一种功率补偿式修井机动力传动系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种应用飞轮式液压蓄能器的功率补偿式修井机动力与传动系统，属于修井机动力传动系统领域，包括动力系统和传动系统两大部分，所述的动力系统又可分为电力系统和储能系统，其中电力系统由井场网电、调速电动机组成，储能系统由液压油箱、变量泵?马达、高速旋转接头、飞轮式液压蓄能器、离合器、溢流阀、电磁开关阀组成，传动系统由耦合器、减速器、绞车组成。井场网电驱动调速电动机输出动力，经由耦合器为储能系统中的飞轮式液压蓄能器充能，或与其联合供能，经减速器降速增扭后，驱动绞车工作。
【专利说明】
一种功率补偿式修井机动力传动系统
技术领域
[0001]本实用新型主要涉及功率补偿式修井机动力传动系统领域，特别涉及应用飞轮式液压蓄能器的功率补偿式修井机动力与传动系统。
【背景技术】
[0002]修井机是对油田井下管柱或井体进行维修保养的油田机械设备，为实现节能环保，新型修井机动力系统采用井场网电取代柴油发动机供能，但是目前大多油田场地电网功率在30kw—50kw左右，极大的限制了修井机作业能力。为解决此问题，常在系统中添加储能设备与井场网电并用，当修井机处于卸管维修阶段时，功率需求较小，储能设备储能；当修井机处于拔管阶段时，功率需求较大，网电与储能设备共同提供能量，实现对网电的功率补偿，提高修井机作业功率。
[0003]现有的储能设备中，液压蓄能器具有功率密度大、能量密度高等优点，但其无法提供恒定压力;飞轮性能良好，但其充放能周期与修井机作业工况匹配性较差，两者均难以单独作为修井机储能设备使用。近年发展的飞轮式液压蓄能器是将传统的飞轮和液压蓄能器相结合，采用可旋转的筒形液压蓄能器结构，实现动能和液压能双形式储能，进一步增大了能量密度和功率密度，且可输出恒定压力，与修井机作业工况匹配良好，若将其作为储能设备应用在修井机动力系统中，可实现修井机功率补偿，提高其作业能力。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的是提供一种应用飞轮式液压蓄能器的功率补偿式修井机动力传动系统。
[0005]本实用新型的技术方案为将井场网电与飞轮式液压蓄能器并联作为动力源，取代原修井机的柴油发动机或车载发电机，同时依据需求功率和需求转矩的大小，判定动力系统的动力模式，并按照相应动力模式控制动力传动系统，进行供能。
[0006]本实用新型由动力系统和传动系统两部分组成，其中动力系统包括电力系统和储能系统。所述的电力系统包括井场网电、调速电动机，其中井场网电作为动力源，为修井机作业提供动力;所述的储能系统包括变量栗-马达、电磁换向阀、溢流阀、离合器、高速旋转接头和飞轮式液压蓄能器，其中飞轮式液压蓄能器作为储能设备，可将井场网电的电能转化为动能、液压能或动能复合液压能进行存储;所述的传动系统包括耦合器、减速器和绞车，其中耦合器由传动齿轮组、单排行星齿轮、锁止器和离合器组成，动力系统可通过单排行星齿轮实现动力耦合，减速器可实现降速增扭，并对作业需求转速范围进行匹配。
[0007]修井机的典型作业工况具有周期循环的特征，且随着井管的重量逐渐减轻，作业需求功率和需求转矩不断减小。为缩短充能时间，提高能量利用率，根据需求转矩和修井机动力传动系统输出转矩的大小关系、飞轮式液压蓄能器的能量存储与使用形式，将动力系统所处模式划分为动力模式和充能模式。其中动力模式包括:井场网电单独供能模式(简称网电动力模式)、井场网电与飞轮式液压蓄能器联合供能模式(简称飞轮液压动力模式)、井场网电与液压蓄能器联合供能模式(简称液压动力模式)三种，由于飞轮单独作为储能设备时与修井机典型作业工况的匹配性较差，所以不采用飞轮单独作为储能设备;充能模式包括:零充能模式、液压充能模式和飞轮液压充能模式，并与动力模式一一对应。
[0008]与现有技术相比，本实用新型的有益效果为:
[0009]1.将修井机动力传动系统与行驶系统拆分，动力系统的能量均来自于井场网电，尚效环保；
[0010]2.采用飞轮式液压蓄能器作为储能设备，双储能方式提高了储能密度，减小储能设备的体积，弥补网电功率的不足，同时两种能量相互作用，可实现充放能功率最大；
[0011]3.依据需求转矩和修井机动力传动系统输出转矩的大小关系，将动力系统的动力模式划分为网电动力模式、液压动力模式和飞轮液压动力模式，可提尚能量利用率，缩短充能时间；
[0012]4.采用新型耦合器实现电力系统和储能系统的动力耦合，便于实现三种动力模式和充能模式之间的切换。
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型的动力传动系统结构简图；
[0014]图2为本实用新型的动力系统模式选择流程图；
[0015]图3为本实用新型的充能模式选择流程图；
[0016]图4为本实用新型的网电动力模式图；
[0017]图5为本实用新型的液压动力模式图；
[0018]图6为本实用新型的飞轮液压动力模式图；
[0019]图7为本实用新型的液压充能模式图；
[0020]图8为本实用新型的飞轮液压充能模式图；
[0021 ] 其中，i一井场网电；2一调速电动机;3—親合器，31—电力输入齿轮，32一彳丁星架，33一太阳轮，34一外齿圈，35—锁止器，36—尚合器;4一液压油箱;5一变量栗-马达;6—尚速旋转接头;7—飞轮式液压蓄能器;8—离合器;9一变量栗-马达;10—溢流阀；11一第一电磁开关阀；12—第二电磁开关阀；13—第三电磁开关阀；14一减速器;15—绞车。
[0022]图1中，i一动力系统，π —传动系统，a—电力系统，b—储能系统，---为电路连接，——为机械连接，——为液压连接；图2中tm—作业需求转矩，te—电力系统经传动系统后的额定输出转矩(简称电力输出转矩kt1 一储能系统仅以液压能方式蓄能时经传动系统后的额定输出转矩(简称液压输出转矩)；图4一8中，加粗代表处于工作状态。
【具体实施方式】
[0023]参见图1，电力系统a中，井场网电i通过电路连接驱动调速电动机2，将动力输入；传动系统π中，耦合器3的电力输入齿轮31与行星架32相连，外齿圈34经离合器36与减速器14相连，太阳轮33经锁止器35与变量栗-马达5相连，实现对储能系统b的充能或整体动力系统i的联合供能;储能系统b中，变量栗-马达5经第一电磁开关阀11、第三电磁开关阀13与变量栗-马达9相连，变量栗-马达9经离合器8与飞轮式液压蓄能器7实现机械路径连接，飞轮式液压蓄能器7另一端经高速旋转接头6、第二电磁开关阀12、第三电磁开关阀13后与变量栗-马达5相连，实现液压连接，溢流阀10保证储能系统安全。
[0024]参见图2，当修井机开始工作并处于拔管状态时，检测需求转矩1?，并与电力输出转矩te3和液压输出转矩1\的值做比较，依据结果选择动力系统i的动力模式:
[0025]参见图4，当需求转矩ivj、于电力输出转矩tj寸，选择网电动力模式，即电力系统a单独供能，此时储能系统b处于保压状态，其中第一电磁开关阀11、第二电磁开关阀12、第三电磁开关阀13均断开，离合器8断开;传动系统π中锁止器35锁止，太阳轮33转速为零，离合器36接合，电力系统a输出动力经由电力输入齿轮31、行星架32和外齿圈34，传递至减速器14，带动绞车15工作。
[0026]参见图5，当需求转矩tm大于电力输出转矩te，但小于电力输出转矩te3与液压输出转矩t1之和时，选择液压动力模式，即储能系统b中的飞轮式液压蓄能器7仅以液压形式供能，此时储能系统b中第一电磁开关阀11断开，第二电磁开关阀12、第三电磁开关阀13连通，离合器8断开，飞轮式液压蓄能器7中存储的液压能驱动变量栗-马达5，将液压能转换为动能;传动系统π中锁止器35断开，离合器36接合，储能系统b动力经由太阳轮33输入，电力系统a动力经由电力输入齿轮31、行星架32输入，共同驱动外齿圈34，经减速器14降速增扭后，带动绞车工作。
[0027]参见图6，当需求转矩tm大于电力输出转矩te3与液压输出转矩1^之和时，选择飞轮液压动力模式，此时储能系统b中第一电磁开关阀11、第二电磁开关阀12、第三电磁开关阀13连通，离合器8接合，飞轮式液压蓄能器7中存储的动能驱动变量栗-马达9以变量栗状态工作，将动能转化为液压能，与其自身存储的液压能合流后，驱动变量栗-马达5以变量马达状态输出动能;传动系统π中锁止器35断开，离合器36接合，电力系统a动力经由电力输入齿轮31、行星架32输入，储能系统b动力经由太阳轮33输入，通过耦合器3实现动力耦合后，共同驱动外齿圈34，经减速器14降速增扭，带动绞车工作。
[0028]参见图3，当处于卸管维修状态时，首先判断同周期时修井机所处的动力模式，并据此选择充能模式:
[0029]当修井机同周期处于网电动力模式时，选择零充能模式，即电力系统a不为储能系统b充能，此时锁止器35锁止，离合器36断开，第一电磁开关阀11、第二电磁开关阀12、第三电磁开关阀13处于断开状态，离合器8断开，动力系统i无动力输出，飞轮式液压蓄能器7处于保压状态。
[0030]参见图7，当修井机同周期处于液压动力模式时，选择液压充能模式，此时传动系统π中锁止器35断开，离合器36接合，由于绞车15处于刹车状态，所以外齿圈36转速为零，电力系统a动力经由电力输入齿轮31、行星架32后，驱动太阳轮33;储能系统b中第一电磁开关阀11断开，第二电磁开关阀12、第三电磁开关阀13连通，离合器8断开，变量栗-马达5以变量栗状态工作，为飞轮式液压蓄能器7充入液压能。
[0031]参见图8，当修井机同周期处于飞轮液压动力模式时，选择飞轮液压充能模式，此时传动系统π中锁止器35断开，离合器36接合，电力系统a动力经由电力输入齿轮31、行星架32后，驱动太阳轮33;储能系统b中第一电磁开关阀11、第二电磁开关阀12、第三电磁开关阀13连通，离合器8接合，变量栗-马达5以变量栗状态工作，为飞轮式液压蓄能器7充入液压能，同时驱动变量栗-马达9以变量马达状态工作，为飞轮式液压蓄能器7充入动能。
[0032]当修井机停止作业时，电力系统a停止运行，储能系统b停止能量转换，此时锁止器35锁止，离合器36断开，第一电磁开关阀11、第二电磁开关阀12、第三电磁开关阀13处于断开状态，离合器8断开，动力系统i无动力输出，飞轮式液压蓄能器7处于保压状态。
【主权项】
1.一种功率补偿式电动修井机动力传动系统，由动力系统i和传动系统π组成，其中动力系统i包括电力系统(a)和储能系统(b)，电力系统(a)包括井场网电(i)和调速电动机(2)，储能系统(b)包括液压油箱(4)、变量栗-马达(5)、高速旋转接头(6)、飞轮式液压蓄能器(7)、离合器(8)、变量栗-马达(9)、溢流阀(10)和第一电磁开关阀(11)、第二电磁开关阀(12)、第三电磁开关阀(i3)，传动系统π包括耦合器(3)、减速器(14)和绞车(i5);其特征在于:储能系统(b)中采用飞轮式液压蓄能器(7)作为储能设备，动力系统i的可依据工作状态划分为动力模式和充能模式，传动系统π中耦合器(3)采用单排行星轮实现动力耦合。2.根据权利要求1中所述的一种功率补偿式电动修井机动力传动系统，其特征在于:所述的储能系统(b)，采用飞轮式液压蓄能器(7)作为储能设备，相当于飞轮复合液压蓄能器，可存储动能、液压能和动能复合液压能，并根据动力系统模式的不同选择相应的储能、放能方式。3.根据权利要求1中所述的一种功率补偿式电动修井机动力传动系统，其特征在于:所述传动系统π的耦合器(3)由电力输入齿轮(31)、单排行星轮、锁止器(35)和离合器(36)组成，其中，电力输入齿轮(31)与行星架(32)相连，太阳轮(33)经锁止器(35)与变量栗-马达(5)相连，外齿圈(34)经离合器(36)与减速器(14)相连，驱动绞车(15)工作。4.根据权利要求1中所述的一种功率补偿式电动修井机动力传动系统，其特征在于:动力系统模式为: 首先通过检测工作状态，若处于拔管状态，则选择动力模式，然后通过比较作业需求转矩tm、电力输出转矩te3、液压输出转矩t1的大小，对动力系统i的动力模式进行划分:当需求转矩tm小于电力输出转矩tj寸，选择网电动力模式；当需求转矩tm大于电力输出转矩te3，但小于电力输出转矩te与液压输出转矩1^之和时，选择液压动力模式；当需求转矩1?大于电力输出转矩te3与液压输出转矩1^之和时，选择飞轮液压动力模式；当处于卸管维修状态时，判断同周期内选择的动力模式，按照上述动力模式顺序分别选择零充能模式、液压充能模式和飞轮液压充能模式。5.根据权利要求4中所述的一种功率补偿式电动修井机动力传动系统，其特征在于:动力模式为: 网电动力模式下电力系统(a)单独供能，此时储能系统(b)处于保压状态，其中第一电磁开关阀(11)、第二电磁开关阀(12)、第三电磁开关阀(13)均断开，离合器(8)断开，传动系统π中锁止器(35)锁止，太阳轮(33)转速为零，离合器(36)接合，电力系统(a)输出动力经由电力输入齿轮(31)、行星架(32)和外齿圈(34)，传递至减速器(14)，带动绞车(15)工作； 液压动力模式下储能系统(b)中的飞轮式液压蓄能器(7)仅以液压形式储能，此时储能系统(b)中第一电磁开关阀(11)断开，第二电磁开关阀(12)、第三电磁开关阀(13)连通，离合器(8)断开，飞轮式液压蓄能器(7)中存储的液压能驱动变量栗-马达(5)，传动系统π中锁止器(35)断开，离合器(36)接合，电力系统(a)动力经由电力输入齿轮(31)、行星架(32)输入，储能系统(b)动力经由太阳轮(33)输入，共同驱动外齿圈(34)，经减速器(14)降速增扭后，带动绞车(15)工作； 飞轮液压动力模式下储能系统(b)中第一电磁开关阀(11)、第二电磁开关阀(12)、第三电磁开关阀(13)连通，离合器(8)接合，飞轮式液压蓄能器(7)中存储的动能驱动变量栗-马达(9)以变量栗状态工作，将动能转化为液压能，与其自身存储的液压能合流后，驱动变量栗-马达(5)以变量马达状态输出动能，传动系统π中锁止器(35)断开，离合器(36)接合，电力系统(a)动力经由电力输入齿轮(31)、行星架(32)输入，储能系统(b)动力经由太阳轮(33)输入，通过耦合器(3)实现动力耦合后，共同驱动外齿圈(34)，经减速器(14)降速增扭，带动绞车(15)工作。6.根据权利要求4中所述的一种功率补偿式电动修井机动力传动系统，其特征在于:其特征在于:充能模式为: 零充能模式下电力系统(a)不为储能系统(b)充能，此时锁止器(35)锁止，离合器(36)断开，第一电磁开关阀(u)、第二电磁开关阀(12)、第三电磁开关阀(13)处于断开状态，离合器(8)断开，动力系统i无动力输出，飞轮式液压蓄能器(7)处于保压状态； 液压充能模式下电力系统(a)为储能系统(b)充入液压能，传动系统π中锁止器(35)断开，离合器(36)接合，电力系统(a)动力经由电力输入齿轮(31)、行星架(32)输入，驱动太阳轮(33)，储能系统(b)中第一电磁开关阀(11)断开，第二电磁开关阀(12)、第三电磁开关阀(13)连通，离合器(8)断开，变量栗-马达(5)以变量栗状态工作； 飞轮液压充能模式下电力系统(a)为储能系统(b)充入液压能和动能，传动系统π中锁止器(35)断开，离合器(36)接合，电力系统(a)动力经由电力输入齿轮(31)、行星架(32)输入，驱动太阳轮(33)，储能系统(b)中第一电磁开关阀(11)、第二电磁开关阀(12)、第三电磁开关阀(13)连通，离合器(8)接合，变量栗-马达(5)以变量栗状态工作，为飞轮式液压蓄能器(7)充入液压能，同时驱动变量栗-马达(9)以变量马达状态工作，为飞轮式液压蓄能器(7)充入动能。
【文档编号】b66d1/40gk205527463sq201620176679
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年3月8日
【发明人】徐宁, 王继新, 韩云武, 张宇
【申请人】吉林大学