高明帥，臧臣坤，孫軍盈，沈懷浦，何磊，劉巖

(中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院,北京 100011)

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地質(zhì)鉆探裝備潤滑系統(tǒng)自動化現(xiàn)狀與展望

高明帥，臧臣坤，孫軍盈，沈懷浦，何磊，劉巖

(中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院,北京 100011)

本文分析了目前地質(zhì)鉆探裝備的潤滑方式及其存在的問題，并基于對傳統(tǒng)潤滑方式的調(diào)研重點介紹了自動潤滑系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)和應(yīng)用前景；通過給地質(zhì)鉆探裝備加裝自動潤滑系統(tǒng)可以使?jié)櫥到y(tǒng)更加準(zhǔn)確可控，同時也可以避免因人工加注潤滑脂帶來的問題，為地質(zhì)鉆探裝備的自動潤滑系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計提供一定借鑒作用。

鉆探；裝備；潤滑；自動化

0 前言

日本有機構(gòu)統(tǒng)計700例設(shè)備故障的產(chǎn)生原因后發(fā)現(xiàn)其中36%是由于潤滑不當(dāng)造成的，而我國由于潤滑問題而發(fā)生的設(shè)備故障率更是高達(dá)55%～60%，其中很多是由于設(shè)備潤滑方式選擇不正確和潤滑技術(shù)不成熟等問題引起的[1]。

我國地質(zhì)鉆探裝備包括鉆機、泵、鉆具及其他輔助機具，鉆機是最為復(fù)雜的地質(zhì)裝備，按照回轉(zhuǎn)形式可分為：立軸式、轉(zhuǎn)盤式、動力頭式和頂驅(qū)式，按照傳動形式可分為機械傳動、液壓傳動與電傳動。無論是哪種形式的鉆機，最終的執(zhí)行機構(gòu)均為機械形式。其中傳動系統(tǒng)的可靠性直接影響鉆探裝備的性能及鉆探工程施工的效率，軸承是機械傳動系統(tǒng)的重要組成部分，其潤滑效果也成為影響整臺鉆探設(shè)備好壞的關(guān)鍵因素之一。因此，良好的潤滑技術(shù)可以保證鉆探系統(tǒng)更好的發(fā)揮其工作能力，延長設(shè)備的使用壽命，降低人工成本并避免由于人為因素造成設(shè)備的損壞，更重要的是采用自動潤滑系統(tǒng)符合地質(zhì)設(shè)備技術(shù)轉(zhuǎn)型的發(fā)展方向，使地質(zhì)設(shè)備向著更加自動化、智能化方向發(fā)展。

1 地質(zhì)鉆探裝備潤滑系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)地質(zhì)鉆探領(lǐng)域使用的設(shè)備多采用強制開環(huán)油潤滑或者脂潤滑的方式，但是這兩種方式都存在一些問題，制約其潤滑效果。

2.1 鉆探裝備油潤滑技術(shù)現(xiàn)狀

機械式或液壓式鉆探裝備中齒輪傳動系統(tǒng)多采用油潤滑，按照潤滑方式可以分為強制油潤滑和自潤滑兩種，其中強制油潤滑的效果要比自潤滑好得多。強制油潤滑的工作原理如圖1所示，這類潤滑系統(tǒng)常被用于機械式或如圖2所示的液壓式地質(zhì)鉆探裝備中，由于此類鉆機缺乏自動控制系統(tǒng)，潤滑泵與潤滑點之間缺少反饋信號致使無法實現(xiàn)閉環(huán)控制。但是相對于傳統(tǒng)自潤滑式鉆探裝備而言，這種在潤滑系統(tǒng)上的升級改造已經(jīng)使得鉆探裝備整體性能得到一定的提升，保證齒輪、軸承等零部件的設(shè)計、使用壽命，節(jié)約施工成本。

1.吸油濾清器;2.油管;3.潤滑泵;4.分配閥;5.潤滑點。圖2 某型號液壓鉆機動力頭開環(huán)油潤滑系統(tǒng)示意圖

圖1 強制開環(huán)油潤滑系統(tǒng)原理圖

這種開環(huán)控制的潤滑方式優(yōu)點在于控制回路簡單、維護(hù)方便，只需保證圖2所示的潤滑系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)油路暢通，潤滑泵正常工作即可。但是這種操作簡單的潤滑方式也存在一些問題，例如機械式和液壓式鉆探裝備潤滑泵的啟停一般需要單獨控制，增加控制人員的操作程序；此外，開環(huán)潤滑系統(tǒng)很難與設(shè)備的使用工況相結(jié)合，無法滿足地質(zhì)鉆探裝備自動化、智能化的發(fā)展需求；更重要的是一旦潤滑系統(tǒng)出現(xiàn)故障，這種獨立于鉆探裝備其他控制回路的系統(tǒng)由于缺乏診斷與報警，勢必會引發(fā)生產(chǎn)事故。圖3為某地質(zhì)鉆探裝備上使用的由于開環(huán)強制潤滑系統(tǒng)故障引起的生產(chǎn)事故造成軸承燒結(jié)。

圖3 潤滑不當(dāng)導(dǎo)致燒結(jié)后的軸承保持架

2.2 鉆探裝備脂潤滑技術(shù)現(xiàn)狀

目前地質(zhì)鉆探裝備大多數(shù)潤滑系統(tǒng)都采用強制開環(huán)油潤滑的方式，但也存在一些設(shè)備由于設(shè)計需求和安裝位置無法使用油潤滑而采用脂潤滑的方式。脂潤滑相比強制開環(huán)油潤滑存在的風(fēng)險點更多，首先由于脂潤滑無法實現(xiàn)潤滑脂的循環(huán)利用，稀釋后的潤滑脂都流走只能定期人工補油，這無疑增加人員的工作量；其次由于地質(zhì)鉆探裝備的工作環(huán)境和工作狀態(tài)較惡劣，一些需要脂潤滑的部位人工加注潤滑脂存在一定困難，且無法準(zhǔn)確的檢查和保障潤滑點的潤滑效果。所以脂潤滑的方式在地質(zhì)鉆探領(lǐng)域多存在于老式機械鉆機或液壓鉆機設(shè)備中，這些設(shè)備由于本身的自動化程度低，機械傳動效率低是未來地質(zhì)鉆探裝備改型升級中急需升級改造的對象。

3 地質(zhì)鉆探裝備自動潤滑系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)與應(yīng)用

3.1 自動潤滑系統(tǒng)設(shè)計原理依據(jù)

目前地質(zhì)裝備設(shè)計軸承潤滑的方式選擇時多以經(jīng)驗作為參考，很少對軸承的發(fā)熱量進(jìn)行詳細(xì)計算校核，這也是引起軸承因潤滑不當(dāng)導(dǎo)致?lián)p壞的重要原因。所以針對上文提出的地質(zhì)鉆探裝備潤滑系統(tǒng)的問題，在設(shè)計潤滑系統(tǒng)時應(yīng)根據(jù)軸承發(fā)熱量來進(jìn)行合理設(shè)計。軸承的發(fā)熱是由于軸承在運行過程中的摩擦損失產(chǎn)生的，摩擦損失與軸承力矩和轉(zhuǎn)速成正比，摩擦力矩估算見公式(1)：

(1)

式中：M—摩擦力矩，N·mm；

μ—軸承的摩擦系數(shù)；

P—當(dāng)量動載荷，N；

d—軸承公稱內(nèi)徑，mm。

具體發(fā)熱量可按照下式計算：

(2)

式中：Q—發(fā)熱量，kW；

n—軸承轉(zhuǎn)速，r/min。

在計算出軸承運行所產(chǎn)生的熱量后可以根據(jù)熱交換規(guī)律計算出在循環(huán)油潤滑及噴油潤滑工況下需要的油量，此數(shù)據(jù)可以作為潤滑系統(tǒng)工作參數(shù)的設(shè)計依據(jù)。具體所需油量可根據(jù)下式計算：

(3)

式中：G—所需油量，L/min；

c—潤滑油比熱容，kJ/(kg·℃)；

r—潤滑油密度，g/cm3；

ΔT—潤滑油溫升，℃。

通過該式計算得到的熱量值是只考慮潤滑油散熱的情況，但是實際使用時還存在其他散熱因素，所以實際油量約為計算油量的1/2～2/3即可。脂潤滑與油潤滑情況不同，影響的因素也相對復(fù)雜，但是在設(shè)計脂潤滑時也應(yīng)該對軸承儲油量、軸承尺寸、載荷以及轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行分析，最終確定潤滑脂的補充周期，這樣才能科學(xué)合理的實現(xiàn)潤滑系統(tǒng)自動工作與維護(hù)的目的[2]。

3.2 自動潤滑系統(tǒng)應(yīng)用

隨著單片機、PLC(可編程邏輯控制器Programmable Logic Controller)等自動控制技術(shù)的引進(jìn)使得地質(zhì)鉆探裝備也向著自動化、智能化轉(zhuǎn)型升級，這就給傳統(tǒng)的潤滑系統(tǒng)帶來機遇和挑戰(zhàn)。一套可以與整臺鉆機系統(tǒng)相融合的、具備自動控制的閉環(huán)潤滑系統(tǒng)就成為現(xiàn)有潤滑設(shè)備技術(shù)升級改造的發(fā)展方向。其中通過PLC控制的閉環(huán)潤滑系統(tǒng)可以很好的將地質(zhì)鉆探裝備的潤滑問題與鉆機的控制系統(tǒng)相融合，即該閉環(huán)系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)備的使用情況對潤滑系統(tǒng)的啟停和潤滑油量進(jìn)行自動精準(zhǔn)控制。根據(jù)潤滑介質(zhì)不同可將自動潤滑系統(tǒng)分為自動油潤滑系統(tǒng)和自動脂潤滑系統(tǒng)兩類，下面分別介紹兩種不同系統(tǒng)的工作原理及其在地質(zhì)鉆探裝備上的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景。

3.2.1 自動油潤滑系統(tǒng)應(yīng)用

自動油潤滑系統(tǒng)工作原理如圖4所示，由于潤滑系統(tǒng)通過使用潤滑劑減少摩擦副的摩擦，減小磨損并降低溫度，當(dāng)設(shè)備由于潤滑不足產(chǎn)生熱量時通過溫度傳感器檢測設(shè)備的工作溫度后反饋給PLC控制單元，經(jīng)過計算與判斷，決定注油器是否進(jìn)行注油及注油量的程序計算。此套潤滑設(shè)備可以在配備自動化控制系統(tǒng)的地質(zhì)鉆探裝備中與整個系統(tǒng)相匹配，同時該系統(tǒng)可以實現(xiàn)準(zhǔn)確的潤滑控制，降低人員的勞動強度。

圖4 自動潤滑系統(tǒng)原理圖

自動潤滑系統(tǒng)在石油鉆井領(lǐng)域得到較充分的應(yīng)用，但是在地質(zhì)鉆探領(lǐng)域受到各種因素的影響，推廣及普及程度較低。但是近幾年隨著地質(zhì)鉆探裝備產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型升級，地質(zhì)鉆探裝備也向著自動化智能化邁進(jìn)。圖5所示為某型號石油鉆井絞車系統(tǒng)，從圖中可見絞車系統(tǒng)中對各潤滑點進(jìn)行了強制油潤滑，通過該潤滑系統(tǒng)可使絞車減速箱內(nèi)齒輪副、軸承處于自動潤滑控制中。其不僅能保證設(shè)備的潤滑需求，又能實時監(jiān)測絞車內(nèi)潤滑點的溫度，并對潤滑系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)控制和快速反應(yīng)[3]。

圖5 強制油潤滑系統(tǒng)在絞車上的應(yīng)用

3.2.2 自動脂潤滑系統(tǒng)應(yīng)用

自動脂潤滑原理與自動油潤滑的原理相似，只是將上述的油潤滑系統(tǒng)中的潤滑介質(zhì)替換為潤滑脂，同時在注脂器上加裝儲存罐，儲存罐的規(guī)格從100 mL到2 000 mL之間可供選擇。圖6所示為目前國內(nèi)市場上某型號自動注脂器，可根據(jù)用戶需求連接如圖7所示的分路器，實現(xiàn)同時對多個潤滑點進(jìn)行潤滑作業(yè)?，F(xiàn)有產(chǎn)品也可以加裝在傳統(tǒng)機械式、液壓式等無自動控制系統(tǒng)的地質(zhì)鉆探裝備上，實現(xiàn)“自助注脂”，降低工人的工作量。

圖6 注脂器示意圖

圖7 集油分路器

在傳統(tǒng)機械式立軸鉆機改造的進(jìn)程中，中國地質(zhì)裝備集團有限公司在傳統(tǒng)XY-8型立軸鉆機的基礎(chǔ)上升級改造的XY-8DB型電驅(qū)動立軸鉆機采用全電驅(qū)動、PLC自動控制[3]。該設(shè)備的卡盤軸承、立軸齒輪箱等需要潤滑的部分已經(jīng)完全具備加裝自動脂潤滑系統(tǒng)的基礎(chǔ)，一旦完成潤滑系統(tǒng)與鉆機自動控制系統(tǒng)的融合，將標(biāo)志著傳統(tǒng)機械式立軸鉆機自動化改造進(jìn)程又向前邁進(jìn)一步，具有對地質(zhì)行業(yè)向著自動化、智能化發(fā)展的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

地質(zhì)鉆探裝備作業(yè)環(huán)境惡劣，工況復(fù)雜致使?jié)櫥瑔栴}嚴(yán)重影響設(shè)備的運轉(zhuǎn)壽命及工作效率，不合適的潤滑系統(tǒng)極有可能引起鉆探裝備中的軸承、齒輪、鏈條等零件的損壞，進(jìn)而給生產(chǎn)造成不可忽視的損失。前人對于潤滑系統(tǒng)的研究從未停止，從浸油潤滑、脂潤滑到強制開環(huán)油潤滑、定期加注潤滑脂再發(fā)展到現(xiàn)在的自動潤滑系統(tǒng)，最終希望在鉆探裝備上通過加裝自動潤滑系統(tǒng)可以實現(xiàn)設(shè)備的運行狀態(tài)監(jiān)控和定期潤滑維護(hù)之間的閉環(huán)控制。而國產(chǎn)化的自動注油器、注脂器為地質(zhì)鉆探裝備潤滑系統(tǒng)實現(xiàn)自動化提供了基礎(chǔ)，同時自動注油設(shè)備也符合地質(zhì)設(shè)備向自動化、智能化發(fā)展的行業(yè)背景，因此將自動潤滑系統(tǒng)與各種地質(zhì)設(shè)備相結(jié)合勢必成為未來的發(fā)展趨勢。

[1] 沈利亞. 集中自動潤滑系統(tǒng)介紹[J]. 地質(zhì)裝備,2006,7(2):19-22.

[2] 成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[3] 劉躍進(jìn),朱江龍,潘飛,等. 新一代電驅(qū)動深孔巖心鉆機的實踐與展望[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程),2013(z1).

2016-08-12

高明帥(1991-)，畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，碩士研究生，現(xiàn)就職于中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院產(chǎn)品研發(fā)部，主要從事地質(zhì)鉆探裝備研發(fā)工作，北京市西城區(qū)德外黃寺大街24號院，Tel：15011513992，E-mail：gmsstudy@163.com。

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1009-282X(2016)05-0016-03