梁顺安，侯敏，曹立天，赖晨晨，王文超

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡721002)

0 引 言

随着石油钻井技术的不断发展及钻井工艺的逐渐完善，人们对钻井设备提出了越来越高的要求，尤其是在一些诸如海洋平台等对设备体积、质量要求严格的场合，对装备的可靠性、质量和外形尺寸等方面提出了更高要求。钻井绞车作为钻机的关键设备之一，其可靠性、质量和外形尺寸直接影响着钻井效率、钻机总体设计和钻井成本。常规绞车因为存在着体积大、质量重等缺点，已不能很好地应用于海洋钻机等对设备质量、体积要求严苛的场所。尤其是随着交流变频技术的快速发展及其在海洋钻机上的广泛使用，迫切需要一种体积小、质量轻、可靠性高的轻型化绞车。

1 轻型化设计

1500 hp 轻型化行星绞车（简称行星绞车）是由宝鸡石油机械有限责任公司自主研发，综合了交流变频技术、轻型化技术等而开发的国内首台配套于5000 m 级别的海洋钻机的轻型化行星绞车。

1.1 总体方案设计

行星绞车布局如图1 所示，其采用单台1100 kW 交流变频电动机通过联轴器驱动行星减速箱，并经胀紧盘传递动力给滚筒轴总成；绞车配备37 kW 独立自动送钻装置，与1100 kW 主电动机并排布置，驱动减速箱。主要由交流变频电动机、行星减速箱、弹性支承、滚筒轴总成、液压盘刹等组成。行星绞车采用了以下轻型化技术：

1）绞车底座优化设计。建立底座数学模型，应用Matlab 软件进行优化计算，得到优化后的减重方案，减轻底座质量。2）行星减速箱替代常规减速箱。应用比常规减速箱体积小、外形尺寸小、质量轻的行星减速箱来替换常规减速箱，可降低绞车质量，缩减绞车外形尺寸。3）减速箱连接设计，应用胀紧盘连接技术与滚筒轴连接，取消了常规联轴器，缩短了连接尺寸。

1.2 关键部件设计

1.2.1 底座设计

1）轻型化设计。为达到减重目的，对绞车底座进行了轻型化设计，如图2 所示，底座主要结构由横梁Ⅰ、横梁Ⅱ、横梁Ⅲ等组成，而这些梁主要由H 型钢焊接而成，且位置尺寸和受力情况相对固定，故底座轻型化设计关键在于H 型钢优选。即在保证每段H 型钢在满足强度要求的前提下，其截面面积最小，从而使绞车底座质量最小。

图1 1500 hp 行星绞车原理图

图2 1500 hp 行星绞车底座结构图

图3 H 型钢截面图

2）建立数学模型。以H型钢的宽度B、高度h、腹板厚度t1和翼板厚度t2为设计变量x，H型钢截面（如图3）面积S为目标函数f(x)，以及梁的弯曲强度、剪切强度、工字钢腹板宽厚比和翼板宽厚比为约束函数G(x)，建立有约束最优化问题求解的数学模型。

式中：Mmax为底座最大弯矩值；Qmax为底座最大剪切力矩；Fσ为弯曲许用应力；Ft为剪切许用应力；W 为抗弯截面模量。

该数学模型为多变量且非线性约束的最优化问题，应用Matlab优化工具箱中给出的求解有约束最优化问题的函数[1]fmincon()，在满足约束的条件下，沿着目标函数下降的方向迭代，最后收敛到最优解。fmincon()函数[2]调用格式如下:

其中:x是问题的解；fval是目标函数最优值；x0是极小值点的初始近似值；a、b为线性不等式约束；Aeq、beq为线性等式约束；VLB、VUB为变量的上下边界。

将以往同级别绞车底座的参数设为初始点参数进行优化求解，即可得出优化后的底座H型钢截面优化参数。优化后参数对比如表1所示。

表1 梁截面优化前后参数对比

通过表格参数得出：单根梁减重95 kg，底座的其余梁总共减重可达到约400 kg。综上所述，优化后的绞车底座减重约10%，达到减重目标。

1.2.2 减速箱设计

行星绞车采用两挡双输入大功率行星减速箱，采用NGW 型2K-H 行星减速器传动，结构对称，载荷均匀分布、功率均匀分流。新型减速箱还具有传递功率范围宽、结构紧凑、体积小、速比大、传动效率高等优点。

2 性能参数对比

1500 hp 行星绞车由于采用新的结构布局，并在常规绞车的基础上采用了绞车轻量化技术，其质量、体积较常规绞车减小约25%，具体参数如表2 所示。

表2 1500 hp行星绞车与常规JC50DB绞车参数对比

由表2 可知，1500 hp 行星绞车与常规JC50DB 绞车相比较，质量减小比例可达30.5%，空间体积减小可达33%；与国外Wirth GH 1500 EG 绞车相比较，质量减小比例为21%，空间体积减小约30%，占地面积减小约25%。由上述对比数据可看出，1500 hp 行星绞车的质量、体积、外形与同级别50DB 绞车比较均有大幅减小，达到轻型化目标。

3 技术创新

在对绞车关键部件应用Matlab 建模优化减重的同时，与常规JC50DB 绞车相比，1500 hp 轻型化行星绞车还应用了以下创新技术：

1）减速箱浮动技术。减速箱与滚筒轴采用胀紧盘连接，减速箱悬挂于滚筒轴，取消了传统联轴器，减小绞车连接长度。

2）大功率两挡行星减速箱。为最大程度地减小绞车质量，缩小绞车体积，研制成功了1100 kW 大功率行星减速箱，比常规2000 hp 减速箱体积小、质量轻。

3）调速范围宽。驱动绞车的1100 kW 宽频大功率电动机具有目前为止最大的恒功率调速范围，调速比可达到R=3.3，极大地拓宽了绞车的调速范围。

4 试验情况

对1500 hp 轻型化行星绞车进行了厂内试验（如图4），其起升特性[3-5]曲线如图5 所示。从图中可看出：绞车挂1 挡提升最大钩载时，钩速最快达到0.366 m/s；绞车挂2 挡提升最大钻柱质量时，钩速可达到0.42 m/s；空钩时，钩速可达到1.85 m/s。配备37 kW 自动送钻，可满足0～36 m/h 的送钻工况。1500 hp 轻型化行星绞车完成了厂内试验，绞车提升能力完全满足现场使用要求。

5 结 论

1500 hp 轻型化行星绞车的总体技术方案、结构布局、技术特点与技术性能都体现了与传统绞车设计不同的特点，整机具有较高的创新性和技术先进性。

图4 1500 hp 行星绞车试验现场照片

图5 1500 hp 行星绞车起升特性曲线

1）1500 hp 行星绞车传动方案，取消常规传动方案，改为体积小、质量轻的行星减速箱传动，优化绞车总体布局，满足5000 m 钻井工况需求；2）基于Matlab 建立优化模型，对绞车关键部件进行优化设计后，1500 hp 行星绞车体积、质量比常规绞车减小约25%，生产成本降低，技术先进，适用性好，能够替代国内目前使用的同规格常规绞车，不仅适用于陆地快速移运钻机等，而且非常适合于海洋平台钻机，适用范围更广。