递进式润滑系统原理现代制造技术与装备142023 年第 3 期总第 316 期但是，同一个分配器中，各活塞截面积和行程均不相同，保证了连接在同一片分配器上的各润滑点供油量的差异，进而可通过分配器柱塞截面积与行程确定每次循环的给油量3。根据图 1，润滑系统布管设计以串联二级分配形式向润滑部位供送油脂。一级分配器 P1和二级分配器 P11、P12、P13均为 3 片。依据表 1 和电动油泵的供油量，设定单位时间 1 min 内循环次数为 20 次，可粗略估算系统中每个分配器每一循环的供油量为0.17 0.28 mL，且选用的 DRB-L 型系列电动润滑泵公称压强为 10 MPa，可初步选用 JPQ1 型片式递进分配器。选用的 JPQ1 型片式递进分配器，可按每个润滑点的润滑脂消耗量配置不同柱塞直径的分配器。设置循环指示器，片组中装配的运动指示杆动作触发限位开关输出信号，以监测润滑系统的运作状况。此外，可按需加配超压指示器监视某个润滑点超负载，以判别某管路或润滑点是否超负载，或加配安全阀用以某润滑点超负载溢流释压等。2.4集中脂润滑系统的控制集中脂润滑系统的控制功能主要是控制电动润滑泵按照预先设定的周期工作，并监视润滑系统的工作情况和故障报警，同时与钻机总控制系统联机通信，实现自动润滑。单线递进式润滑系统的运行框图，如图 2 所示。在绞车电动润滑泵附近安装防爆接线箱，采集集中脂润滑系统的各种信号。它设有电机运行状态信号（指示灯）、压力报警及显示装置、油箱液位信号等，通过控制多芯电缆与司钻房连接，以 4 20 mA 的电信号进入司钻房内4。司钻房内设置远程控制电动润滑泵开关，并在控制显示屏上显示采集的信息，便于现场司钻人员参考使用。压力报警装置电动润滑泵装置一级分配器二级分配器润滑点循环指示器电控系统报警装置循环指示器图 2单线递进式润滑系统运行框图在钻机可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）中设置润滑油泵的工作周期，每次运行时间为 5 min，间歇时间为 55 min，采集油泵装置的液位信号、电机的运行信号等进入钻机 PLC，并在司钻显示屏上显示。每个 JPQ1 型片式递进分配器均带有循环指示器。循环指示器输出信号可控制系统计数，监视分配器的工作情况，便于工作人员直观了解各个点位。压力传感器设置于系统的二级分配器前和各润滑点前，为 PLC 控制系统提供监测的压力值以进行控制和故障预警。压力报警和显示装置中串入声光报警装置，方便维护人员第一时间发现故障。2.5集中脂润滑系统的常见故障单线式集中脂润滑系统的常见故障包括控制系统故障、泵装置故障、分配器故障以及管线故障 4 大类。系统发生故障时，为了能够进行有效判定，建立故障树辅助分析，快速定位底事件并及时检修。集中脂润滑系统故障树如图 3 所示。日常维护过程中，按班次检查管路情况、储油筒内润滑脂的量和质等事项，是保证系统正常运转的基本要求。当润滑系统长期稳定运行时，故障点易发生在中间事件中的控制系统故障（G1）下属各点与底事件分配器故障（X1）。当绞车长时间放置后，应先检查泵装置的储油筒中润滑脂是否变质（X10），及时更换新的润滑脂。若久置后首次启动系统出现压力异常，则按压力报警装置中发出信号的点，先检查底事件润滑脂管路是否堵塞（X14）和传感器是否故障（X2），再检查底事件分配器故障（X1）5。（下转第 18 页）现代制造技术与装备182023 年第 3 期总第 316 期由数据可知，当进口总压越大，CFD 值与实验值相差越小。可以推测当实验条件达到设计要求的时候，CFD 值与实验值吻合，叶轮的性能可以满足设计要求。5结论紧凑结构的井下发电机涡轮设计和性能预测方法，能够满足现有工程的需求；依据涡轮机械的基本方程和基元级进出口三角形等确定涡轮叶栅外形，采用 NACA45 翼型叠加中弧线形成各叶高截面叶型。设计叶轮转速随流量平稳变化，在工况发生变化，较大攻角下仍能正常工作；导轮叶片的台阶结构处出现分离泡，造成额外的流动损失，其所导致的分离泡，经过和主流的掺混，不会影响下游转子的流动。参考文献1WANG Z，JIAN Z，YUN G，et al.The Turbine Parameter Study of Down-hole Turbine Generator of While Drilling for Exploring of China SeaC/International ocean and polar engineering conference，2014.2 王智明，贾立鹏，李刚，等.高速泥浆脉冲遥传系统推广适应性研究 J.西部探矿工程，2022（3）：57-60.3 舒红梅，冯进，张先勇，等.一种轴流式涡轮的优化设计 J.机械研究与应用，2007（1）：63-64.4 荆宝德，王智明，曲海乐，等.随钻测井用井下发电机系统的涡轮设计 J.光学精密工程，2012（3）：616-624.5 药晓江，尚捷，卢华涛，等.随钻测井用涡轮发电机叶轮组设计优化和试验研究 J.风机技术，2021（3）：32-38.3结语文章从直流电驱动绞车集中脂润滑系统的结构组成、工作原理和系统设计等方面进行介绍，通过分析可知，该系统能够满足绞车各轴承处的润滑需要。参考其他行业的应用案例，集中脂润滑系统能够有效延长轴承的使用寿命并节约成本。当绞车正常工作时，脂润滑可由钻机操作人员在钻机司钻房内远程完成，减少人工劳动力，降低人工成本。虽然系统采用的递进式分配器任意点（包括润滑管路、润滑点等）堵塞均会导致系统超负载，分配器不出油，但能及时安排现场操作人员维修故障，因此可将其作为一种强制手段。参考文献1 成大先.机械设计手册（第 3 卷）M.6 版.北京：化学工业出版社，2016.2 赵静一，曹文熬，王彪，等.80t 抱罐车干油润滑系统分析与设计 J.润滑与密封，2010（10）：115-117.3 姚林晓，吴松，刘润，等.油脂分油器定量控制及应用分析 J.河南科技，2017（1）：82-84.4 王进全，王维旭.国外钻机技术现状及我国的发展策略 J.石油机械，2011（6）：65-69.5 赖笑辉，牟新明，李鹏.绞车滚筒的结构强度分析 J.现代制造技术与装备，2009（2）：70-72.分配器故障 X1控制箱故障 G1司钻房内故障 G5电动泵装置故障 G2集中脂润滑系统故障 T管线故障 G3控制系统故障 G1传感器故障 X2断路器故障 X3中间继电器故障 X4热继器故障 X5接触器故障 X6润滑泵故障 X1接头故障 X12 开关、旋钮故障 X2储油筒内脂量过少 X9储油筒内脂变质X10管路破损故障X13管路堵塞故障X14显示系统故障 X8图 3集中脂润滑系统故障树（上接第 14 页）