一種功率補償式修井機動力傳動系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種應用飛輪式液壓蓄能器的功率補償式修井機動力與傳動系統，屬于修井機動力傳動系統領域，包括動力系統和傳動系統兩大部分，所述的動力系統又可分為電力系統和儲能系統，其中電力系統由井場網電、調速電動機組成，儲能系統由液壓油箱、變量泵?馬達、高速旋轉接頭、飛輪式液壓蓄能器、離合器、溢流閥、電磁開關閥組成，傳動系統由耦合器、減速器、絞車組成。井場網電驅動調速電動機輸出動力，經由耦合器為儲能系統中的飛輪式液壓蓄能器充能，或與其聯合供能，經減速器降速增扭后，驅動絞車工作。
【專利說明】
一種功率補償式修井機動力傳動系統
技術領域
[0001]本實用新型主要涉及功率補償式修井機動力傳動系統領域，特別涉及應用飛輪式液壓蓄能器的功率補償式修井機動力與傳動系統。
【背景技術】
[0002]修井機是對油田井下管柱或井體進行維修保養的油田機械設備，為實現節能環保，新型修井機動力系統采用井場網電取代柴油發動機供能，但是目前大多油田場地電網功率在30kW—50kW左右，極大的限制了修井機作業能力。為解決此問題，常在系統中添加儲能設備與井場網電并用，當修井機處于卸管維修階段時，功率需求較小，儲能設備儲能；當修井機處于拔管階段時，功率需求較大，網電與儲能設備共同提供能量，實現對網電的功率補償，提高修井機作業功率。
[0003]現有的儲能設備中，液壓蓄能器具有功率密度大、能量密度高等優點，但其無法提供恒定壓力;飛輪性能良好，但其充放能周期與修井機作業工況匹配性較差，兩者均難以單獨作為修井機儲能設備使用。近年發展的飛輪式液壓蓄能器是將傳統的飛輪和液壓蓄能器相結合，采用可旋轉的筒形液壓蓄能器結構，實現動能和液壓能雙形式儲能，進一步增大了能量密度和功率密度，且可輸出恒定壓力，與修井機作業工況匹配良好，若將其作為儲能設備應用在修井機動力系統中，可實現修井機功率補償，提高其作業能力。
【發明內容】
[0004]本實用新型的目的是提供一種應用飛輪式液壓蓄能器的功率補償式修井機動力傳動系統。
[0005]本實用新型的技術方案為將井場網電與飛輪式液壓蓄能器并聯作為動力源，取代原修井機的柴油發動機或車載發電機，同時依據需求功率和需求轉矩的大小，判定動力系統的動力模式，并按照相應動力模式控制動力傳動系統，進行供能。
[0006]本實用新型由動力系統和傳動系統兩部分組成，其中動力系統包括電力系統和儲能系統。所述的電力系統包括井場網電、調速電動機，其中井場網電作為動力源，為修井機作業提供動力;所述的儲能系統包括變量栗-馬達、電磁換向閥、溢流閥、離合器、高速旋轉接頭和飛輪式液壓蓄能器，其中飛輪式液壓蓄能器作為儲能設備，可將井場網電的電能轉化為動能、液壓能或動能復合液壓能進行存儲;所述的傳動系統包括耦合器、減速器和絞車，其中耦合器由傳動齒輪組、單排行星齒輪、鎖止器和離合器組成，動力系統可通過單排行星齒輪實現動力耦合，減速器可實現降速增扭，并對作業需求轉速范圍進行匹配。
[0007]修井機的典型作業工況具有周期循環的特征，且隨著井管的重量逐漸減輕，作業需求功率和需求轉矩不斷減小。為縮短充能時間，提高能量利用率，根據需求轉矩和修井機動力傳動系統輸出轉矩的大小關系、飛輪式液壓蓄能器的能量存儲與使用形式，將動力系統所處模式劃分為動力模式和充能模式。其中動力模式包括:井場網電單獨供能模式(簡稱網電動力模式)、井場網電與飛輪式液壓蓄能器聯合供能模式(簡稱飛輪液壓動力模式)、井場網電與液壓蓄能器聯合供能模式(簡稱液壓動力模式)三種，由于飛輪單獨作為儲能設備時與修井機典型作業工況的匹配性較差，所以不采用飛輪單獨作為儲能設備;充能模式包括:零充能模式、液壓充能模式和飛輪液壓充能模式，并與動力模式一一對應。
[0008]與現有技術相比，本實用新型的有益效果為:
[0009]1.將修井機動力傳動系統與行駛系統拆分，動力系統的能量均來自于井場網電，尚效環保；
[0010]2.采用飛輪式液壓蓄能器作為儲能設備，雙儲能方式提高了儲能密度，減小儲能設備的體積，彌補網電功率的不足，同時兩種能量相互作用，可實現充放能功率最大；
[0011]3.依據需求轉矩和修井機動力傳動系統輸出轉矩的大小關系，將動力系統的動力模式劃分為網電動力模式、液壓動力模式和飛輪液壓動力模式，可提尚能量利用率，縮短充能時間；
[0012]4.采用新型耦合器實現電力系統和儲能系統的動力耦合，便于實現三種動力模式和充能模式之間的切換。
【附圖說明】
[0013]圖1為本實用新型的動力傳動系統結構簡圖；
[0014]圖2為本實用新型的動力系統模式選擇流程圖；
[0015]圖3為本實用新型的充能模式選擇流程圖；
[0016]圖4為本實用新型的網電動力模式圖；
[0017]圖5為本實用新型的液壓動力模式圖；
[0018]圖6為本實用新型的飛輪液壓動力模式圖；
[0019]圖7為本實用新型的液壓充能模式圖；
[0020]圖8為本實用新型的飛輪液壓充能模式圖；
[0021 ] 其中，I一井場網電；2一調速電動機;3—親合器，31—電力輸入齒輪，32一彳丁星架，33一太陽輪，34一外齒圈，35—鎖止器，36—尚合器;4一液壓油箱;5一變量栗-馬達;6—尚速旋轉接頭;7—飛輪式液壓蓄能器;8—離合器;9一變量栗-馬達;10—溢流閥；11一第一電磁開關閥；12—第二電磁開關閥；13—第三電磁開關閥；14一減速器;15—絞車。
[0022]圖1中，I一動力系統，Π —傳動系統，A—電力系統，B—儲能系統，---為電路連接，——為機械連接，——為液壓連接；圖2中Tm—作業需求轉矩，Te—電力系統經傳動系統后的額定輸出轉矩(簡稱電力輸出轉矩KT1 一儲能系統僅以液壓能方式蓄能時經傳動系統后的額定輸出轉矩(簡稱液壓輸出轉矩)；圖4一8中，加粗代表處于工作狀態。
【具體實施方式】
[0023]參見圖1，電力系統A中，井場網電I通過電路連接驅動調速電動機2，將動力輸入；傳動系統Π中，耦合器3的電力輸入齒輪31與行星架32相連，外齒圈34經離合器36與減速器14相連，太陽輪33經鎖止器35與變量栗-馬達5相連，實現對儲能系統B的充能或整體動力系統I的聯合供能;儲能系統B中，變量栗-馬達5經第一電磁開關閥11、第三電磁開關閥13與變量栗-馬達9相連，變量栗-馬達9經離合器8與飛輪式液壓蓄能器7實現機械路徑連接，飛輪式液壓蓄能器7另一端經高速旋轉接頭6、第二電磁開關閥12、第三電磁開關閥13后與變量栗-馬達5相連，實現液壓連接，溢流閥10保證儲能系統安全。
[0024]參見圖2，當修井機開始工作并處于拔管狀態時，檢測需求轉矩1?，并與電力輸出轉矩Te3和液壓輸出轉矩1\的值做比較，依據結果選擇動力系統I的動力模式:
[0025]參見圖4，當需求轉矩IVj、于電力輸出轉矩TJ寸，選擇網電動力模式，即電力系統A單獨供能，此時儲能系統B處于保壓狀態，其中第一電磁開關閥11、第二電磁開關閥12、第三電磁開關閥13均斷開，離合器8斷開;傳動系統Π中鎖止器35鎖止，太陽輪33轉速為零，離合器36接合，電力系統A輸出動力經由電力輸入齒輪31、行星架32和外齒圈34，傳遞至減速器14，帶動絞車15工作。
[0026]參見圖5，當需求轉矩Tm大于電力輸出轉矩Te，但小于電力輸出轉矩Te3與液壓輸出轉矩T1之和時，選擇液壓動力模式，即儲能系統B中的飛輪式液壓蓄能器7僅以液壓形式供能，此時儲能系統B中第一電磁開關閥11斷開，第二電磁開關閥12、第三電磁開關閥13連通，離合器8斷開，飛輪式液壓蓄能器7中存儲的液壓能驅動變量栗-馬達5，將液壓能轉換為動能;傳動系統Π中鎖止器35斷開，離合器36接合，儲能系統B動力經由太陽輪33輸入，電力系統A動力經由電力輸入齒輪31、行星架32輸入，共同驅動外齒圈34，經減速器14降速增扭后，帶動絞車工作。
[0027]參見圖6，當需求轉矩Tm大于電力輸出轉矩Te3與液壓輸出轉矩1^之和時，選擇飛輪液壓動力模式，此時儲能系統B中第一電磁開關閥11、第二電磁開關閥12、第三電磁開關閥13連通，離合器8接合，飛輪式液壓蓄能器7中存儲的動能驅動變量栗-馬達9以變量栗狀態工作，將動能轉化為液壓能，與其自身存儲的液壓能合流后，驅動變量栗-馬達5以變量馬達狀態輸出動能;傳動系統Π中鎖止器35斷開，離合器36接合，電力系統A動力經由電力輸入齒輪31、行星架32輸入，儲能系統B動力經由太陽輪33輸入，通過耦合器3實現動力耦合后，共同驅動外齒圈34，經減速器14降速增扭，帶動絞車工作。
[0028]參見圖3，當處于卸管維修狀態時，首先判斷同周期時修井機所處的動力模式，并據此選擇充能模式:
[0029]當修井機同周期處于網電動力模式時，選擇零充能模式，即電力系統A不為儲能系統B充能，此時鎖止器35鎖止，離合器36斷開，第一電磁開關閥11、第二電磁開關閥12、第三電磁開關閥13處于斷開狀態，離合器8斷開，動力系統I無動力輸出，飛輪式液壓蓄能器7處于保壓狀態。
[0030]參見圖7，當修井機同周期處于液壓動力模式時，選擇液壓充能模式，此時傳動系統Π中鎖止器35斷開，離合器36接合，由于絞車15處于剎車狀態，所以外齒圈36轉速為零，電力系統A動力經由電力輸入齒輪31、行星架32后，驅動太陽輪33;儲能系統B中第一電磁開關閥11斷開，第二電磁開關閥12、第三電磁開關閥13連通，離合器8斷開，變量栗-馬達5以變量栗狀態工作，為飛輪式液壓蓄能器7充入液壓能。
[0031]參見圖8，當修井機同周期處于飛輪液壓動力模式時，選擇飛輪液壓充能模式，此時傳動系統Π中鎖止器35斷開，離合器36接合，電力系統A動力經由電力輸入齒輪31、行星架32后，驅動太陽輪33;儲能系統B中第一電磁開關閥11、第二電磁開關閥12、第三電磁開關閥13連通，離合器8接合，變量栗-馬達5以變量栗狀態工作，為飛輪式液壓蓄能器7充入液壓能，同時驅動變量栗-馬達9以變量馬達狀態工作，為飛輪式液壓蓄能器7充入動能。
[0032]當修井機停止作業時，電力系統A停止運行，儲能系統B停止能量轉換，此時鎖止器35鎖止，離合器36斷開，第一電磁開關閥11、第二電磁開關閥12、第三電磁開關閥13處于斷開狀態，離合器8斷開，動力系統I無動力輸出，飛輪式液壓蓄能器7處于保壓狀態。
【主權項】
1.一種功率補償式電動修井機動力傳動系統，由動力系統I和傳動系統π組成，其中動力系統I包括電力系統(A)和儲能系統(B)，電力系統(A)包括井場網電(I)和調速電動機(2)，儲能系統(B)包括液壓油箱(4)、變量栗-馬達(5)、高速旋轉接頭(6)、飛輪式液壓蓄能器(7)、離合器(8)、變量栗-馬達(9)、溢流閥(10)和第一電磁開關閥(11)、第二電磁開關閥(12)、第三電磁開關閥(I3)，傳動系統Π包括耦合器(3)、減速器(14)和絞車(I5);其特征在于:儲能系統(B)中采用飛輪式液壓蓄能器(7)作為儲能設備，動力系統I的可依據工作狀態劃分為動力模式和充能模式，傳動系統Π中耦合器(3)采用單排行星輪實現動力耦合。2.根據權利要求1中所述的一種功率補償式電動修井機動力傳動系統，其特征在于:所述的儲能系統(B)，采用飛輪式液壓蓄能器(7)作為儲能設備，相當于飛輪復合液壓蓄能器，可存儲動能、液壓能和動能復合液壓能，并根據動力系統模式的不同選擇相應的儲能、放能方式。3.根據權利要求1中所述的一種功率補償式電動修井機動力傳動系統，其特征在于:所述傳動系統Π的耦合器(3)由電力輸入齒輪(31)、單排行星輪、鎖止器(35)和離合器(36)組成，其中，電力輸入齒輪(31)與行星架(32)相連，太陽輪(33)經鎖止器(35)與變量栗-馬達(5)相連，外齒圈(34)經離合器(36)與減速器(14)相連，驅動絞車(15)工作。4.根據權利要求1中所述的一種功率補償式電動修井機動力傳動系統，其特征在于:動力系統模式為: 首先通過檢測工作狀態，若處于拔管狀態，則選擇動力模式，然后通過比較作業需求轉矩Tm、電力輸出轉矩Te3、液壓輸出轉矩T1的大小，對動力系統I的動力模式進行劃分:當需求轉矩Tm小于電力輸出轉矩TJ寸，選擇網電動力模式；當需求轉矩Tm大于電力輸出轉矩Te3，但小于電力輸出轉矩Te與液壓輸出轉矩1^之和時，選擇液壓動力模式；當需求轉矩1?大于電力輸出轉矩Te3與液壓輸出轉矩1^之和時，選擇飛輪液壓動力模式；當處于卸管維修狀態時，判斷同周期內選擇的動力模式，按照上述動力模式順序分別選擇零充能模式、液壓充能模式和飛輪液壓充能模式。5.根據權利要求4中所述的一種功率補償式電動修井機動力傳動系統，其特征在于:動力模式為: 網電動力模式下電力系統(A)單獨供能，此時儲能系統(B)處于保壓狀態，其中第一電磁開關閥(11)、第二電磁開關閥(12)、第三電磁開關閥(13)均斷開，離合器(8)斷開，傳動系統Π中鎖止器(35)鎖止，太陽輪(33)轉速為零，離合器(36)接合，電力系統(A)輸出動力經由電力輸入齒輪(31)、行星架(32)和外齒圈(34)，傳遞至減速器(14)，帶動絞車(15)工作； 液壓動力模式下儲能系統(B)中的飛輪式液壓蓄能器(7)僅以液壓形式儲能，此時儲能系統(B)中第一電磁開關閥(11)斷開，第二電磁開關閥(12)、第三電磁開關閥(13)連通，離合器(8)斷開，飛輪式液壓蓄能器(7)中存儲的液壓能驅動變量栗-馬達(5)，傳動系統Π中鎖止器(35)斷開，離合器(36)接合，電力系統(A)動力經由電力輸入齒輪(31)、行星架(32)輸入，儲能系統(B)動力經由太陽輪(33)輸入，共同驅動外齒圈(34)，經減速器(14)降速增扭后，帶動絞車(15)工作； 飛輪液壓動力模式下儲能系統(B)中第一電磁開關閥(11)、第二電磁開關閥(12)、第三電磁開關閥(13)連通，離合器(8)接合，飛輪式液壓蓄能器(7)中存儲的動能驅動變量栗-馬達(9)以變量栗狀態工作，將動能轉化為液壓能，與其自身存儲的液壓能合流后，驅動變量栗-馬達(5)以變量馬達狀態輸出動能，傳動系統Π中鎖止器(35)斷開，離合器(36)接合，電力系統(A)動力經由電力輸入齒輪(31)、行星架(32)輸入，儲能系統(B)動力經由太陽輪(33)輸入，通過耦合器(3)實現動力耦合后，共同驅動外齒圈(34)，經減速器(14)降速增扭，帶動絞車(15)工作。6.根據權利要求4中所述的一種功率補償式電動修井機動力傳動系統，其特征在于:其特征在于:充能模式為: 零充能模式下電力系統(A)不為儲能系統(B)充能，此時鎖止器(35)鎖止，離合器(36)斷開，第一電磁開關閥(U)、第二電磁開關閥(12)、第三電磁開關閥(13)處于斷開狀態，離合器(8)斷開，動力系統I無動力輸出，飛輪式液壓蓄能器(7)處于保壓狀態； 液壓充能模式下電力系統(A)為儲能系統(B)充入液壓能，傳動系統Π中鎖止器(35)斷開，離合器(36)接合，電力系統(A)動力經由電力輸入齒輪(31)、行星架(32)輸入，驅動太陽輪(33)，儲能系統(B)中第一電磁開關閥(11)斷開，第二電磁開關閥(12)、第三電磁開關閥(13)連通，離合器(8)斷開，變量栗-馬達(5)以變量栗狀態工作； 飛輪液壓充能模式下電力系統(A)為儲能系統(B)充入液壓能和動能，傳動系統Π中鎖止器(35)斷開，離合器(36)接合，電力系統(A)動力經由電力輸入齒輪(31)、行星架(32)輸入，驅動太陽輪(33)，儲能系統(B)中第一電磁開關閥(11)、第二電磁開關閥(12)、第三電磁開關閥(13)連通，離合器(8)接合，變量栗-馬達(5)以變量栗狀態工作，為飛輪式液壓蓄能器(7)充入液壓能，同時驅動變量栗-馬達(9)以變量馬達狀態工作，為飛輪式液壓蓄能器(7)充入動能。
【文檔編號】B66D1/40GK205527463SQ201620176679
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年3月8日
【發明人】徐寧, 王繼新, 韓云武, 張宇
【申請人】吉林大學