范　强，国国敬，李鹏宇，纠松涛，陈　彬（西南石油大学　机电工程学院，成都610500）

钻井液用离心机传动方案设计与评价

范强，国国敬，李鹏宇，纠松涛，陈彬
（西南石油大学机电工程学院，成都610500）

目前，石油矿场钻井液固控系统所用离心机均为卧式螺旋沉降离心机，其使用效果主要取决于分离因数和转鼓与螺旋的转速差。利用功能原理设计理论对其传动和差速装置进行改进和创新，提出多种传动方案；采用模糊综合评判对不同的传动方案进行了评判，得出双电机变频同步齿形带传动方案具有较好的综合性能。该研究可为钻井液用离心机的改进设计和新产品的开发提供参考。

钻井液；离心机；传动方案；模糊综合评判

钻井液用卧式螺旋沉降离心机的主要作用是清除有害固相和回收有用固相，在离心力场的作用下，固相沉降到转鼓内表面上，通过螺旋输送器输送到转鼓小端的排渣口排出，处理后的澄清液从转鼓大端溢流口排出并返回钻井液循环系统［1-2］。目前，石油矿场所用的离心机主要有WL 355、WL 450和WL 600 3种类型，但其处理量均不能满足钻井液全排量处理要求；需要开发处理量大、使用性能好的新型离心机。本文采用功能原理设计理论对传动装置进行改进和创新，提出多种传动方案；并采用模糊综合评判对不同的传动方案进行了模糊综合评判，最后做出合理的评价与选择。

1　传动方案功能原理设计

功能原理设计是在保证实现功能的前提下，可以采用各种不同的原理、机构和结构来实现所要求的功能，它是一种创新构思的过程，力求提出较多的解法以供比较和选择［3-7］。通过功能分析，我们可以把离心机传动的总功能分解为3个功能元，如图1所示。

图1　传动系统功能分解

根据动力源、传动方式和差速器选择的不同，列出传动方案形态矩阵如表1所示。

表1　传动方案形态矩阵

由表1分析得，传动方案有5×5×4=100种。

1）动力源的选择。柴油机具有自持能力，但从环保方面考虑，使用柴油机的污染、噪声大，且柴油机的体积比电机大，占用空间大。因此，选用电机作为动力源较合适［8-9］。

2）动力源输出端的传动方式选择。齿轮传动和链轮传动齿的传动效率高，使用寿命长，但两者的制造、安装要求较高，过载时起不到保护。液力传动承载能力大，易于无级调速，但需要附加泵站和输送管道，这就使离心机的结构复杂和笨重。因此，选用带传动方式。V带传动具有过载打滑、运转噪声低和缓冲吸振的优点，但是不能保证精确的传动比，传动效率低；同步齿形带传动可保证传动同步，同时提高了带传动的传动效率和传动比［10］。

3）差速传动装置。要求能够满足转鼓与螺旋输送器之间转速差，并且保证差转速恒定。

综合以上分析，可采用如下5种方案［11-12］：

1）方案1。A2+B1+C1（单电机行星齿轮差速器传动），如图2。

主电机通过皮带轮、行星齿轮差速器带动转鼓和螺旋输送器以一定的转速高速旋转。这种传动方式的离心机适应性和通用性较差，不能调节速差，并且在重载荷下安全启动时，需要配备大功率电机。

图2　单电机行星齿轮差速器传动系统

2）方案2。A2+B1+C3（单电机电磁涡流差速器传动），如图3。

单电机驱动转鼓旋转，转鼓与螺旋输送器间的差速由电磁涡流差速器产生。这种驱动方式便于控制、节约能源，但其转矩小，螺旋输渣受到限制。

图3　单电机电磁涡流器传动系统

3）方案3。A3+B1（单电机液压马达传动），如图4。

通过控制流量泵的流量来改变马达转速，以实现转鼓转速和转鼓与螺旋输送器之间差速的任意调节。单电机液压马达驱动，具有较大的转矩、速差控制方便，并且取消了结构复杂的差速器。但液压马达是高精度、高技术含量的部件，价格也偏高。

图4　单电机液压马达传动系统

4）方案4。A4+B1+C1（主副双电机差速器传动），如图5。

主电机通过皮带轮驱动转鼓旋转，副电机通过差速器带动螺旋旋转，通过变频器调节主副电机转速来实现无级调速。

图5　主副双电机传动系统

5）方案五。A5+B4（双变频电机同步齿形带传动），如图6。

采用2台变频调速电机，通过同步齿形带分别驱动转鼓和螺旋输送器旋转，用2个变频器来控制变频电机，以实现转鼓与螺旋输送器差速度的任意调节。这种布置取消了差速器，并且采用同步齿形带传动，结构紧凑，不易打滑。

图6　双变频电机同步齿形带传动系统

2　基于模糊综合评判法的传动方案评价

所谓模糊综合评判，是指对多种模糊因素所影响的事物或现象进行总的评价［13-17］。在传动方案的设计中，因要考虑的因素很多，且许多因素还具有强烈的模糊性，为了比较各方案的优劣次序，得出有意义、有价值的评判结果，因此采用模糊综合评判。具体评判步骤如下：

1）建立因素集。影响卧螺离心机传动方案评判的因素，主要有设计水平、占地面积、工作性能、制造成本、维修费用和使用寿命。

U=（u1，u2，u3，u4，u5，u6）（1）

式中：u1为设计水平；u2为占地面积；u3为工作性能；u4为制造成本；u5为维修费用；u6为使用寿命。

2）建立权重集。对传动方案的评判，需要根据自己的情况来拟定合适的比重。因此，对不同的设计者，侧重点不同，权重也就不同。设计水平、占地面积、工作性能、制造成本、维修费用、使用寿命6种因素权重可记作

3）建立评价集。总评判的结果为各种满意等级，即

V=（v1，v2，v3，v4，v5）=（好，较好，一般，较差，差）（3）

4）单因素模糊评判。单独从1个因素出发，不同设计方案的设计水平、结构紧凑、工作性能、经济性、使用寿命的优缺点对比如表2所示。

从单个因素出发，可确定对其备择集V的隶属度，即单因素评判矩阵。由表2可得出各传动方案的因素模糊评判矩阵为式（4）～（8）。

表2　不同设计方案优缺点对比

5）传动方案的模糊综合评判。当注重设备工作性能时，各因素权重可确定为=（0.05，0.05，0.84，0.02，0.02，0.02）（9）

这里采用普通矩阵乘法进行模糊合成运算

同理可得其余4种传动方案的模糊评判指标为

由上述模糊评判指标可知：当注重工作性能时，方案5的工作性能最好，其次是方案3和方案4，然后是方案2，性能最差的是方案1。

3　结论

1）采用功能原理设计对钻井液卧式螺旋离心机进行功能分析，择优设计出单电机行星齿轮差速器传动系统、单电机电磁涡流器传动系统、单电机液压马达传动系统、主副双电机传动系统和双变频电机同步齿形带传动系统5种较好的传动方案。

2）当综合考虑设计水平、占地面积、工作性能、制造成本、维修费用及使用寿命时，同时注重其工作性能，钻井液离心机应优先选择双电机变频同步齿形带传动方案。

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Design and Evaluation of Centrifuge Transmission Scheme for Drilling Fluid

FAN Qiang，GUI Guojing，LI Pengyu，JIU Songtao，CHEN Bin
（School of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

At present，the centrifuge used in the oil field drilling controlling system for drilling flu-id，is horizontal centrifugal sedimentation centrifuge.The effect mainly depends on the separation factor and the difference rotational velocity between the drum and spiral.Some improvements and innovations for the functional principle design theory were made and a variety of drive schemes were put forward in this article.Due to the fuzzy for many factors about these drive schemes，these different drive schemes with the fuzzy comprehensive evaluation were judged and finally the reasonable evaluation and selection were obtained.The reference value to the improvement of cen-trifuge and the development of new products were definite in this study.

drilling fluid；centrifuge；transmission scheme；fuzzy comprehensive evaluation

TE926

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.002

1001-3482（2015）12-0006-04

2015-06-04

范强（1964-），男，河南平顶山人，副教授，硕士，主要研究方向为石油钻采设备及现代设计理论与方法，Email：fanqiang818＠sina.com。