CN102341339A - 用于提升机的驱动组件和设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种组件，其可包括马达；联接到马达上的行星变速器；以及联接到变速器上的卷筒，并且马达设置成或能够设置成部分地在卷筒内。

Description

用于提升机的驱动组件和设备

背景

技术领域

本发明的实施例可涉及电动组件或设备。该组件或设备可用来提起或提升物体，或以别的方式对固定到卷筒上的缆索施加张力。

背景技术

提升机可用来提起负荷。提升机可用于诸如抛锚绞盘、起重机动作控制绕线架和电缆敷设机的应用中。可在石油和天然气工业中使用的另一种类型的提升机为绞车。井眼绞车是用在钻探平台上或用于钻油塔以将装备升高、降低或者保持在井眼上方、井眼中和/或井眼外的组件。活动块可在钻探平台或钻塔的顶部处固定到定滑轮上。提升缆索或绳线操作活动块，死端绳线(dead line)固定到钻探平台地板或地面上，而另一端恰当地固定到绞车且形成快速绳线(fast line)。

绞车本身可包括可旋转的圆柱形转鼓或卷筒，包括马达的动力组件可使缆索或快速绳线在该转鼓或卷筒上缠绕或盘绕(或解开或展开)。干式制动器可对马达扭矩施加反力。马达或有时多个马达使用一个或多个带、链或齿轮组件而通过齿轮箱或变速器以机械的方式联接到转鼓上。马达(一个或多个)和齿轮箱固定到邻近转鼓的固定结构上。因为较高的马力需要的原因，该多个马达中的各个以机械的方式联接到聚合器(aggregator)齿轮箱上，并且齿轮箱对转鼓提供扭矩。传输机械动力的常见方法包括带和链，以及副轴齿轮装置和变速器。

为绞车的芯体的构件中的各个(马达、齿轮箱和卷筒)独立地产生且被组装成绞车。在引入构件的新技术(例如新的马达或制动器)时，绞车装配工可升级绞车组件。但是，革新针对构件的增强，而系统级革新可能是有问题的。

其它工业包括处理石油和天然气工业以外的缆索、绳线和链。可为合乎需要的是具有用于提升或提起或以别的方式处理缆索的、在结构上和/或在功能上不同于当前可获得的那些的组件或设备。

发明内容

在一个实施例中，提供了一种组件，其包括马达；联接到马达上的行星变速器；以及卷筒，其联接到变速器上，并且具有用于接纳马达和变速器的内部体积，并且马达和变速器设置成或可设置成仅部分地在卷筒内而部分地在卷筒的外部。

本发明的实现可包括一种可用作提升机、绞盘或绞车设备的构件的机电式驱动模块。该机电式驱动模块包括：马达；联接到马达上的变速器；以及卷筒，其联接到变速器上，使得得到的机电式驱动模块满足以下标准中的一个或多个：机电式驱动模块旋转和/或相对于其本身起作用，并且需要仅安装到单个固定的和/或固定式基准物上；机电式驱动模块会在使用期间产生单个反作用力矩或力偶；或者变速器完全支承卷筒，而没有能够传递机械能的居间联接件。

附图说明

图1是包括本发明的一个或多个实施例的组件的示意图。

图2是包括本发明的一个或多个实施例的组件的示意图。

具体实施方式

本发明的实施例涉及可收起和放出绳线的动力卷筒，当绳线被收起时绳线盘绕在卷筒的周围。本发明的实施例涉及电动组件或设备。本发明的实施例可涉及制造或使用该组件或设备的方法。

如本文中所用，马达是电动马达，它使用电能来经由旋转产生机械功。马达在这样的情形下可用作发电机或电机：其中，经由旋转(产生)的机械功为输入，而电能为输出。变速器为可将来自一个构件的机械力传递给另一个构件且可导致有不同于输入的转速的输出转速的设备。齿轮箱是一种类型的变速器。卷筒(有时称为转鼓)为绳线可盘绕在其周围的大体圆柱形结构。绳线可为缆索(机械缆索/受拉缆索、光缆或电缆)、金属丝、软线、链或细丝。绞车包括用来对钻井马达供应升力和驱动功率且可能能够提升多个钻井节段和驱动这些节段的钻动马达的重量的石油钻井机构。

根据一个实施例，提供了一种组件，其包括：马达；联接到马达上的行星变速器；以及联接到变速器上的卷筒。可选的控制器可与马达通讯和促动马达。马达可为基于这样的标准选定的电动马达：电力的可用形式、应用性能要求、希望的效率水平、冷却方法、冷却介质等等。基于对这样的对于应用而言专有的参数的评估，适当的马达可为交流(AC)马达或直流(DC)马达。可商购获得的马达可恰当地选自诸如通用电气公司(康涅狄格州的费尔菲尔德)的供应商。对于AC马达而言，GDY106和GDY108型号可为适当的马达的有用的实例。对于DC马达而言，GEB23或GEB25型号可为适当的马达的有用的实例。

马达的规格可影响马达的选择。适当的马达可具有大于1000马力(HP)、1500HP、3000HP或6000HP的马力额定值。马达可设置成或能够设置成至少部分地在卷筒内。因此，对于此实施例，卷筒的内表面限定的体积在马达选择方面是限制性因素。有时，马达额定具有的马力越大，则马达越大。那么如果转鼓大小受到对于应用而言专有的参数的约束，并且马达大小受到转鼓大小的约束，则马达的选择和构造必须考虑马力和转鼓大小的平衡需要。在一个实施例中，马达设置成或可设置成完全地在卷筒内。另外，变速器也可设置成部分地或完全地在具有马达的卷筒内。

基于诸如自由轮的效率、经济性、性能、可靠性和能力的因素，马达的选择项可包括永磁体马达。在另一个实施例中，马达不是永磁体马达。其它的适当的马达可包括AC/感应马达或开关磁阻马达。

在使用期间，有时可存在对组件的热管理的需要。可选的冷却系统可与马达和/或变速器热连通。马达可被封闭且联接到冷却风扇上。热管理或冷却系统可包括水-空气冷却系统。马达可为水冷却马达。马达可联接到防滴漏马达冷却系统上。马达可联接到鼓风机通风系统。

适当的马达可具有大于0.182马力每磅(HP/lb)的功率与重量的比率。在一个实施例中，功率与重量的比率可处于从大约0.18HP/lb至大约0.19HP/lb的范围中。

关于变速器，适当的变速器可包括齿轮箱。变速器的齿轮可具有相对于彼此对称的推力角。行星变速器可包括联接到公共轴上的太阳齿轮。在一个实施例中，马达、太阳齿轮和卷筒中的两个或更多个与轴共线。变速器可包括环齿轮。变速器可直接联接到马达上，而没有额外的居间机械联接件或接头。机械联接件或接头可为磨损点或故障点，并且可能需要监测和/或润滑。因此，减少或消除机械联接件或接头可对寿命和性能有积极影响。变速器可直接联接到转鼓上，而没有居间的机械联接件或接头。

适当的变速器可具有大于4.5百万牛顿-米每立方米或100HP每公升的扭矩或动力密度。变速器可设置成或能够设置成至少部分地在卷筒内，或者可构造成设置成或能够设置成完全地在卷筒内。在一个实施例中，该组件完全没有副轴齿轮箱。

关于卷筒，联接到卷筒的内表面上的可为小齿轮、行星或环轴承中的一个或多个。另外或备选地，卷筒可包括内部斜齿轮。卷筒可支承盘绕在卷筒的外表面的周围的绳线的长度。在组件的操作期间，卷筒可旋转且因此可响应于卷筒的绕着轴线的旋转而放出和收进一定长度的绳线。

可基于对于应用而言专有的参数来选择卷筒尺寸。这样的参数包括绳线的类型、意图的最终用途、所需要的绳线长度，以及该组件必须构造到其中的可用的不动产、空间、体积或占地面积。适当的卷筒可具有处于大约60厘米至大约140厘米的范围中的直径。卷筒的适当的体积可处于大约60公升至大约300公升的范围中。

如果组件构件的一部分或全部(除了卷筒之外)装配在卷筒内，则整个组件可具有处于大约3米乘4.5米至大约4米乘9.5米的范围中的宽度和长度尺寸。材料和构件的选择自然必须也符合最终用途应用的需要。

在一个实施例中，公共轴可操作性地联接到马达上且联接到变速器上。适当的轴可为整体的单个零件。但是，其它适当的轴可包括两个或更多个节段。如果轴包括节段，则节段可通过花键、摩擦配件、压缩配件、锥体和毂、键、万向接头或冷缩配合固定到彼此上。紧固件的选择可基于对于应用而言专有的参数，因为这些紧固件机构并不能容易地互换。

可选地，第二马达可联接到变速器上。备选地，第二马达可通过第二变速器联接到卷筒上。适当的第二马达可为上文中描述的类型的适当的马达。但是，第二马达不需要与第一或另一个马达相同。除了首先参照的马达之外，第二马达可设置成或能够设置成至少部分地或完全地在卷筒内。

当在组件中存在两个或更多个马达时，可操作马达和另一个马达，使得马达中的一个的速度受控制，而另一个马达的扭矩受控制。控制器可响应传感器和来自马达的反馈，并且控制系统可为闭环控制系统。

制动系统可联接到卷筒上。如果存在联接到变速器上的公共轴，则公共轴可联接到制动系统上。适当的制动系统包括：干式制动系统，其中，干式制动系统为盘式制动系统；以及湿式制动系统，其中，湿式制动系统为液压制动系统。

润滑系统可与变速器操作性地连通。润滑是用来通过这样来减少彼此紧邻且相对于彼此运动的一个或两个表面的磨损的过程：在相对的表面之间将称为润滑剂的物质置于用以承载或帮助承载负荷(产生的压力)的表面之间。置入的润滑剂膜可为固体(例如石墨、MoS₂)、液体(油)或液体-液体分散体(脂)。在一个实施例中，变速器在使用期间旋转卷筒，并且卷筒的旋转使润滑剂流动且接触变速器。齿轮壳体本身就是用于润滑系统的壳体。

可选地，对组件提供了传感器系统。传感器系统感测选自温度、扭矩、压力、速度、位置、润滑性/润滑质量、润滑剂金属含量、电磁干扰(EMI)分布、振动、水含量或压力的一个或多个参数。传感器系统将感测的参数或其指示信息输送给控制器或控制单元。控制单元可邻近组件。但是在一个实施例中，控制单元远离组件。当控制单元远离时，感测的参数或与其有关的信息可输送给数据中心，在此之后，基于感测的参数信息来执行诊断和/或预测分析。可响应于感测的参数处于值的确定范围中或处于该范围外来可控地起动矫正动作。

再生制动系统可联接到马达上。再生制动系统可接收马达在其被施加机械力时产生的电能。再生制动系统可将产生的能量存储在能量存储系统中。产生的能量可为电能，并且能量存储系统可供应发电机供应的功率之外的助推功率，使得发电机输出少于组件负荷的峰值功率要求，但是结合的功率至少与组件负荷的峰值功率要求一样大。在额外的或备选的实施例中，机械能可以压缩气体、液压压力、飞轮等的形式存储。

上文中公开的控制器与马达操作性地通讯。在一个实施例中，控制器可控制马达供应给变速器的扭矩。控制器可控制马达，以及联接到变速器上的第二马达(如果存在的话)，并且控制可使得马达中的一个的速度被调整，而另一个马达的扭矩被调整。

在一个实施例中，组件可具有对卷筒施加的大于3000马力的输出能力或容量，而组件可安装到台架(skid)上，并且在安装到台架上时，组件和台架一起具有小于15平方米的占地面积。组件可具有小于25,000公斤的总重量。组件可能能够构造成通过标准的联合运输来装运，而不完全地拆开和分开来装运组件构件。

响应于热管理，可供应冷却系统，并且其设置成与马达热连通。再生动力系统可使用动态制动来对电动鼓风机(或相似的装置)供应电力，电动鼓风机为冷却系统的构件。也就是说，控制器可选择性地从持续功率供应(例如柴油发电机)中、从动态制动中或从能量存储系统中对冷却系统提供功率。适当的传感器、量计等可对控制器供应在要作出选择时用来选择功率源的信息等等。

在一个实施例中，行星变速器包括复合行星齿轮组。此复合行星齿轮组可产生不同的齿轮比，这取决于选择哪个齿轮作为输入、使用哪个齿轮作为输出，以及哪个齿轮保持静止。例如，如果输入是太阳齿轮，而环齿轮保持固定且输出轴附连到行星托架上，则存在第一齿轮比。在此情况下。行星托架和行星绕着太阳齿轮运行，所以对于行星托架而言，为了使它转一周，不是太阳齿轮必须自转例如六次，而是它必须自转七次。这是因为行星托架在太阳齿轮自转时沿相同的方向环绕太阳齿轮一次，从而从太阳齿轮中减去一转。所以在一种实例情形下，存在7∶1的减速比。

在一种不同的运行模式中，人们可使太阳齿轮保持固定，从行星托架获得输出以及将输入挂接到环齿轮(或“内齿圈”)上。这将给出更低的齿轮减速比。离合器和制动器带可用来使齿轮组的不同的部分保持固定以及改变输入和输出。控制器然后可响应于外部指令或刺激或基于设定的算法选择性地使用不同的运行模式。

在多种方面，组件适于用作绞车、起重机、起锚提升机、抛锚绞盘或电缆敷设机。在另一方面，实施例可沿竖向构造成例如通过槽轮/滑轮来处理连续的缆索环。这样的实施例例如对于架空索道、矿车、吊舱驱动器等等可为有用的。

在一个实施例中，一种组件包括：具有限定体积的内表面的卷筒；设置在卷筒体积中的马达；以及设置在卷筒体积中的变速器，并且马达可操作来对齿轮箱提供机械动力，使得变速器可使卷筒绕着轴线旋转。马达可与卷筒共轴。变速器也可与卷筒共轴。马达和变速器两者可同时与卷筒共轴和/或共线。一些实施例的扭矩密度(扭矩每体积)可超过2000kips，其中，体积小于大约30立方米。

在多种其它实施例中，一种设备可包括：卷筒，其限定该卷筒绕着其可旋转的轴线；设置在轴线上的公共轴；以及直接联接到公共轴上且与轴和卷筒共轴的马达。可选地，该设备可包括：马达；联接到马达上的变速器；联接到变速器上的制动器；以及联接到变速器上且由此可操作来旋转的可旋转卷筒。组件完全没有设置在马达、变速器、制动器和卷筒中的一个或多个之间的中间的万向或柔性联接件。另外，设备可包括：马达；联接到马达上的变速器；以及联接到变速器上的卷筒，其限定轴线且绕着该轴线可旋转，其中，马达和变速器构造成结合卷筒的绕着轴线的旋转而绕着该轴线旋转。而且，设备可包括卷筒和联接到卷筒上且可操作来旋转卷筒的齿轮箱。齿轮箱可包括三个或更多个齿轮，它们提供相对于它们本身相对地对称且相对于卷筒轴线大致垂直的推力角。

机电式驱动模块可用作提升机、绞盘或绞车设备的构件。驱动模块可包括：马达；联接到马达上的变速器；以及卷筒，其联接到变速器上，使得得到的机电式驱动模块满足以下标准中的一个或多个：机电式驱动模块旋转和/或相对于其本身起作用，并且需要仅安装到单个固定的和/或固定式基准物上；机电式驱动模块在使用期间产生单个反作用力矩或力偶；或者变速器完全地支承卷筒，而没有能够传递机械能的居间联接件。

参看图1，设备100包括马达110、变速器120、卷筒130和公共轴140。卷筒限定了卷筒轴线150，而参考标号160指示对称的齿轮推力角。制动系统170联接到公共轴140的一部分上。

图2中显示了包括本发明的一个实施例的组件200。该组件包括内部永磁体(IPM)马达210、复合行星齿轮箱220、转鼓230和可分段的公共轴240。转鼓限定了转鼓轴线250，而参考标号260指示垂直于转鼓轴线的齿轮推力角。制动系统270和第二马达280联接到公共轴上。IPM马达和第二马达完全地设置成在转鼓的内表面限定的体积内。在使用期间，控制器(未显示)给马达发信号，以激活且将电能转换成机械能，机械能通过行星齿轮箱传递给环齿轮(未显示)且通过环齿轮传递给转鼓。机械能施加扭矩来使转鼓绕着转鼓轴线旋转。取决于组件在使用期间的状态，转鼓的旋转可收进或放出盘绕在转鼓的外表面的周围的绳线(未显示)。安装结构(未显示)可支承马达，并且可将组件固定或安装到台架或框架上。

进一步参看图2，能量存储系统290电联接到马达上。当马达用来对转鼓的旋转进行动态制动时，能量存储系统可接纳来自马达的电能。能量存储系统减少了对用来处理动态制动产生的电力的电阻器组的需要。能量存储系统可存储电力，并且可将电力偿还给马达，以补充其它电力供应，并且因此对马达进行助推(或完全地运行马达)。控制系统292与冷却系统294显示为与组件通讯。它们各自提供了如本文中所限定的功能。

虽然本文中参照用于提升机的驱动组件和设备来描述实施例，但是提供这样的实施例来用于说明或实例目的，并且本发明在这点上不一定受到限制。在更一般的意义上，本发明的实施例涉及例如用于使卷筒、缸体或其它主体运动的组件或设备。

在说明书和权利要求书中，将对许多用语作出参照，这些用语具有以下意义。单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数个对象，除非上下文清楚地作出其它规定。如本文中贯穿说明书和权利要求书中所使用，可应用近似语言来修饰可允许改变的任何定量表示，而不导致其有关的基本功能的改变。因此，由诸如“大约”的用语修饰的值不限于所规定的精确值。在一些情形下，近似语言可对应于用于测量值的仪器的精度。类似地，“没有”可结合用语来使用，并且可包括非实质性数量或微量，同时仍然被看作没有被修饰的用语。

如本文中所用，用语“可”和“可为”指示在一组环境下出现的可能性；具有规定的属性、特性或功能；以及/或者通过表达与所限定的动词相关联的能力、性能或可能性中的一个或多个来限定另一个动词。因此，使用“可”和“可为”指示所修饰的用语对于所指示的能力、功能或用途是明显恰当的、可能的或适合的，同时考虑了在一些环境下所修饰的用语有时可为不恰当的、不可能的或不适当的。例如，在一些环境下，可预期一个事件或能力，而在其它环境下，该事件或能力不能出现—这个差别由用语“可”和“可为”捕捉到了。

本文中描述的实施例是具有对应于权利要求中叙述的本发明的元件的元件的物品、组成和方法的实例。此书面描述可使得本领域普通技术人员能够制造和使用具有类似地对应于权利要求中叙述的本发明的元件的备选元件的实施例。本发明的范围因而包括不异于权利要求的文字语言的物品、组成和方法，并且进一步包括与权利要求的文字语言无实质性差异的其它物品、组成和方法。虽然已经在本文中示出和描述了仅某些特征和实施例，但是相关领域的普通技术人员可想到许多修改和变化。所附权利要求覆盖所有这样的修改和变化。

Claims (20)

1.一种组件，包括：

马达；

联接到所述马达上的行星变速器；以及

卷筒，其联接到所述变速器上，并且具有用于接纳所述马达和所述变速器的内部体积，并且所述马达和变速器设置成或能够设置成仅部分地在所述卷筒内且部分地在所述卷筒的外部。

2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述组件能够与绞车、起重机、起锚提升机、抛锚绞盘或电缆敷设机集成；或者能够构造成通过驱动和/或控制缆索环来用作架空索道、矿车或吊舱。

3.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述组件进一步包括也设置成或能够设置成至少部分地在所述卷筒内的第二行星变速器。

4.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述马达为永磁体马达。

5.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述马达包括选自TEWAC、TEWC和DPBV组成的组的类型的冷却系统。

6.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述马达被封闭且联接到水-空气冷却系统，或者所述马达为水冷却马达。

7.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述变速器包括包含两个或更多个节段的轴。

8.根据权利要求7所述的组件，其特征在于，所述节段能通过花键、摩擦配件、压缩配件、锥体和毂、键、万向接头或冷缩配合固定到彼此上。

9.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述组件进一步包括联接到所述变速器上的第二马达。

10.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述组件进一步包括与所述变速器操作性地连通的润滑系统，并且其中，所述变速器可操作来在使用期间旋转所述卷筒，并且所述卷筒的旋转使润滑剂流动以及接触所述变速器。

11.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述组件进一步包括传感器系统，并且所述传感器系统感测选自温度、扭矩、压力、速度、位置、润滑性/润滑质量、润滑剂金属含量、电磁干扰(EMI)分布、振动、水含量或压力的一个或多个参数。

12.根据权利要求11所述的组件，其特征在于，所述传感器系统将感测的参数或指示所述参数的信息输送给控制单元，并且其中，感测的所述参数或与该参数有关的信息被输送给数据中心，在此之后，基于感测的参数信息来执行诊断和/或预测分析。

13.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述组件进一步包括联接到所述马达上的再生制动系统，并且其中，所述再生制动系统能接收所述马达响应于所述卷筒的旋转而产生的电能，所述卷筒的所述旋转由既联接到所述卷筒上又至少部分地缠绕在所述卷筒的外表面的周围的绳线的张力所导致，并且所述再生制动系统能将产生的能量存储在能量存储系统中。

14.根据权利要求13所述的组件，其特征在于，所述能量存储系统能供应下者中的任一个或两者：

除由发电机供应的功率之外的助推功率，使得所述发电机的输出少于组件负荷的峰值功率要求，但是结合的功率至少与所述组件负荷的所述峰值功率要求一样大；以及

通向为所述冷却系统的构件的电动鼓风机的功率。

15.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述组件进一步包括与所述马达操作性地通讯的控制器，并且所述控制器可操作来控制下者中的一个或两者：

所述马达对所述变速器供应的扭矩；或者

所述马达的作为转每分钟的函数的速度。

16.根据权利要求15所述的组件，其特征在于，所述控制器可操作来控制所述马达，以及联接到所述变速器上的第二马达，使得所述马达中的一个的速度被调整而另一个马达的扭矩被调整。

17.一种组件，包括：

马达；

联接到所述马达上的复合行星变速器；以及

联接到所述变速器上的卷筒，并且所述马达设置成或能够设置成至少部分地在所述卷筒内。

18.根据权利要求17所述的组件，其特征在于，所述组件能够与绞车、起重机、起锚提升机、抛锚绞盘或电缆敷设机集成；或者能够构造成通过驱动和/或控制缆索环来用作架空索道、矿车或吊舱。

19.根据权利要求17所述的组件，其特征在于，所述变速器包括包含两个或更多个节段的轴。

20.根据权利要求17所述的组件，其特征在于，所述组件进一步包括联接到所述马达上的再生制动系统，并且其中，所述再生制动系统能接收所述马达响应于所述卷筒的旋转而产生的电能，所述卷筒的所述旋转由既联接到所述卷筒上又至少部分地缠绕在所述卷筒的外表面的周围的绳线的张力所导致，并且所述再生制动系统能将产生的能量存储在能量存储系统中。

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