专利名称：节能电动石油钻机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及石油、天然气工业的钻井设备，具体地讲是一种节能电动石油钻机。
(二)
背景技术：
石油钻机在更换钻头时，需将井中的全部钻柱取出，称起钻作业。更换钻头后要将钻柱 下入井中，称下钻作业。起钻作业是间歇性的周期过程。钻机机动起升钻柱的时间约占整个 起立根周期的1/3，而卸扣、摆放立根等辅助作业时间则占2/3。机动起升钻柱需要动力机大 功率工作，而卸扣、摆放立根等辅助作业时动力机小功率工作。常规钻机为了满足快速起升 钻柱的需要，装机功率都较大。大功率动力机大部分时间是在小功率下工作，经济性差，动 力机磨损严重。
钻柱从井下被提到地面储存了相当的重力势能，将钻柱下放入井内时，储存的重力势能 要释放出来，这些能量是相当大的。常规钻机不能回收这些能量，只能靠制动器将其变成热 能消耗掉。
所以常规钻机在起升和下放钻柱的作业中都存在着能量浪费现象。
(三) 发明内容
为了克服常规钻机在起钻和下钻作业中存在的能量浪费现象，本实用新型提供了一种节 能电动石油钻机，可以将动力机功率减小为常规钻机的1/3，还可以回收钻柱下放时释放出 来的重力势能，节能效果显著。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是节能电动石油钻机包括交流变频电动 机1和2、传动箱8、角传动箱9、滚筒10、液压盘式刹车11、游车大钩12、转盘14及连接 各部分的联轴器、离合器，其特殊之处在于还包括传动箱5和变量泵-马达液压系统，变量泵 -马达液压系统通过传动箱5并联在电动机1至滚筒10的主系统上。变量泵-马达液压系统包 括变量泵-马达15、 二位二通电磁阀16、蓄能器、溢流阀17、油箱20。变量泵-马达15为单 向变量轴向柱塞泵-马达，其斜盘倾角的方向不能改变，斜盘倾角的大小可以改变；改变斜盘 倾角的大小可以改变变量泵-马达15的排量，从而改变变量泵-马达15的输出转矩的大小。 在起升钻柱的辅助作业期间将电动机1的动力通过传动箱5传给变量泵-马达15，使变量泵-马达15呈泵工况运转，向蓄能器中充油储存动力；在起升钻柱时蓄能器中储存动力使变量泵 -马达15呈马达工况运转，通过传动箱5与电动机1的动力并车， 一起传给滚筒10起升钻柱， 这样可使电动机1的功率比普通钻机大为减小，大约仅为普通钻机的1/3。因为变量泵-马达15为单向变量泵-马达，其输出转矩的方向不变，其在起钻的辅助作业期间呈泵工况运转，在 起钻时呈马达工况运转，是通过传动箱5中不同齿轮对的啮合实现的。下放钻柱时可将动力 机关机，钻柱在本身重力作用下下放入井内，同时驱动变量泵-马达15向蓄能器中充压力油，
也就是将钻柱的重力势能变为蓄能器中压力能储存起来。
本实用新型与现有技术相比有如下优点与普遍采用的常规钻机相比，可以将动力机功 率减小为常规钻机的1/3，还可以回收钻柱下放时释放出来的重力势能。
附图为本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步的详述。参见附图，节能电动石油钻机由交流变频 电动机1和2、传动箱5和8、角传动箱9、变量泵-马达液压系统、滚筒10、液压盘式刹车 11、游车大钩12、转盘14及连接各部分的联轴器和离合器等部分组成。变量泵-马达液压系 统通过传动箱5并联在电动机1至滚筒10的主系统上。变量泵-马达液压系统由变量泵-马达 15、 二位二通电磁阀16、蓄能器、溢流阀17、油箱20等组成。变量泵-马达15为单向变量 轴向柱塞泵-马达，其斜盘倾角的方向不能改变，斜盘倾角的大小可以改变。蓄能器由蓄液缸 18和氮气包19组成。传动箱5的作用是在起钻的辅助作业期间将电动机1的动力传给变量 泵-马达15，在起钻时将变量泵-马达15的动力传给滚筒10。传动箱5由三根轴57、 58和59、 三对齿轮51和52、 53和54、 55和56、及两个离合器44、 45组成。齿轮53和54为常啮合 齿轮。齿轮52空套在轴58上，齿轮56空套在轴59上。离合器44结合可实现轴57、 58的 相反方向运转，离合器45结合可实现轴57、 58的相同方向运转。变量泵-马达15的轴通过 联轴器33与传动箱5的轴58相连。传动箱5的轴57—端通过离合器41、联轴器31与电动 机1相连，另一端通过离合器43、联轴器34与传动箱8、角传动箱9相连。角传动箱9通过 联轴器35与滚筒10相连。交流变频电动机2通过联轴器32、离合器42、万向联轴器36、-37和传动轴13驱动转盘14。链传动6有一链轮空套在传动箱5的轴57的伸出端上，啮合套 7向左拨动，可实现链传动6与轴57的挂合，从而实现电动机1和2的并车。
变量泵-马达15为单向变量泵-马达，其输出转矩的方向不变，恒与电动机1输出转矩 的方向相同。在起升钻柱的辅助作业期间，离合器43、 45分离，离合器44接合，电动机l 通过联轴器31、接合的离合器41、齿轮副51和52、接合的离合器44、联轴器33作用在变 量泵-马达15轴上的转矩7\方向与变量泵-马达15在油压的作用下输出转矩T2方向相反，调 整变量泵-马达15的排量，使K大于72，则变量泵-马达15呈泵工况运转，通过二位二通电磁阀16的下位向蓄能器中充油。溢流阀17起安全保护作用，当蓄能器中油液压力超过规定 值，溢流阀17溢流。当起升钻柱时，离合器44分离，离合器43、 45接合，松开刹车11， 变量泵-马达15通过齿轮副55和56、接合的离合器45、常啮合齿轮副53和54作用在轴57 上的转矩方向与电动机1的输出转矩方向相同，变量泵-马达15呈马达工况运转，其动力与 电动机l的动力并车， 一起向滚筒10输出能量，使滚筒旋转，通过游车大钩12起升钻柱。 所以电动机1的功率比普通钻机大为减小，大约仅为普通钻机的1/3。
因为在起升钻柱时，钻柱的重量是变化的，在逐渐减小。而电动机功率为普通钻机的1/3。 所以当起升的钻柱重量小于最大钻柱重量的1/3时，此时不用借助变量泵-马达15的动力就可 起升钻柱。起升此重量段的钻柱时，离合器44、 45都分离，变量泵-马达15不工作。此时为 防止变量泵-马达15空转，将二位二通电磁阀16置于上位。即起升此重量段的钻柱时，节能 电动钻机与一般变频电动钻机相同。当起升的钻柱重量大于最大钻柱重量的1/3时，电动机1 与变量泵-马达15并车工作，此时电动机1在额定恒转矩下运行。超过电动机额定转矩的负 载转矩部分由变量泵-马达15输出动力承担。司钻根据大钩指重表进行变量泵-马达15排量 的调整。当起升的钻柱重量较大，即负载转矩较大时，变量泵-马达15承担的负载转矩也较 大，此时司钻将变量泵-马达15的排量调大，使变量泵-马达15的输出转矩增大。反之当起 升的钻柱重量较小，即负载转矩较小时，变量泵-马达15承担的负载转矩也较小，此时司钻 将变量泵-马达15的排量调小，使变量泵-马达15的输出转矩减小。
一般情况下，并车链传动6不挂合，即由电动机l驱动滚筒，由电动机2驱动转盘。在 特殊情况下，如卡钻时，并车链传动6挂合，由电动机l和2共同驱动滚筒，提高滚筒的起 升能力。
下放钻柱时，电动机1关机，并将离合器41分离。即下钻时电动机l不工作。接好立根 准备下放钻柱时，接合离合器45，松开刹车11,钻柱在本身重力作用下通过滚筒10、联轴 器35、角传动箱9、传动箱8、联轴器34、接合的离合器43、常啮合齿轮副53和54、接合 的离合器45、齿轮副55和56、联轴器33作用在变量泵-马达15轴上的转矩r3方向与变量泵 -马达15在油压的作用下输出转矩712方向相反，调整变量泵-马达15的排量，使73大于T2， 则钻柱下放入井内，同时使变量泵-马达15呈泵工况运转，通过二位二通电磁阀16的下位向 蓄能器中充油。也就是将钻柱的重力势能变为蓄能器中的液压能储存起来，实现了钻柱重力 势能的回收。
下放钻柱时，钻柱的重量是逐渐增大的。司钻根据大钩指重表适时进行变量泵-马达15 排量的调整。 一开始钻柱的重量较小，此时变量泵-马达15的排量也较小，回收的能量较少。随着下放钻柱重量的增加，司钻适时将变量泵-马达15排量调大，回收的能量也越来越多。 这部分回收能量可以重新利用，用其完成下钻辅助作业期间的工作，如完成提升空吊卡，驱 动液压大钳上扣，驱动压气机，提供操纵离合器和制动器的能量等。以前这些工作都由动力 机完成，现在由回收能量完成，大大节约了能源。 本实用新型所采用的技术也可用于石油修井机。
权利要求1、节能电动石油钻机，包括交流变频电动机(1)和(2)、传动箱(8)、角传动箱(9)、滚筒(10)、液压盘式刹车(11)、游车大钩(12)、转盘(14)及连接各部分的联轴器、离合器，其特征在于还包括传动箱(5)和变量泵-马达液压系统，变量泵-马达液压系统通过传动箱(5)并联在电动机(1)至滚筒(10)的主系统上；变量泵-马达液压系统包括变量泵-马达(15)、二位二通电磁阀(16)、蓄能器、溢流阀(17)、油箱(20)；所述的变量泵-马达(15)为单向变量轴向柱塞泵-马达。
2、 根据权利要求1所述的节能电动石油钻机，其特征在于所述的蓄能器由蓄液缸(18) 和氮气包(19)组成。
3、 根据权利要求1所述的节能电动石油钻机，其特征在于所述的变量泵-马达(15)的 轴通过联轴器(33)与传动箱(5)的轴(58)相连。
4、 根据权利要求1所述的节能电动石油钻机，其特征在于所述的传动箱(5)包括三根 轴(57)、 (58)和(59)、三对齿轮(51)和(52)、 (53)和(54)、 (55)和(56)、两个离 合器(44)和(45),齿轮(53)和(54)为常啮合齿轮，齿轮(52)空套在轴(58)上，齿 轮(56)空套在轴(59)上。
5、 根据权利要求1所述的节能电动石油钻机，其特征在于传动箱(5)的轴(57) —端 通过离合器(41)、联轴器(31)与电动机(1)相连，另一端通过离合器(43)、联轴器(34) 与传动箱(8)、角传动箱(9)相连。
6、 根据权利要求1所述的节能电动石油钻机，其特征在于链传动(6)有一链轮空套在 传动箱(5)的轴(57)的伸出端上，啮合套(7)向左拨动，可实现链传动(6)与轴(57) 的挂合，从而实现电动机(1)和(2)的并车。
专利摘要一种节能电动石油钻机，由交流变频电动机、传动箱、角传动箱、变量泵-马达液压系统、滚筒、液压盘式刹车、游车大钩、转盘等部分组成，变量泵-马达液压系统通过传动箱并联在电动机至滚筒的主系统上；变量泵-马达液压系统由变量泵-马达、二位二通电磁阀、蓄能器、溢流阀、油箱等部分组成；变量泵-马达为单向变量轴向柱塞泵-马达。用蓄能器储存起钻辅助作业期间的电动机能量供起升钻柱时用，故将动力机功率减为常规钻机的1/3，用蓄能器储存钻柱下放时释放出来的重力势能，实现了能量回收利用。
文档编号F16H33/00GK201344001SQ20082022454
公开日2009年11月11日 申请日期2008年11月25日 优先权日2008年11月25日
发明者张路军 申请人:烟台大学