具有混合動力裝置及多電機驅(qū)動的煤層氣鉆機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機械領(lǐng)域，具體涉及一種具有混合動力裝置的全液壓煤層氣鉆機設(shè)備，具體是具有串聯(lián)式混合動力裝置并且采用變頻調(diào)速和能量回收技術(shù)的全液壓煤層氣鉆機。
【背景技術(shù)】
[0002]煤層氣屬于自生自儲式的非常規(guī)天然氣。開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)煤層氣鉆機對緩解能源的供需矛盾，實施可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略具有十分重要現(xiàn)實意義。
[0003]現(xiàn)有的煤層氣鉆機以柴油發(fā)動機為動力裝置，動力通過分動箱傳輸給多臺液壓泵，將機械能轉(zhuǎn)化為液壓能進行鉆機作業(yè)。整機液壓系統(tǒng)在工作時，負載變化大，這與煤層氣鉆機工作時工況多變有關(guān)，如工作狀態(tài)有:鉆機升降、井架起降、起下鉆、鉆進、倒劃眼、上卸扣和井口工具等。各種工況時負載變化大。為滿足整機動力性要求，所配置柴油發(fā)動機不僅裝機功率大，而且總是工作在高轉(zhuǎn)速區(qū)域，從而使得在鉆機小負載工況時，柴油機經(jīng)濟性較差，同時由于負載多變，會引起柴油發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速波動較大，造成柴油發(fā)動機燃油消耗增加。
[0004]目前在工程機械領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)整機節(jié)能降耗，主要有采用節(jié)能高效的液壓系統(tǒng)及元件、采用具有經(jīng)濟低排放的先進柴油發(fā)動機動力裝置、跟蹤負載變化動態(tài)調(diào)節(jié)柴油發(fā)動機油門開度實現(xiàn)柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定工作于經(jīng)濟高效區(qū)等節(jié)能技術(shù)。但僅采用節(jié)能高效的液壓元件及系統(tǒng)，對于滿足峰值負載要求而匹配的柴油發(fā)動機，則易出現(xiàn)在多數(shù)工況時柴油發(fā)動機工作于高轉(zhuǎn)速小負載的高油耗率區(qū)，整機節(jié)能效果不佳。通過動態(tài)調(diào)整柴油發(fā)動機油門開度實現(xiàn)柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在經(jīng)濟高效區(qū)，可一定程度上實現(xiàn)柴油發(fā)動機與負載的功率匹配，提高經(jīng)濟性，但對于具有多泵多回路液壓系統(tǒng)的煤層氣鉆機由于負載變化劇烈，以及柴油發(fā)動機飛輪的響應滯后，油門動態(tài)調(diào)節(jié)反而易使柴油發(fā)動機油耗增加、排放性能變差，所以如果在煤層氣鉆機中采用混合動力裝置，則有利于穩(wěn)定柴油發(fā)動機負載、優(yōu)化柴油發(fā)動機工作區(qū)間，降低整機燃油消耗及有害排放。
[0005]混合動力驅(qū)動方式主要有兩種:串聯(lián)式混合動力驅(qū)動和并聯(lián)式混合動力驅(qū)動。針對煤層氣鉆機具有多泵多回路液壓系統(tǒng)，各回路負載特性速度特性差異較大，為了實現(xiàn)整機的功率匹配，為了實現(xiàn)整機的功率匹配，首先要求液壓系統(tǒng)的經(jīng)濟高效，必然要求對主要液壓系統(tǒng)液壓泵的轉(zhuǎn)速、排量的實時控制，由于并聯(lián)式混合動力方式為發(fā)動機與電動機共同驅(qū)動動力元件，對于煤層氣鉆機多泵液壓系統(tǒng)，由于分動器動力耦合會不可避免對各液壓泵的工作轉(zhuǎn)速產(chǎn)生干擾，影響系統(tǒng)效率，故并聯(lián)式混合動力方式不適用于煤層氣鉆機，所以為充分實現(xiàn)柴油發(fā)動機的經(jīng)濟高效運行，穩(wěn)定柴油發(fā)動機負載，實現(xiàn)對主要液壓系統(tǒng)液壓泵性能精確控制，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)及驅(qū)動電動機高效節(jié)能，使得整機運行經(jīng)濟工作高效。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
本發(fā)明所要解決的問題是液壓系統(tǒng)與發(fā)動機動力的匹配問題，使兩者充分實現(xiàn)功率最佳匹配，從而達到節(jié)能降耗目的。
[0007]本發(fā)明通過柴油發(fā)動機帶動發(fā)電機，實現(xiàn)柴油發(fā)動機負載、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，工作于經(jīng)濟聞效區(qū)。
[0008]發(fā)電機所發(fā)電供給各液壓泵的拖動電機，多余電能儲于蓄電裝置；通過變頻器實現(xiàn)對拖動鉆機主液壓系統(tǒng)液壓泵的電機調(diào)速控制。在主液壓系統(tǒng)的起升系統(tǒng)中采用進出口獨立控制及流量再生技術(shù)。
[0009]在絞車工作液壓系統(tǒng)中采用二次調(diào)節(jié)靜液傳動技術(shù)實現(xiàn)能量回收和重新利用，在動力頭旋轉(zhuǎn)工作液壓系統(tǒng)中采用雙向變量泵一雙向變量馬達閉式容積調(diào)速回路，提高液壓系統(tǒng)效率；在液壓系統(tǒng)各主回路采用獨立電機驅(qū)動方式，利于消除負載耦合而引起對液壓泵轉(zhuǎn)速的干擾，易于實現(xiàn)相關(guān)控制策略。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案:
具有混合動力裝置及多電機驅(qū)動的煤層氣鉆機，包括柴油發(fā)動機，柴油發(fā)動機以額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定工作，拖動發(fā)電機工作輸出電能，電能主要供給電動機工作，多余電能儲于蓄電裝置中。
[0011]控制器按照相應控制策略控制第一變頻器、第二變頻器、第三變頻器、第四變頻器、第五變頻器的電源頻率輸出，使得第一電動機、第二電動機、第三電動機、第四電動機、第五電動機各以相應轉(zhuǎn)速工作。
[0012]第一電動機拖動恒壓變量液壓泵工作，恒壓變量液壓泵、第一單向閥、蓄能器組成恒壓源，恒壓變量液壓泵出油口與電液比例變量液壓泵一馬達相連，恒壓變量液壓泵輸出的液壓能在電液比例變量液壓泵一馬達轉(zhuǎn)化為機械能輸出并通過第一減速器帶動絞車旋轉(zhuǎn)，絞車旋轉(zhuǎn)速度通過變量裝置改變電液比例液壓泵一馬達斜盤傾角來控制。
[0013]當絞車反向運行，控制器輸出控制信號給電液比例變量液壓泵一馬達配置的變量裝置，改變電液比例變量液壓泵一馬達的斜盤傾角過零點，使得電液比例變量液壓泵一馬達工作于液壓泵工況，向蓄能器輸入高壓液壓油。
[0014]配置在絞車轉(zhuǎn)軸處的轉(zhuǎn)速傳感器實時向控制器反饋絞車的轉(zhuǎn)速信號，如果轉(zhuǎn)速過高，則控制器控制電液比例變量液壓泵一馬達的變量裝置向增加排量方向運動；反之則減小排量，有效控制絞車反向旋轉(zhuǎn)速度。
[0015]在電液比例變量液壓泵一馬達工作在泵工況時，控制器控制第一變頻器的輸出電源頻率，減小恒壓變量液壓泵拖動電機一的轉(zhuǎn)速，減小能耗。
[0016]第二變頻器輸出頻率為50Hz的交流電作為第二電動機的電源。第二電動機輸出軸與第一變量液壓泵軸相聯(lián)，第二電動機以額定轉(zhuǎn)速帶動變量液壓泵工作，第一變量液壓泵與定量液壓馬達組成閉式容積調(diào)速回路。第一變量液壓泵的出油口與定量液壓馬達相連，定量液壓馬達的輸出軸與水泵軸相聯(lián)，帶動水泵工作。
[0017]第三電動機的輸出軸與電液雙向比例變量液壓泵軸相聯(lián)，電液雙向比例變量液壓泵兩油口分別與雙向變量液壓馬達的兩油口相連，組成閉式容積調(diào)速回路，雙向變量液壓馬達與第二減速器輸入軸相聯(lián)，第二減速器輸出軸與旋轉(zhuǎn)動力頭相聯(lián)，裝配在電液雙向比例變量液壓泵油口處的壓力傳感器、裝配在該泵上的斜盤傳感器、裝配在第三電動機輸出軸處的轉(zhuǎn)速傳感器以及裝配在第二減速器輸出軸處的轉(zhuǎn)速傳感器實時反饋壓力、斜盤傾角、電動機的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)動力頭的轉(zhuǎn)速至控制器，控制器按照控制要求，控制第三變頻器的輸出電源頻率及電液比例變量液壓泵變量裝置運動改變斜盤傾角，實現(xiàn)電動機功率盡量與負載功率相匹配，提高系統(tǒng)效率。
[0018]第五電動機的輸出軸與電液比例變量液壓泵軸相聯(lián)，電液比例變量液壓泵的出油口與第一二位二通比例閥、第二二位二通比例閥的一個閥口相連,第一二位二通比例閥的另一閥口與舉升液壓缸有桿腔相連，第二二位二通比例閥另一閥口與舉升液壓缸無桿腔相連，第三二位二通比例閥的一個閥口與油箱相連另一閥口與舉升液壓缸的有桿腔相連，第四二位二通比例閥的一個閥口與油箱相連另一閥口與舉升液壓缸的無桿腔相連?？刂破鬏敵鲂盘柨刂粕鲜鏊膫€二位二通比例閥閥芯位移量即實現(xiàn)對閥口開度的控制，從而實現(xiàn)對舉升液壓缸進出口獨立控制，實現(xiàn)對舉升液壓缸運動方向和速度的控制。
[0019]裝配在第五電動機輸出軸處的轉(zhuǎn)速傳感器、裝配在電液比例變量液壓泵上的斜盤傾角傳感器及出油口處的壓力傳感器實時反饋壓力信號、斜盤傾角信號、轉(zhuǎn)速信號至控制器，綜合第一二位二通比例閥、第二二位二通比例閥、第三二位二通比例閥、第四二位二通比例閥的閥芯位移量，控制電液比例變量液壓泵變量裝置運動，決定泵的排量。第五二位二通比例閥的兩個油口分別于舉升液壓缸的兩腔相連，當液壓缸活塞下降，控制器控制第一二位二通比例閥、第二二位二通比例閥、第三二位二通比例閥閥口關(guān)閉，第五二位二通比例閥閥口全開，第四二位二通比例閥閥口部分開啟，實現(xiàn)流量再生。同時控制器控制第五變頻器輸出電源頻率，降低第五電動機的工作轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)節(jié)能。
[0020]第四變頻器輸出頻率為50Hz的交流電作為第四電動機的電源，第四電動機的輸出軸與輔助分動器輸入軸相聯(lián)，輔助分動器輸出軸分別和定量液壓泵和第二變量液壓泵相聯(lián)，定量液壓泵的出口壓力由溢流閥調(diào)定壓力確定，作為補油泵。第二變量液壓泵出油口與附屬液壓系統(tǒng)相連，提供液壓能。
[0021]本發(fā)明具有下述有益效果:
1、采用串聯(lián)式混合動力裝置，柴油發(fā)動機可以連續(xù)運轉(zhuǎn)在最經(jīng)濟工作點，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，利于柴油發(fā)動機工作在經(jīng)濟高效區(qū)，也有利于減少有害排放。
[0022]2、采用多電機拖動系統(tǒng)，可以將變頻調(diào)速技術(shù)用于煤層氣鉆機液壓系統(tǒng)，可根據(jù)液壓系統(tǒng)中各回路的負載特性的變化調(diào)節(jié)各電動機轉(zhuǎn)速，從而改變液壓泵轉(zhuǎn)速