CN1336320A - 差速器液压传动系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于驱动一个旋转件的液压传动系统,包括:差速器,该差速器有一个与该旋转件相连的输出端;第一液压驱动器,该第一液压驱动器具有与该差速器的第一输入端相连的输出端,以及第二液压驱动器,该第二液压驱动器有与该差速器的第二输入端相连的输出端。第一液压驱动器的输出端可以在第一选定方向以第一选定速度旋转,该第二液压驱动器的输出端可以在第二选定方向以第二选定速度旋转。该差速器的输出转速和方向与液压驱动器的输出的转速和方向的代数和有关。在一个实施例中,第一和第二驱动器的转速保持在最小稳定极限值之上,同时通过将第一方向选定为与第二方向相反,使旋转件以非常低或者零转速工作。

Description

差速器液压传动系统
本发明涉及液压传动系统和该液压传动系统在绞车驱动中的应用。
测井包括与由钻孔穿透的地层的一个或多个特性有关的数据的记录。多种测井数据是通过置于壳体内的、称为探针的合适井下装置记录的。在钢丝绳传送的测井中，探针通过缠绕在绞车卷筒上的铠装电缆放低至钻孔内。该测量在探针经过不同地层时进行，数据信号通过电缆传输给在地面上的采集系统。通常，探针可以快速放低至钻孔内，并在不需要采集数据时快速从钻孔内收回。不过，某些采集装置的设计及物理性能需要使探针以通常低速在钻孔内精确移动，同时采集数据。一个驱动装置用于如此地驱动绞车卷筒，以致于系有该探针的电缆可以以合适的速度放出或收回。通常，该驱动装置包括原动机如内燃机和用于从原动机向绞车卷筒传送动力的液压传动系统。
普通的液压传动系统包括一液压泵和一液压马达，该液压泵通常为变排量液压泵，该液压马达通常为变排量液压马达。液压泵将动力从原动机传送给液压马达，液压马达再向绞车卷筒施加扭矩。在工作时，该原动机通常通过发动机节流阀等设置成预定的工作转速。绞车卷筒的转速再通过控制液压传动系统的一个液压件的排量来调节。不过，通常当液压泵的流量和液压马达的转速减小以适应非常低的卷筒转速时，液压传动系统将变得不稳定。该不稳定将影响由测井装置所进行的测量的质量，同时降低液压传动系统的使用性能。因此，测井速度通常限定在液压传动系统的稳定范围内。
已经提出了多种方法来克服液压传动系统在低速下的不稳定问题。例如，授予Mayhugh等的美国专利5355675公开了一种能用于从发动机向绞车传送动力的稳定封闭式液压旋转传动系统。在Mayhugh等的专利5355675中公开的液压旋转传动系统具有很宽的动态速度控制范围，并包括一个液压马达、一个变排量液压泵和一个两位置(two-position)控制装置。该传动系统可以在标准模式和精确速度控制模式这两种模式中的一种下工作。在标准模式中，该两位置控制装置使泵通过第一回路与马达相互连接，马达的转速为泵排量的函数。在精确速度控制模式中，该两位置控制装置断开第一回路结构，井使泵通过第二回路与马达相互连接。在该模式中，马达转速是流过在马达下游的比例流量阀的流速的函数。
本发明的一个方面是一种用于驱动一个旋转件的液压传动系统，该液压传动系统包括一差速器，该差速器有一个可旋转地与旋转件相连的输出端。该液压传动系统还包括第一液压驱动器和第二液压驱动器，该第一液压驱动器可操作地与差速器的第一输入端相连，该第二液压驱动器可操作地与差速器的第二输入端相连。第一液压驱动器的输出端可以在第一选定方向以第一选定速度旋转，该第二液压驱动器的输出端可以在第二选定方向以第二选定速度旋转。差速器的输出转速和方向与两液压驱动器的输出的转速和方向的代数和有关。
本发明的另一方面是一种用于驱动旋转件的方法，该方法包括：控制第一液压驱动器以便使差速器的第一输入端以一选定转速在一第一选定方向转动，控制第二液压驱动器以便使差速器的第二输入端以一第二选定转速在第二选定方向旋转。该第一和第二转速和方向选定成可为差速器提供一选定的输出转速和旋转方向，因此，使可旋转地与差速器的输出端相连的旋转件也有选定地输出转速和旋转方向。
本发明的另一方面是一种绞车系统，该绞车系统包括可旋转支承的卷筒、输出端与可旋转支承的卷筒相连的差速器、输出端与差速器的第一输入端相连的第一液压驱动器和输出端与差速器的第二输入端相连的第二液压驱动器。该第一液压驱动器的输出是可在第一选定方向的旋转，该第二液压驱动器的输出是可在第二选定方向的旋转，差速器的输出转速与液压驱动器的输出端的转速和方向的代数和有关。
通过下面的说明和附加的权利要求，可以理解本发明的其它方面和优点。
图1是绞车系统的方框图。
图2是根据本发明一个实施例的液压传动系统的线路图。
图3和4所示为用于控制图2所示液压传动系统的控制图实例。
图5是根据本发明另一实施例的液压传动系统的线路图。
图6所示为用于图5所示的液压传动系统的控制图的实例。
图7是根据本发明另一实施例的液压传动系统的线路图。
图8所示为用于图7所示的液压传动系统的控制图的实例。
下面将参考附图介绍本发明的各个实施例。图1是绞车系统2的方框图，该绞车系统包括一个具有可旋转支承的绞车卷筒5的绞车4、一个操作人员控制台、一个原动机8例如柴油发动机以及一个液压传动系统10。该绞车用于使负载12移动。例如，在测井中，该负载是一探针。该负载安装在缠绕于绞车卷筒5上的绳缆的一端。当绞车卷筒5转动时，根据绞车卷筒5的旋转方向，绳缆13可以放出或收回。绞车卷筒5的转速可由操作人员控制台6控制。根据操作人员控制台6发出的控制信号，液压传动系统10将动力从原动机8传递给绞车卷筒5，以便在选定方向以选定速度驱动绞车卷筒5。
图2所示为根据本发明的一个实施例的液压传动系统10的液压线路图。该液压传动系统10包括两个闭环的液压驱动回路14、15。闭环液压驱动回路14包括液压泵16和液压马达18。在本例中的闭环液压驱动回路15也包括液压泵20和液压马达22。有多种液压泵是本领域已知的。例如，见Sullivan，James A.Fluid Power：Theory and applications，Prentice-Hall，Inc.(1998)。液压泵16、20可以是固定排量型。固定排量液压泵每个工作循环传送基本固定容积的流体。优选是，液压泵16、20是“变排量”泵。变排量泵中，泵的每个工作循环的排量是可调的。本领域已知有多种变排量泵。一种普通的结构是用旋转斜盘调节泵的容积流量。容积流量通过改变旋转斜盘的角度而调节，例如，该角度改变既可以机械进行，也可以通过磁轭驱动(yoke-actuating)的活塞的运动来进行。
在本实施例中，对控制液压泵16、20的容积流量的内部机构例如旋转斜盘(未示出)的调节由可驱动电子排量控制器24、26控制，例如，在本实施例中，该可驱动电子排量控制器24、26是排量电磁铁。优选是，液压泵16、20包括用于控制其在两个方向上的输出流量的装置，即用于使泵的吸入和排出孔翻转的装置。也可以用换向阀(未示出)来改变泵16、20中的一个或两个的流向。液压马达18、22接收液压泵16、20输出的压力流体，并将压力流体中的能量分别转换成马达输出轴28、30的旋转运动。液压马达18、22根据流过马达的液体流向而使各输出轴28、30以各个方向旋转，即正向或反向旋转。液压马达既可以作为固定排量单元，也可以作为变排量单元，这样，即使是流过马达的容积流量固定，也可以使各个方向的转速变化。本领域已知有多种液压马达设计。例如见Sllivan，James A.FluidPower：Theory and Applications，supra。
液压马达18、22的输出轴28、30分别与差速器32的输入端相连。在一个实施例中，差速器32包括斜齿轮34-40。轴28、30分别与输入斜齿轮34和38相连。差速器32还包括斜齿轮42和44。齿轮42和44也可以是准双曲面齿轮。因此，本发明并不限定齿轮的形式。安装架(carrier)46安装在斜齿轮42上并与斜齿轮36和40相连。马达输出轴28、30的旋转运动通过差速器输入斜齿轮34和38传递给斜齿轮36和40。斜齿轮36和40的旋转运动在通过安装架46传递给斜齿轮42。最后，斜齿轮42的运动传递给斜齿轮44。输出轴48与斜齿轮44相连，以便与斜齿轮44一起旋转。输出轴48将绞车卷筒5(如图1所示)旋转所需的扭矩传递给绞车卷筒5。输出轴48的转速由差速器32的齿轮结构以及马达输出轴28、30的转速和旋转方向确定。通过合适选择各马达输出轴28、30的转速和旋转方向，能够控制差速器输出轴48的转速。如本领域所知，差速器32的结构也可以与图中所示不同。例如，差速器32可以由一系列行星齿轮或其它类型的齿轮构成。因此，图2所示的差速器的形式并不是为了限制本发明的范围。
为了说明差速器32的输出转速，差速器32可以在“差速模式”或“和速模式”下工作。在操作人员控制台6，操作人员可以用模式选择器50对工作模式进行选择。在一个实例中，模式的选择包括选择各液压马达18、22的旋转方向。如下面进一步说明，各马达旋转的转速和方法取决于绞车卷筒5(图1中)所希望的转速。根据选定的模式，操作人员可以再用控制装置52例如操纵杆控制器来控制液压泵16、20的工作。控制装置52向电子排量控制器24、26发出信号，该电子排量控制器再分别控制液压泵16、20中的内部机构，这样，合适量的流体从液压泵16、20中泵送出。从液压泵16、20中泵送出的压力流体分别通过管道54、56流向液压泵18、22，由此向液压马达18、22通过动力。液压马达18、22将压力流体的能量转换成马达输出轴28、30的旋转运动，如前所述。泵送给液压马达18、22的流体分别通过管道58、60返回液压泵16、20的进口总管。
差速器输出轴48的转速和方法与马达输出轴28、30的比例转速代数和有关。使用术语“比例”是因为差速器输出轴48的转速取决于齿轮结构，例如将输入轴28、30的运动传递给输出轴48的齿轮32-38的齿数。当马达输出轴28和30以相同方向旋转以使与它们相连的差速器输入齿轮旋转时，差速器输出轴48的转速将与马达输出轴28和30的转速和有关。另一方面，当马达输出轴28和30以相反方向旋转时，差速器输出轴48的转速与输入轴28和30的转速差有关。代数上，各马达输出轴的转速可以任意指定符号(正或负)，以便表示相连的差速器输入齿轮以哪个方向旋转。图3和4所示为控制图的实例，该控制图表示分别在差速模式和和速模式下液压驱动器回路14、15的各个速度，即马达输出轴28、30的转速，以便使差速器输出轴48的速度具有从全速向下(发出绞车卷筒上的绳缆)经过和包括零再到全速向上(将绳缆卷到绞车卷筒上)的基本无限的可变能力。
图3所示的控制图用于差速模式。对于图3所示实例，传动系统设置成这样，即系在绞车卷筒5(见图1)的绳缆13(见图1)上的负载12(见图1)在马达输出轴28(见图2)顺时针旋转时向上运动(从钻井中出来)，在马达输出轴28(见图2)逆时针旋转时向下运动(进入钻井中)。在图3中，曲线28a、28b表示马达输出轴28(见图2)的转速，曲线30a、30b表示马达输出轴30(见图2)的转速，而曲线48a、48b表示差速器输出轴48(见图2)的转速。转速曲线48a是转速曲线28a和30a的合成，转速曲线48b是转速曲线28b和30b的合成。在差速区域66中，马达输出轴28(见图2)逆时针方向旋转，如曲线28a在差速区域66中的部分所示，马达输出轴30(见图2)以顺时针方向旋转，如曲线30a在差速区域66中的部分所示。类似的，在差速区域68中，马达输出轴28(见图2)顺时针方向旋转，如曲线28b在差速区域68中的部分所示，马达输出轴30(见图2)以逆时针方向旋转，如曲线30b的部分所示。在差速区域66、68中，差速器输出轴48(见图2)的转速分别由马达输出轴28(见图2)的转速28a、28b和马达输出轴30(见图2)的转速30a、30b之间的差值确定。
图4所示的控制图用于和速模式。在和速模式中，不管负载12(见图1)的运动方向如何，马达输出轴28和30(见图2)都使相应的差速器输入出来以相同方向旋转。在本例中，传动系统设置成这样，当马达输出轴28(见图2)和马达输出轴30(见图2)都顺时针方向旋转时，负载12(见图1)向上运动。当马达输出轴28和马达输出轴30都逆时针方向旋转时，负载12(见图1)向下运动。在图4中，曲线28a、28b表示马达输出轴28(见图2)的转速，曲线30a、30b表示马达输出轴30(见图2)的转速，而曲线48a、48b表示差速器输出轴48(见图2)的转速。转速曲线48a是转速曲线28a和30a的合成，转速曲线48b是转速曲线28b和30b的合成。在和速模式中，差速器输出轴48(见图2)的转速48a、48b分别由马达输出轴28的转速28a、28b和马达输出轴30(见图2)的转速30a、30b确定。和速模式通常不在差速器输出轴48(见图2)上提供零转速，除非马达输出轴28和30(见图2)的转速都为零，即液压马达18、22(见图2)都关闭。当希望获得非常低的转速或零转速时，差速模式是更合适的工作模式。参考图2，应当知道，控制装置52用于控制马达输出轴28、30的旋转方向。控制装置52向液压泵16发出信号，以便使流向倒转。该倒转的流向传送给液压马达18、22。也可选择，如前所述，通过各马达18、22的流向可以用换向阀(未示出)来选择。
如上所述的液压传动系统有很多优于现有技术的液压驱动系统的优点，尤其是在用于钢丝绳传送的测井中。一个优点是，通过使传动系统在差速模式下工作，该传动系统使绞车卷筒5(见图1)的转速能精确控制，尤其是在非常低的转速时。在测井探针采集数据时，采用差速模式使得探针能以非常低的速度运动，甚至为零速度，同时使马达18、22(见图2)在它们各自的最小稳定转速极限之上工作。因为马达18、22(见图2)能在它们各自的最小稳定转速极限之上工作，同时获得非常低的传动器输出转速(和由此产生的低绞车卷筒转速)，因此能消除在现有技术的绞车驱动液压传动系统中的不稳定区域。例如，当测井探针没有采集数据时，传动系统能够在和速模式下工作，这样，该测井探针能够非常快的放低到钻井中或从钻井中收回。
如图2所示的液压传动系统表示了能用于驱动绞车的差速器液压驱动系统的一个实施例。能用于本发明的液压传动系统的其它结构到达液压驱动回路和齿轮也能获得与前述装置类似的效果。图5所示为本发明另一实施例的液压传动系统的线路图。在该实施例中，液压传动系统包括一闭环的液压驱动回路82和一开环的液压驱动回路84。闭环液压驱动回路82包括液压泵86和液压马达88。该闭环液压驱动回路82类似于前述第一实施例的闭环液压驱动回路(图2中的14、16)。开环液压驱动回路84包括一液压泵90、一方向控制阀92和一液压马达94，该液压马达94例如可以是一齿轮马达。方向控制阀92控制流体从液压泵90流向液压马达94的方向。在该实施例中，液压泵90尽管可以用变排量泵，但优选是一固定排量泵，例如一液压齿轮泵。方向控制阀92接收模式选择器50发出的控制信号。液压泵86接收从控制装置52发出的控制信号。液压泵80、90的输入轴87、91可以分别与原动机8(见图1)相连。
马达88、94的输出轴分别与差速器100的输入端相连。在本实施例中，差速器100包括行星齿轮102、104，该行星齿轮102、104绕它们各自的轴和绕一中心齿轮106旋转。中心齿轮106与马达94的轴98相连。齿圈103通过安装架105与马达88的输出轴96转动连接。行星齿轮102、104与斜齿轮100相连。斜齿轮110的运动与斜齿轮108耦合，该斜齿轮108再将其运动传递给差速器输出轴112。行星式差速器使得闭环液压驱动回路和开环液压驱动回路有不同的输入比。该结构能补偿两种驱动器82、84之间的压力、扭矩和速度差。图6所示为在差速模式下表示液压驱动回路82、84的各自速度，即轴96、98的转速的控制图的一个实例。曲线96a、96b表示马达输出轴96的转速，曲线98a、98b表示马达输出轴98的转速，曲线112a、112b表示差速器输出轴112的转速。转速曲线112a是转速曲线96a和98a的合成，转速曲线112b是转速曲线96b和98b的合成。当在本实施例中通过调节马达输出轴96(见图5)的转速96a(96b)来控制输出轴112(见图5)的转速112a(112b)时，马达输出轴98(见图5)的转速98a(98b)基本保持恒定。在图6所示的控制图中，不管负载(图1中的12)的运动方向如何，马达输出轴96和98(见图5)都以相同方向旋转。
图7所示为本发明还一实施例的液压传动系统的线路图。本实施例中，该液压传动系统包括一闭环液压驱动回路122和一开环液压驱动回路124。闭环液压驱动回路122包括一液压泵126和一液压马达128。该闭环液压驱动回路122与前述闭环液压驱动回路14、16(见图2)类似。开环液压驱动回路124包括液压泵130、单向阀132-138、控制阀140和可变流量限制器142，该液压泵130优选是一个固定排量泵，但也可以是变排量泵。单向阀132和134使流体能从储液池144流向液压泵130的有效进口孔，但是使流体不能从泵130的有效排出孔流回储液池144，而不管泵130的旋转方向如何。单向阀136和138使流体能从液压泵130流向管道145。尽管图中表示了各个阀132和134，但是这些阀可以由能使液压泵130的进口孔交替与储液池144相连的三通阀取代。管道145使流体从液压泵130的有效排出孔流向控制阀140。当控制阀140打开时，流体能够从液压泵130泵送到流体限制器142。该流体限制器142能够调节以控制流体流过控制阀140的流量。
泵130的驱动轴148与差速器143的一个输出端相连，该差速器143可以与差速器100(见图5)类似，并且将液压马达128的输出轴146与液压泵130的输入轴148相连。液压泵130可以是固定排量泵，例如液压齿轮泵，尽管它也可以采用变排量泵。马达输出轴146的旋转运动驱动差速器143的其它输入端。当阀140关闭时，泵130不能旋转。轴146的旋转将转换成差速器输出轴150的比例转速。当阀140打开时，当负载施加到差速器输出轴150上和其它差速器输入端(轴146)由马达128驱动旋转时，泵将旋转。因为泵130通过可变限制器142排出，因此，泵130的转速将部分通过设定限制器142确定。泵130的旋转提供了差速器143的输入端之间的速度“补偿”量。即使在马达122能在其最小稳定转速之上工作，该速度补偿能够提供非常低或零的差速器143输出转速。根据施加在差速器输出端上的负载和马达128的优选工作转速，对可变限制器142的设定可以选择提供合适的“补偿”程度。当并需要对速度精确控制时，如前所述，阀140可以关闭。
图8是表示在差速模式下液压驱动回路122、124的速度即输入轴146、148的转速的控制图。曲线146a、146b表示轴146(见图7)的转速，曲线148a、148b表示轴148(见图7)的转速，曲线150a、150b表示差速器输出轴150(见图7)的转速。转速曲线150a是转速曲线146a和148a的合成，转速曲线150b是转速曲线146b和148b的合成。轴148(见图7)的转速148a(148b)基本保持恒定，同时调节轴146(见图7)的转速146a(146b)以控制差速器输出轴150(见图7)的转速150a(150b)。根据图8所示的控制图，轴146和148(见图7)反向旋转，而不管负载(图1中的12)的运动方向如何。
总的来说，本发明的目的是对差速器的输入端施加选定的速度和选定的旋转方向，并与差速器的输出端相连以驱动旋转件。该结构将使液压传动系统的马达或泵在它们的最小稳定速度之上工作，同时能在非常小的转速，甚至包括零的情况下对旋转件的旋转精确控制。上面介绍了多个实施例，但是本领域技术人员通过该公开的内容可以知道，在不脱离本发明的精神的情况下，可以设计出其它的实施方式。因此，本发明的范围仅能由附加的权利要求限定。

Claims (17)

1.一种用于向旋转件施加扭矩的液压传动系统，包括：
一差速器，该差速器有一个可旋转地与旋转件相连的输出端；
一第一液压驱动器，该第一液压驱动器可旋转地与差速器的第一输入端相连；
一第二液压驱动器，该第二液压驱动器可旋转地与差速器的第二输入端相连；以及
一控制单元，该控制单元使得第一和第二液压驱动器各自以选定的速度和选定的方向旋转，差速器的输出转速和方向与液压驱动器的转速和方向的代数和有关。
2.根据权利要求1所述的液压传动系统，其中：该第一液压驱动器包括一闭环液压驱动器。
3.根据权利要求2所述的液压传动系统，其中：该第二液压驱动器包括一闭环液压驱动器。
4.根据权利要求3所述的液压传动系统，其中：第一液压驱动器包括一个与一第一马达液压连接(hydraulically couple)的第一泵，第二液压驱动器包括一个与一第二马达液压连接的第二泵。
5.根据权利要求4所述的液压传动系统，其中：该第一泵和第二泵包括变排量泵。
6.根据权利要求5所述的液压传动系统，还包括：一个用于控制流体从泵输送到各相连马达的容积流量的装置。
7.根据权利要求2所述的液压传动系统，其中：该第二液压驱动器包括一开环液压驱动器。
8.根据权利要求7所述的液压传动系统，其中：该第一液压驱动器包括一个与一第一马达液压连接的第一泵。
9.根据权利要求8所述的液压传动系统，其中：该第二液压驱动器包括一个通过方向控制阀与一第二马达液压连接的第二泵。
10.根据权利要求8所述的液压传动系统，其中：该第二液压驱动器包括一个通过阀与一流体储液池液压连接的第二泵，该第二泵可旋转地与一差速器的第二输入端相连。
11.根据权利要求10所述的液压传动系统，其中：该第二液压驱动器还包括一个将流体从泵中送出的管道和一个可选择地使流体流过该管道的控制阀。
12.根据权利要求11所述的液压传动系统，还包括：一个流体限制器用于调节通过该管道的流体流量。
13.一种用于驱动旋转件的方法，包括：
控制一第一液压驱动器，以便使它在第一选定方向以第一选定转速输出；
控制一第二液压驱动器，以便使它在第二选定方向以第二选定转速输出；该第一和第二液压驱动器的输出端与差速器的各输入端相连，该第一和第二选定转速和方向这样选定，即，使差速器的输出端驱动旋转件以第三选定速度和方向旋转。
14.根据权利要求13所述的方法，其中：在第一模式下，第一选定方向和第二选定方向相同，在第二模式下，第一选定方向与第二选定方向相反。
15.根据权利要求13所述的方法，其中：第一和第二液压驱动器中的一个的速度保持恒定，而另一个进行调节以控制旋转件的转速。
16.根据权利要求15的方法，其中：对于各第一和第二液压驱动器，第一和第二选定转速处于最小稳定转速极限值之上。
17.根据权利要求13所述的方法，其中：该旋转件包括一绞车，该绞车上缠绕有测井绳缆，其中，驱动旋转件将产生下面三种可选情况中的一种：在相应选定第三方向时放出测井绳缆；在相应选定第三方向时将测井绳缆从钻井中收回；以及保持该测井绳缆的伸出。
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