顶部驱动钻井装置性能试验台方案设计

顶部驱动钻井装置性能试验台方案设计
摘要：从顶部驱动钻井装置的使用工况人手，确定了试验台的基本要求．利用电磁涡流测功机的高速特性和磁粉刹车的低速特性，采用电磁涡流测功机和磁粉刹车联合加载和手动自动2种加载控制方式，达到了完整的顶驱输出功率特性和输出转矩特性的测试目的．经使用证明，该试验台性能稳定，操作方便，很好地满足了顶驱性能测试的要求。

关键词：顶驱；性能试验台；输出功率特性；输出转矩特性；数据采集相处理
顶驱的输出功率特性和输出转矩特性直接决定了顶驱钻进性能的好坏，因此是顶驱重要的试验内容之一。

由于顶驱中配置的管子处理装置可以直接进行钻杆柱的上卸扣操作，顶驱的低转速输出转矩特性则直接决定了其上卸扣能力。

无论钻进、上卸扣和旋扣，均与顶驱的输出功率特性和输出转矩特性直接相关[1-2]。

顶驱性能试验台的研制能够很好地检测顶驱输出特性，便于顶驱很好的使用。

1 基本要求
1) 测试系统要稳定可靠，满足转矩及功率测试要求。

2) 测试误差不大于0.4％，加载转速和转矩波动不大于2％，微机采集精度不低于0.2级。

3) 状态检测应包括所有部件及冷却系统的状态检测和报警。

4) 具有安全防护系统、漏电保护，及工作异常情况下的报警和自动停机。

5) 控制系统应包括加载装置控制、电机控制和各项保护控制。

6) 显示包括被测系统的转矩转速和功率显示，加栽系统运行状态监控，故障显示和运行状态显示。

7) 由工控机进行数据信号的采集、记录、处理和输出。

2 结构及工作原理
整个试验装置包括加载系统、控制系统、测试显示、数据采集和处理系统。

2.1 加载系统
加载系统由增速传动箱、转矩转速传感器、电磁涡流测功机、离合器、磁粉刹车以及联轴器等组成。

根据各个工况的不同可知，顶驱不仅输出轴转速范围大、转矩高，甚至包括零转速下的转矩输出测量，由此增加了加载系统的设计难度。

目前，检测系统较为先进的加载方式有水力测功机、电磁涡流测功机和发电机组电力反馈3种。

根据不同的加载方式，确定的加载方案如图1所示。

电磁涡流测功机是利用涡流损耗原理来进行加载工作的，它较适合作为较高转速下的加载装置。

而磁粉刹车的工作原理是，当线圈通电时产生磁场，磁场使磁粉极化，在定子与转子之间产生阻力。

这个阻力的大小与磁场强度有关，与速度无关，当零转速时，可以产生最大制动力矩；但随着转速的增加，磁粉温度升高，则会造成磁粉的磁力下降，所以磁粉刹车适宜于低转速或零转速下的加载，不应在高转速时使用。

考虑到电磁混流测功机和磁粉刹车2种加载装置的特性互补，在设计试验台过程中，借助电磁涡流测功机良好的高转速性能，实现高转速时的加载；利用磁粉刹车的低转速制动特性，实现低转速时的加载，从而实现完整的加载过程。

为了在高转速时使磁粉刹车与其他加载部分脱离，在磁粉刹车与电磁涡流测功机之间设置了1台离合器，并安装了位置检测装置，提供位置检测信号，用于在离合器未脱开情况下与电机驱动互锁，以保护磁粉刹车的使用寿命。

由于顶驱输出轴速度低(0～300 r/min)，转矩大(连续转矩100 kN·m)，且为垂直输出，为了成功实现加载，在性能试验加载装置的始端增设了1台1︰10的增速角传动箱，一方面将垂直输入转成水平传动，另一方面使转速范围变宽，更充分地利用电磁涡流测功机和磁粉刹车的制动特性。

通过转矩转速传感器实时地测量出施加的转矩及转速，并传输给数据采集计算机。

但由于不是直接测量顶驱输出轴转速和转矩参数，因此需要数据采集处理系统根据增速箱的效率曲线作实时修正，以得到实际的输出特性。

为了保证电磁涡流测功机和磁粉刹车的正常使用，在系统中还设计了水冷却系统，以满足试验装置的冷却要求。

加载系统可以实现正转和反转加载，以及在运转过程中加载和卸载，加载方式可以手动加载，也可以自动加载。

对于变频电机驱动顶驱，自动加载程序如图2所示。

2.2 控制系统及测试显示、数据采集和处理系统
控制系统包括电磁涡流测功机控制、磁粉刹车控制、离合器控制及各项保护控制。

测试显示、数据采集和处理系统由测试显示模块和数据采集与处理模块组成。

测试显示模块显示被测系统的转距转速和功率；监控加载测功系统运行状态、故障显示、保护状态显示以及设定数据；数据采集与处理模块利用PC机进行试验数据的采集、记录、处理和输出。

需测试的输入电流、电压，增速传动箱输出轴转速、转矩，各设备轴承部位温度、冷却
液进出口温度，增速箱润滑系统工作状态等参数由相应的传感器
检测，检测到的信号传输到各自的二次仪表进行显示，并通过相应的接口电路传输到工控机进行显示和处理。

由于利用工控机进行数据信号的采集和处理，与普通的测试系统相比，对操作软件存在一定的依赖性，数据的采集、处理、显示和试验曲线、试验报告的输出均在软件的支持下完成。

针对该试验装置，开发了计算机数据自动采集处理软件系统，界面为WIN图形界面，美观大方，系统稳定性和兼容性好，操作简单、方便。

3 结语
该试验装置可以应用于顶驱的性能试验和大修后检验，能很好地满足顶驱的性能检测要求，实现计算机进行数据信号的采集相处理。

该系统性能稳定，操作使用简单方便，不仅保证了顶驱的整机性能，而且为顶驱正常工作奠定了基础。

参考文献：
[1] 梁政，张力文，蒋发光，等.顶驱下套管驱动工具现状与发展建议[J].石油矿场机械，2013，42(1)：1-5.
[2] 于桂杰，殷有财，肖文生.顶驱钻井柔性钻柱动力学特性分析[J].石油矿场机械，2011，40(4)：1-5.。