臧臣坤，何磊，孫軍盈，高明帥

(中地裝(北京)科學技術(shù)研究院有限公司，北京 100120)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，能源危機日益臨近，而傳統(tǒng)能源對環(huán)境的危害也日益顯著，所以急需開發(fā)利用新能源來降低對傳統(tǒng)能源依賴，并減少環(huán)境污染。地熱能是由地殼抽取的天然熱能，具有清潔無污染、能量儲存量大等特點，受到越來越多國家的關(guān)注。國家能源局也提出，“十三五”時期，我國將全方位推進地熱能發(fā)展。

隨著我國對地熱資源的開發(fā)利用，地熱井鉆機也獲得快速發(fā)展。但作為鉆機主要部件的主絞車，并沒有得到應有的重視和發(fā)展。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤式機械鉆機采用剎把式齒輪傳動絞車，需要人工控制剎車手柄實現(xiàn)鉆具提升、下放、剎車等功能，操作人員勞動強度極大，在淺孔時可滿足鉆進施工要求，但在深孔(超過2500 m)施工中，隨著鉆具重量的增大，操作人員手臂力量已不能完全滿足鉆具下放時剎車力矩，很容易發(fā)生溜鉆、墩鉆等情況，極易造成嚴重孔內(nèi)事故。近年來，一些地熱井隊也開始引進更為先進的車載液壓動力頭式鉆機，采用液壓缸提下鉆，降低了操作人員的勞動強度，但是液壓傳動效率較低，處理事故能力較弱，同時由于桅桿的長度有限，在深孔鉆進時，提下鉆輔助時間較長，影響施工效率。目前也有少數(shù)地熱井隊采用小型石油鉆機進行地熱井施工，但石油設(shè)備價格昂貴，在地熱施工中并不適用。

綜上所述，中地裝(北京)科學技術(shù)研究院有限公司研發(fā)了一套滿足3000 m地熱水井施工的先進的電傳動JDR-30DB型主絞車，本文對該絞車進行簡單的介紹。

1 總體方案設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

在制定方案時，充分考慮深孔地熱鉆井工藝特點，結(jié)合石油鉆機先進技術(shù)，進行方案設(shè)計，主要包括以下幾個方面：①地熱鉆機開孔直徑較大，鉆桿重量大，同時為防止塌孔、卡鉆等事故的發(fā)生，需要絞車有較大的提升力；②為降低成本，采用盡可能小功率的電機，在滿足正常起下鉆時提升力需要的同時具有電機過載能力，保證短時間處理事故能力；③多重保護措施，保證絞車在使用過程中安全可靠；④分別設(shè)有主電機和送鉆電機，降低鉆進過程能耗；⑤在卷筒和主減速箱之間采用聯(lián)軸器而不是氣胎離合器，免除氣胎離合器磨損風險，降低設(shè)備維護時間；⑥增加電、液比例，減少氣控比例。

根據(jù)以上設(shè)計思路，設(shè)計了符合3000 m地熱施工需求且具有多重安全防護的先進的JDR-30DB電傳動主絞車。

1.2 基本組成

JDR-30DB絞車是一種交流變頻控制的齒輪傳動單軸絞車，主要由大功率交流變頻電動機、小功率送鉆電機(含減速機)、大減速箱、大聯(lián)軸器、小聯(lián)軸器、氣胎離合器、液壓盤剎、滾筒軸、絞車架、氣控系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、控制箱等單元部件組成。絞車結(jié)構(gòu)見圖1所示。

1.工作鉗；2. 主電機；3.小聯(lián)軸器；4.主減速箱；5.氣胎離合器；6.送鉆電機及減速機； 7.電控箱；8.大聯(lián)軸器；9.卷筒；10.安全鉗圖1 JDR-30DB絞車結(jié)構(gòu)圖

2 主要參數(shù)

絞車主要參數(shù)見表1。

表1 JDR-30DB絞車主要技術(shù)參數(shù)

3 主要功能及部件

主絞車在鉆井過程中，不僅擔負著起下鉆具、下套管、處理事故等常規(guī)作業(yè)，而且還擔負著井架起放任務(wù)。

3.1 提升下放部分

絞車提升下放部分實現(xiàn)起放井架、起下鉆具、下套管及起吊重物等功能。絞車由一臺300 kW的交流變頻電動機經(jīng)聯(lián)軸器同步將動力輸入齒輪減速箱輸入軸，經(jīng)三級齒輪減速后，通過大聯(lián)軸器驅(qū)動滾筒工作?？炖K額定提升力達到150 kN，電機還可最大1.6倍過載，具有很強的事故處理能力。絞車還配有一臺15 kW的小功率交流變頻電機，經(jīng)大傳動比送鉆減速機和氣胎離合器后，通過齒輪減速箱和大聯(lián)軸器帶動滾筒軸，實現(xiàn)較大提升力、較小給進速度的自動送鉆功能。變速箱具有兩檔手動換向，絞車整個變速過程由手動換擋機構(gòu)和主電機交流變頻控制系統(tǒng)操作實現(xiàn)。傳動原理圖見圖2。

圖2 JDR-30DB絞車傳動圖

3.2 盤剎系統(tǒng)

JDR-30DB絞車共設(shè)有2副常開和1副常閉共3個剎車鉗。同時具備常開式工作鉗和常閉式安全鉗的復合式裝置，形成安全互鎖并互為備份。工作制動時，通過操作電比例閥的控制手柄，控制工作鉗對制動盤的正壓力，從而為卷筒提供大小可調(diào)的剎車力矩，實現(xiàn)送鉆、調(diào)節(jié)鉆壓、調(diào)節(jié)起下鉆速度等功能。絞車短時間停止運行時，可采用安全鉗制動；在遇到緊急情況時，按下緊急制動按扭，工作鉗、安全鉗全部參與制動，實現(xiàn)緊急剎車。剎車鉗采用浮動液壓缸結(jié)構(gòu)，有自動補償作用，降低安裝要求，提高剎車鉗工作壽命。

3.3 盤剎液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)由電機—齒輪泵總成、手動應急泵總成、高壓蓄能器總成、閥組總成、管路總成等組成。采用雙液壓源雙回路加蓄能器結(jié)構(gòu)，一套電機—泵總成工作，另一套備用，兩套同時出現(xiàn)問題時，可使用手動應急泵應急處理，具有多重保護功能，提高了可靠性和安全性。

3.4 氣控系統(tǒng)

氣控系統(tǒng)由氣源、操作控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)等組成。操作控制系統(tǒng)安裝在司鉆控制房內(nèi)，控制壓力氣進入或排出氣胎離合器，實現(xiàn)離合器的嚙合和脫開。

3.5 電控系統(tǒng)

JDR-30DB絞車控制系統(tǒng)嵌入在主機系統(tǒng)中，通過司鉆房內(nèi)一體化座椅上不同的旋鈕控制大小電機的啟停、氣胎離合器的開合、安全鉗的開合、送鉆速度、鉆壓等；通過座椅上左側(cè)手柄控制大鉤運行方向和速度，右側(cè)手柄可比例控制工作鉗壓力；右側(cè)紅色按鈕為絞車急停按鈕，按下后工作鉗和安全鉗同時剎車；通過觸摸屏控制送鉆上下行方向，并實時監(jiān)控絞車各項參數(shù)及運行狀態(tài)等。

3.6 潤滑系統(tǒng)

絞車潤滑使用了機油潤滑和脂潤滑。減速箱內(nèi)的齒輪及軸承均采用機油潤滑方式潤滑降溫，該系統(tǒng)主要由電動齒輪液壓泵、吸油過濾器、吸油與回油管線及各種管線接頭等組成，電動齒輪液壓泵安裝在減速箱箱體上，通過吸入減速箱底部的潤滑油送至齒輪減速箱各潤滑部位，絞車電機啟動時該泵自動啟動。絞車滾筒兩側(cè)滾筒軸支撐軸承、盤剎液壓缸、電機軸承，連接電機與齒輪減速箱的齒式聯(lián)軸器、滾筒軸端儀表裝置、擋繩輪和盤剎鉗缸連桿等部位均采用潤滑脂潤滑。

4 技術(shù)特點

(1)絞車由1臺功率300 kW的交流變頻電機驅(qū)動，減速箱設(shè)有兩擋，手動換擋，可實現(xiàn)擋內(nèi)無級調(diào)速，并通過換擋實現(xiàn)較大扭矩或較大轉(zhuǎn)速?？梢詫崿F(xiàn)在高速擋時絞車輸出較高轉(zhuǎn)速和較大的提升力，滿足快速提下鉆要求，節(jié)約輔助作業(yè)時間，提高效率；在處理孔內(nèi)事故或超深孔鉆進時，可選擇低速擋，絞車輸出大扭矩和較低轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)以較小功率滿足不同工況各種作業(yè)要求。絞車變速范圍大，提升能力強。

(2)鉆井施工中，鉆進時間占整個施工時間比例較大，絞車配置了15 kW交流變頻電機驅(qū)動的自動送鉆裝置，通過大減速比實現(xiàn)滿足鉆進要求的給進速度和提升力，采用小功率電機較大幅度降低能耗，綠色節(jié)能；同時小功率電機噪音較大功率電機低很多，為操作人員提供較為舒適的工作環(huán)境。

(3)絞車主剎車為主電機能耗制動，具有懸停功能，通過操縱手柄即可實現(xiàn)絞車的減速、懸停，操作人員不需要操作剎車就可實現(xiàn)大鉤的減速和停止，簡化操作流程，降低誤操作幾率，操作靈敏、快捷。絞車輔助剎車為液壓盤式剎車，包括兩個工作鉗和一個安全鉗，剎車力矩大，安全可靠。

(4)由于氣路閥島價格昂貴，維修困難，JDR-30DB絞車盡量減少氣路的使用。送鉆減速機與主減速機之間采用氣胎離合器，主減速箱和卷筒之間采用鼓型齒式離合器，同時過卷防碰裝置與天車防碰裝置采用電信號控制，減少氣路原件與氣路邏輯關(guān)系，采用電路邏輯關(guān)系代替，降低設(shè)備成本，同時由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于維護。

(5)絞車具有電子過卷防碰和天車防碰功能，可有效防止由于司鉆誤操作導致的大鉤碰撞天車的事故發(fā)生。同時，通過程序設(shè)計，保證在電機不啟動狀態(tài)時盤剎無法打開，也可防止司鉆誤操作導致大鉤墜落造成各種事故的發(fā)生，而電控工程師在場的情況下，可以通過程序設(shè)定實現(xiàn)電機不啟動打開盤剎，進一步提高絞車的安全系數(shù)。

5 現(xiàn)場調(diào)試試驗

JDR-30DB絞車是為中地裝(北京)科學技術(shù)研究院有限公司與張家口中地裝備探礦工程機械有限公司聯(lián)合研發(fā)的ZP30DB地熱鉆機提供配套，該鉆機是一種新型的變頻電驅(qū)動地熱鉆機，集成了一體化座椅、液氣大鉗、直驅(qū)頂驅(qū)、變速轉(zhuǎn)盤、變速絞車等系統(tǒng)和部件。JDR-30DB絞車與ZP30DB鉆機進行了一系列嚴格的調(diào)試和試驗，完成了卷筒高速回轉(zhuǎn)、盤剎剎車能力、液壓站壓力保持可靠性測試、過卷及防碰試驗等，測試結(jié)果完全達到設(shè)計要求，目前正在臺灣地熱井施工中使用，技術(shù)特點效果明顯。

6 結(jié)論

JDR-30DB絞車可用于3000 m深地熱井(水井)施工，其結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，可擋內(nèi)無級調(diào)速，電機具有懸停和過載功能，提升能力強；采用電氣化控制，安全防護措施多；具備自動送鉆技術(shù)，降低了絞車的運行成本，提高了工作環(huán)境舒適程度。該絞車性能特點體現(xiàn)了“安全、先進、可靠、環(huán)保、智能”的設(shè)計原則，既能滿足深孔地熱井施工的需求，也可用于水井、煤層氣、頁巖氣、油氣井施工，具有廣闊的市場前景。