尹曉利，孔凡讓，范成洲，曹 鈞，王定賢

（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230026；2.西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

在大直徑鉆井施工中，鉆機下鉆操作不當(dāng)會導(dǎo)致溜鉆，如果剎車系統(tǒng)能力不足或保養(yǎng)不當(dāng)，溜下的鉆具會砸壞轉(zhuǎn)盤等設(shè)備，甚至造成人員傷亡。因此，規(guī)范的下鉆操作和良好的剎車性能是鉆機安全運行的重要保證。

改造后的92A鉆機采用交流變頻電機和Vacon CX變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)速。除了以常閉式液壓盤式剎車作為主剎車外，還以電機能耗制動作為輔助剎車。為了保證鉆機的安全運行，有必要對92A鉆機下鉆過程的運動學(xué)和動力學(xué)進行分析。

1 92A鉆機能耗制動過程

92A鉆機能耗制動主要發(fā)生在電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下：下鉆時，電機以變頻器給定的頻率工作，電機同步轉(zhuǎn)速不變，但在鉆柱勢能的作用下，鉆柱拖動電機，使電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于電機同步轉(zhuǎn)速；絞車即將停車時，降低電機的頻率，在頻率減小的瞬間，電機的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，由于機械慣性的原因，電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變，這時電機轉(zhuǎn)速也大于同步轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機同步轉(zhuǎn)速小于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子電流的相位幾乎改變了180°，電機從電動狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)；與此同時，電機軸上的轉(zhuǎn)矩變成了制動轉(zhuǎn)矩，電機在其機械特性曲線的四象限或二象限運行，處于再生制動狀態(tài)[1]。

在92A鉆機中，電機再生的電能經(jīng)制動單元反饋到變頻器直流電路的制動電阻上，從而將再生電能消耗在功率電阻上來實現(xiàn)制動，如圖1所示。

圖1 92A鉆機能耗制動原理

其制動過程[2]為：

a.當(dāng)電機在外力作用下反轉(zhuǎn)、減速時，電機即以發(fā)電狀態(tài)運行，能量反饋回直流回路，使母線電壓升高。

b.當(dāng)直流電壓到達(dá)制動單元開的狀態(tài)時，制動單元的功率管導(dǎo)通，電流流過制動電阻。

c.制動電阻消耗電能為熱能，電機的轉(zhuǎn)速降低，母線電壓也降低。

d.母線電壓降至制動單元要關(guān)斷的值，制動單元的功率管截止，制動電阻無電流。

e.采樣母線電壓值，制動單元重復(fù)ON／OFF過程，平衡母線電壓，使系統(tǒng)正常運行。

2 下鉆運動學(xué)及動力學(xué)分析

鉆機下鉆操作的特點是：起鉆過程中處于被動的鉆柱載荷，在下鉆過程中轉(zhuǎn)化為主動；起升時絞車驅(qū)使鉆柱提升而增加的勢能，在下放時由絞車剎車機構(gòu)和輔助剎車吸收，從而實現(xiàn)鉆柱的勻速下放[3]。

根據(jù)鉆機下鉆操作特點，結(jié)合92A鉆機能耗制動過程，分析下鉆過程的運動及載荷變化的特點。下鉆過程可分為加速、等速和減速3個階段[4]。下鉆速度變化及對應(yīng)滾筒軸承上的力矩變化如圖2所示。

圖2 下鉆速度與滾筒軸承上的力矩對應(yīng)

2.1 加速段

如圖2所示，在t1時間內(nèi)，操作臺上工況轉(zhuǎn)換開關(guān)處于“下放”位置，操作手將速度給定手輪離開零點，此時絞車剎車打開，速度手輪勻速給定（電機的同步轉(zhuǎn)速增大，電磁轉(zhuǎn)矩增大）到預(yù)定速度位置。

在AB時間段，電機在鉆柱勢能和電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，鉆柱載荷Q以變加速度加速下放，由于Q和游動系統(tǒng)以及滾筒上產(chǎn)生的慣性力矩為負(fù)值，使?jié)L筒所承受的扭矩比開始懸持鉆柱的初始力矩M0有所下降，即此時M＝M0-M慣。當(dāng)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速時，滾筒軸承所承受的力矩降低到B點。B點以后，電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速開始大于同步轉(zhuǎn)速，在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，電機軸上產(chǎn)生制動力矩，下行加速度開始逐漸減小，力矩從B點逐漸增加到C點，達(dá)到M勻。

2.2 等速段

t2段為等速段。此時電機軸上產(chǎn)生的制動力矩M制，經(jīng)各傳動部件的傳動后，與鉆柱載荷勻速運動時產(chǎn)生的力矩相等。鉆柱以給定的速度等速下放，隨著鉆頭等逐漸進入水中，由于浮力的影響，滾筒軸承上承受的力矩略有逐漸減小的趨勢，因此，滾筒軸承力矩圖中的CD線略有傾斜。

2.3 減速段

t3為減速段。載荷下放至D時間點（接近預(yù)定行程終點）時，操作手進行速度給定手輪回零操作。此過程中，電機同步轉(zhuǎn)速逐步降低，產(chǎn)生的制動力矩增大，絞車減速下放，大量的能量由制動電阻消耗。當(dāng)速度手輪回到零點時，剎車動作。此過程中，鉆柱載荷Q產(chǎn)生一定的慣性力矩M慣。則此時產(chǎn)生的最大動載力矩為：

M動max＝M勻＋M慣（1）

t1，t3時間段相對于t2是個很短的過程，鉆柱分別處于加速和減速下放狀態(tài)。由沖量定理可知，加、減速時間越短，鉆柱載荷產(chǎn)生的慣性力越大，對絞車滾筒、軸承及鋼絲繩產(chǎn)生動載沖擊也越大，從而影響這些部件的使用壽命；在停車時，也會對主剎車產(chǎn)生較大的沖擊，導(dǎo)致剎車塊過早磨損。

3 最大動載力矩計算

4 剎車安全系數(shù)計算

在92A絞車設(shè)計計算書中，絞車剎車的安全系數(shù)是按絞車勻速下放載荷來計算的，不能說明剎車在很大動載沖擊下是否安全。依據(jù)動載剎車產(chǎn)生的最大動載力矩計算結(jié)果，重新計算剎車安全系數(shù)。

一般情況下，剎車是個短暫的過程，不會使剎車片過熱。即使在熱摩擦狀態(tài)，保證剎車系統(tǒng)狀況良好的情況下，額定載荷下的剎車安全系數(shù)也不小于1.5。

5 結(jié)束語

92A鉆機采用能耗制動來控制下鉆過程，具有操作簡單、控制精度高等優(yōu)點，可實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確停車。但從以上的下鉆運動學(xué)和動力學(xué)分析來看，在具體的操作過程中，仍需要注意：

a.在下放初始階段和下鉆結(jié)束需要停車時，操作手應(yīng)平穩(wěn)、緩慢地加、減速，適當(dāng)掌握加、減速時間，以避免過大動載沖擊。

b.剎車過程的安全是以剎車系統(tǒng)狀況良好為基礎(chǔ)的，為保證安全的制動，應(yīng)定期檢查、維護剎車間隙、剎車塊和盤剎液壓系統(tǒng)等的狀況，保證剎車塊清潔。

[1]周西章，周 全.電動機的起動·制動和調(diào)速[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[2]Vacon.Vacon CX／CXL／CXS變頻器中文用戶手冊[Z].Vacon中國公司，2004.

[3]趙 影.電機與電力拖動[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[4]趙懷文，陳智喜.鉆井機械[M].北京：石油工業(yè)出版社，1995.