一種液壓電纜收放運(yùn)專用車的研制

宋艷春

關(guān)鍵詞：電泵井 動(dòng)力排纜 液壓電纜絞車

1前言

目前，潛油電泵、電潛柱塞泵等采油技術(shù)在國(guó)內(nèi)外油田廣泛應(yīng)用。潛油電泵井、電潛柱塞泵井維修作業(yè)時(shí).電纜要隨管柱提升或下放。早期采用人工絞盤.后來(lái)逐漸升級(jí)為電動(dòng)絞盤和液壓絞盤。不論電動(dòng)絞盤還是液壓絞盤經(jīng)常出現(xiàn)收放電纜不及時(shí)，造成電纜在井口堆積而卡阻管柱，造成大修井作業(yè)。另外，隨著電纜容量的增加，絞盤啟動(dòng)和停止過(guò)程控制不平穩(wěn)，耗時(shí)耗力，需要2～3人配合。

另外，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)需要吊車的配合，電纜絞盤吊上吊下操作頻繁。存在嚴(yán)重的安全隱患和設(shè)備的資源浪費(fèi)。綜上所述，對(duì)于電泵井維修作業(yè).從降低油耗、提高工效、安全生產(chǎn)的角度，研制可以實(shí)現(xiàn)收、放、運(yùn)輸電纜和電泵機(jī)組功能于一體的液壓電纜絞車意義重大。

2產(chǎn)品設(shè)計(jì)

2.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)力電纜收放運(yùn)專用車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要從目前現(xiàn)場(chǎng)電泵井維修專用轎車技術(shù)存在的難點(diǎn)問(wèn)題入手。首先，電纜滾筒作為獨(dú)立的設(shè)備，使用時(shí)需要卡車運(yùn)輸和吊車配合。電纜滾筒吊上吊下操作頻繁，存在人工和設(shè)備資源浪費(fèi)以及嚴(yán)重的安全隱患;其次，作業(yè)時(shí)沒(méi)有自動(dòng)排纜裝置，電纜排列不規(guī)范，不僅人工的勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且人工收電纜容易造成電纜損壞：作業(yè)時(shí)動(dòng)力電纜與油管的提升和下降不同步，容易出現(xiàn)電纜拉斷或打結(jié)現(xiàn)象，因此，產(chǎn)生不必要的大修作業(yè);最后，電纜絞盤規(guī)格型號(hào)較多，一種型號(hào)的電纜絞車無(wú)法滿足多種型號(hào)電纜絞盤的安裝需要。隨著電纜容納量的增加，絞盤啟動(dòng)和停止過(guò)程控制不平穩(wěn)，耗費(fèi)人力較多，需要2～3人配合。

研制動(dòng)力電纜收放運(yùn)專用車，能提高作業(yè)效率，減少作業(yè)人員數(shù)量，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，最終形成能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用各種規(guī)格電纜滾筒的安裝.并同時(shí)配備兩口井維修用的電纜滾筒及電泵機(jī)組.使一次出工可以完成兩口井的檢泵作業(yè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排纜，進(jìn)而提高作業(yè)效率，降低作業(yè)成本。

圖1為總體設(shè)計(jì)方案，圖2為整車虛擬三維建模圖。

2.2動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在汽車變速箱取力口端口上設(shè)計(jì)安裝兩個(gè)取力器。其中一個(gè)取力器用于將汽車動(dòng)力取力傳遞給液壓折臂吊裝系統(tǒng)，另一個(gè)取力器將動(dòng)力傳遞給電纜滾筒的液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電纜的提升和下放。作業(yè)滾筒的提升和下放采用比例多路閥控制，操作手柄帶有手動(dòng)摩擦定位，液壓系統(tǒng)具有過(guò)載保護(hù)功能，防止電纜拉斷，且具備一定的電纜跟隨能力。動(dòng)力系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

2.3二類底盤選型

車輛底盤采用某品牌6x4底盤，軸距4375mm+1400mm，在滿足作業(yè)用電纜絞盤的安裝同時(shí)，仍然可以滿足兩臺(tái)電泵機(jī)組和兩盤新電纜絞盤的拉運(yùn)同時(shí)，出工一次可以進(jìn)行兩口井的維修作業(yè)。液壓系統(tǒng)動(dòng)力來(lái)自于底盤變速箱，采用的車輛底盤變速箱型號(hào)為9JS135。該變速箱有兩個(gè)取力口，一路取力用于液壓折臂吊的安裝，另一路取力用于絞車滾筒的驅(qū)動(dòng)。絞車滾筒、可調(diào)滾筒固定裝置的伸縮油缸以及排纜機(jī)構(gòu)擺動(dòng)油缸等驅(qū)動(dòng).主要通過(guò)開(kāi)式液壓系統(tǒng)中的多路閥組.將動(dòng)力油分別輸送給滾筒馬達(dá)、伸縮油缸和擺動(dòng)油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.4剮車架設(shè)計(jì)

副車架的設(shè)計(jì)直接決定整個(gè)動(dòng)力電纜收放運(yùn)專用車的可靠性。有限元的基本思想是將物體結(jié)構(gòu)化并離散成有限個(gè)獨(dú)立單元，每一個(gè)單元中又設(shè)定了有限節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)值場(chǎng)函數(shù)就是基本未知量.進(jìn)而用假設(shè)的近似插值函數(shù)來(lái)表達(dá)場(chǎng)函數(shù)的分布規(guī)律：有限元的過(guò)程就是將連續(xù)域中的無(wú)限自由度問(wèn)題化為離散域中的有限自由度問(wèn)題，所以可以通過(guò)Solidworks Simulation分析模塊對(duì)動(dòng)力電纜收放運(yùn)專用車副車架進(jìn)行有限元分析，從而驗(yàn)證副車架的材料設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。

動(dòng)力電纜收放運(yùn)專用車副車架的分析采用三維建模軟件Solidworks，完成副車架的虛擬三維建模如圖4所示，直接運(yùn)行Solidworks Simulation模塊進(jìn)行彈性靜應(yīng)力分析。其中Solidworks Simulation的結(jié)構(gòu)分析過(guò)程包括預(yù)處理、求解和結(jié)果分析等.具體過(guò)程為建模、定義材料屬性、網(wǎng)格的劃分、求解和結(jié)果處理過(guò)程。

2.4.1副車架設(shè)計(jì)

副車架是動(dòng)力電纜收放運(yùn)專用車的主要受力部件.副車架上要安裝兩組備用電纜及滾筒、工作滾筒電纜以及排纜設(shè)備等。在實(shí)際的作業(yè)運(yùn)行過(guò)程中。副車架不僅要滿足承受靜、動(dòng)載荷的要求。又要滿足相關(guān)機(jī)組設(shè)備的安裝與連接要求.同時(shí)還得提供必要的操作空間。副車架承受來(lái)自兩組備用電纜及滾筒、工作滾筒電纜以及排纜設(shè)備的重力，并且考慮運(yùn)輸過(guò)程中的振動(dòng)等問(wèn)題，副車架在材質(zhì)與加工工藝上還要滿足使用要求。其中兩組備用電纜及滾筒座在副車架前端的三個(gè)預(yù)埋板上（平均分布）.預(yù)埋板下設(shè)計(jì)有鋪板，這種設(shè)計(jì)可以將承受的重力平均到主體框架上，使受力更加均勻，同理工作滾筒電纜及排纜設(shè)備下都設(shè)有預(yù)埋板.預(yù)埋板下都設(shè)計(jì)有鋪板。副車架主體材質(zhì)選用Q235B材質(zhì)的24a槽鋼以及板材與管材進(jìn)行焊接而成。

2.4.2副車架承重受力計(jì)算

針對(duì)大慶油田常用電纜型號(hào)為OYPN3.3×16（20）/90的三芯鎧皮鋁電纜，其中帶鎧皮寬39mm，帶鎧皮厚15mm，單芯三層皮12.20mm，單芯二層皮12.00mm，單芯一層皮11.92mm.單鋁芯5.70mm.這種電纜的重量參數(shù)為2.6t/km，以動(dòng)力電纜收放運(yùn)專用車的收放電纜的適用設(shè)計(jì)范圍2km計(jì)算。

副車架各主要受力如下：

a.副車架前端配有兩個(gè)備用滾筒，滿載電纜時(shí)車架所承受的重力為：其中，G為承受重力，單位為N;p為每千米噸數(shù)，單位為t/km;M為電纜千米數(shù)，單位為km;g為重力加速度，取10N/kg;n為滾筒數(shù)量。

b.副車架中段部分安裝有一個(gè)工作滾筒，作業(yè)時(shí)車架所承受的重力為：

G=pMgnxl 000=2.6x2x10x1000=52000N=52kN式中，G為承受重力，單位為N;p為每千米噸數(shù)，單位為t/km;M為電纜長(zhǎng)度，單位為km;g為重力加速度，取10N/kg;n為滾筒數(shù)量.

c.副車架尾端排纜設(shè)備處所承受的重力為：

2.4.3剮車架有限元分析預(yù)處理

在完成副車架的建模后。新建solidworksSimulation新算例，建立有限元模型，對(duì)副車架進(jìn)行約束、加載和劃分網(wǎng)格等操作。設(shè)定Q235B材料屬性（見(jiàn)表1）。

副車架在靜止、運(yùn)輸、運(yùn)行狀態(tài)的都是承受重力.所以設(shè)定Solidworks Simulation為靜應(yīng)力分析，并進(jìn)一步設(shè)定夾具位置.固定方式選擇副車架與主車架的接觸部位.從而對(duì)副車架進(jìn)行網(wǎng)格劃分.劃分結(jié)果、節(jié)點(diǎn)數(shù)、單元數(shù)及解算器信息處理。根據(jù)2.4.2副車架承受力計(jì)算：車架前端承受重力為104kN;副車架中段承受重力為52 kN;副車架后端承受重力為5.5kNo所有的重力都平均分布。SolidworksSimulation外部載荷力為分布在預(yù)埋板與鋪板上.采用有限元分析FFEplus算法以及P-自適應(yīng)方法調(diào)整對(duì)底架進(jìn)行求解.副車架網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖5。

2.4.4結(jié)構(gòu)有限元分析驗(yàn)證

副車架有限元分析預(yù)處理完成后.求解得到米塞思應(yīng)力云圖（變形圖），定義變形比例為真實(shí)比例，從而得到副車架的網(wǎng)格劃分圖、應(yīng)力圖、位移圖、安全系數(shù)圖。見(jiàn)圖6～圖8。

2.4.5有限元分析結(jié)果

副車架有限元分析預(yù)處理完成后，求解得到米塞思應(yīng)力云圖（變形圖），定義變形比例為放大真實(shí)比例。由副車架位移圖可以看到，副車架最大位移發(fā)生在前端兩組備用滾筒及電纜處，此處的承受重力最大，但最大位移量也很小，副車架在此處的最大變形量?jī)H有0.553mm，幾乎不變形。

由副車架應(yīng)力圖可以看到最大應(yīng)力也發(fā)生在前端兩組備用滾筒及電纜處。有限元分析得到最大應(yīng)力為71.7MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q235B的屈服極限值235MPa，從圖中可以看到安全系數(shù)非常高，因此副車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可靠、安全的。

2.5折臂吊機(jī)選型

折臂吊機(jī)通過(guò)液壓舉升及伸縮系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)工作滾筒的更換以及全新電纜滾筒的的升降、回轉(zhuǎn)、吊裝。動(dòng)力電纜收放運(yùn)專用車的整體長(zhǎng)度在6000mm內(nèi)，而折臂吊機(jī)的起吊距離在7450mm之內(nèi)，所以隨車起重機(jī)滿足其設(shè)計(jì)要求。

吊機(jī)性能參數(shù)如表2所示。

單個(gè)2000m電纜滾筒的自重為2600kg，而滾筒吊裝距離在6m之內(nèi)，從吊機(jī)性能參數(shù)表中以看到，吊裝距離為6060mm時(shí)，起吊的重量為3270kg，所以隨車起重機(jī)SQ10DQZA3性能滿足設(shè)備需求。

2.6備用滾筒固定裝置

備用滾筒固定裝置由排纜導(dǎo)管和輪緣固定裝置等組成的一個(gè)金屬構(gòu)架。構(gòu)架用螺栓固定在整車副車架上，可以根據(jù)電纜滾筒直徑的大小進(jìn)行調(diào)整。也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電纜滾筒使用情況.針對(duì)不同的寬度進(jìn)行調(diào)整。備用滾筒固定裝置整體固定方便可靠.既可以防止備用滾筒左右移動(dòng)，也可以防止備用滾筒前后移動(dòng)。

2.7滾筒可伸縮固定裝置

滾筒可伸縮固定裝置.采用液壓驅(qū)動(dòng)。利用液壓油缸來(lái)執(zhí)行伸縮動(dòng)作，簡(jiǎn)單可靠。當(dāng)伸縮到位后，設(shè)計(jì)有鎖緊裝置，防止?jié)L筒固定松動(dòng)。電泵電纜絞盤根據(jù)油井深度不同需要配備不同的電纜絞盤，滾筒固定裝置具備適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的各種電纜絞盤的安裝，才能保證電泵井的檢修作業(yè)。根據(jù)這個(gè)要求，固定架有伸縮功能，同時(shí)，拆卸和安裝電纜絞盤要控制方便.安全可靠。

a.活動(dòng)滾筒架可以在管架上左右滾動(dòng)。根據(jù)滾筒寬度調(diào)節(jié)位置：

b.移動(dòng)時(shí)由液壓油缸伸縮實(shí)現(xiàn)滾筒固定裝置的左右移動(dòng);

c.活動(dòng)滾筒架的鎖緊裝置，采用兩個(gè)凸輪手柄推動(dòng)加緊塊對(duì)管架實(shí)現(xiàn)機(jī)械夾緊鎖定。

2.8排纜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)用的電纜絞盤在起下電纜過(guò)程中.采用手動(dòng)盤電纜，需要2-3人配合，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且電纜排放不夠整齊。人工收電纜易造成電纜損壞，如果電纜收盤不及時(shí)，電纜由于自重下移.即電纜與油管上行不同步，電纜在受井筒摩擦的作用而下行，電纜的上行速度小于油管的上行速度，造成電纜在井筒或井口內(nèi)堆積，輕則造成電纜損壞，重則電纜不上行，管柱被電纜卡死在井內(nèi)無(wú)法提出，導(dǎo)致上大修作業(yè)，通過(guò)維護(hù)性作業(yè)難以恢復(fù)正常生產(chǎn)。下放管柱和電纜時(shí)，速度控制不好，易造成電纜在管柱上的過(guò)度松弛，造成電纜磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電纜打結(jié)，導(dǎo)致不必要的大修作業(yè)，增加費(fèi)用投入。嚴(yán)重影響電潛泵井工作效率和原油產(chǎn)量。本裝置采用液壓排纜。解決人力手動(dòng)排纜不整齊的問(wèn)題，并且一個(gè)人操作，控制方便。

動(dòng)力排纜收放運(yùn)專用車的排纜結(jié)構(gòu)要適應(yīng)電纜規(guī)格的變化。常用矩形截面扁電纜規(guī)格本別是14mmx37mm、15mmx40mm、17mmx44mm，18mmx47mm;常用圓形截面電纜直徑分別為33mm、35mm、37mm、39mmo

電纜穿越空間要容納上面8種規(guī)格的電纜中尺寸規(guī)格最大的一種，寬度和高度都不能低于50mm，并可以利用兩位三通液壓手柄控制閥的H型中位功能.解決自動(dòng)排纜的問(wèn)題。

2.9液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括液壓泵、低速大扭矩馬達(dá)、手動(dòng)摩擦定位換向閥節(jié)流閥、溢流閥、單向閥、液壓油箱、液壓油過(guò)濾器、液壓膠管等多個(gè)零部件組成。

液壓泵通過(guò)手動(dòng)摩擦定位的多路換向閥來(lái)驅(qū)動(dòng)低速大扭矩馬達(dá)實(shí)現(xiàn)電纜滾筒的提升和下放。多路閥處于中位狀態(tài).低速大扭矩馬達(dá)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能電纜滾筒停止轉(zhuǎn)動(dòng)。本裝置增加了液壓卸荷回路.保證電纜提升時(shí)達(dá)到一定拉力后液壓系統(tǒng)自動(dòng)卸荷，設(shè)定壓力保護(hù)功能。以免因?yàn)槟承┮馔馇闆r拉斷電纜.造成不必要的損失和維修作業(yè)。

液壓系統(tǒng)控制原理如下：

a.液壓油從換向閥P口到A口進(jìn)入液壓馬達(dá)，電纜處于下放狀態(tài);液壓油從換向閥P口到B口進(jìn)入液壓馬達(dá)，電纜處于提升狀態(tài);換向閥中位剎車。

b.恒張力閥塊上面設(shè)計(jì)安裝溢流閥，可調(diào)定電纜提升的恒張力值。

c.油管下放狀態(tài)，電纜跟隨被動(dòng)下放，當(dāng)張力超過(guò)恒張力值時(shí).液壓系統(tǒng)液壓油從馬達(dá)高壓腔卸荷進(jìn)入馬達(dá)低壓腔，跟隨下放。

d.油管上提狀態(tài)時(shí)，電纜主動(dòng)上提，當(dāng)電纜拉著油管超過(guò)張力設(shè)定值時(shí)，液壓油卸荷，馬達(dá)停止上提。

液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算如下：

液壓馬達(dá)的選型計(jì)算。已知條件：為了實(shí)現(xiàn)電纜的同步跟隨，電纜拉力設(shè)置不能太大，設(shè)定為F=5000N滾筒直徑按照D=1500mm計(jì)算，根據(jù)公式：

因此，馬達(dá)的扭矩參數(shù)不能小于3750N.m，在該項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，我們按照拉力安全系統(tǒng)1.35計(jì)算，馬達(dá)的實(shí)際扭矩參數(shù)應(yīng)為5000N.mo根據(jù)扭矩T=5000N.m.選擇某公司的XSM2-630D47+F60101S型馬達(dá)。其具體參數(shù)如下：扭矩T=5000N.m;輸出轉(zhuǎn)速0-16r/min;總排量3436.5ml/rev;額定壓力16MPa;推薦泵的供油量48L/min;制動(dòng)器開(kāi)啟壓力2.2-2.5MPa;制動(dòng)器最大耐壓25MPao

液壓泵的設(shè)計(jì)選型。考慮到液壓系統(tǒng)的效率.液壓泵可以選擇某公司的CBN-E463型齒輪泵。具體參數(shù)如下：公稱排量為63mL/rev;額定壓力12.5MPa;最高壓力16MPa;額定轉(zhuǎn)速1500r/min;最高轉(zhuǎn)速2000r/min;最低轉(zhuǎn)速800r/min;總效率≥81%;功率23.83kW。

2.10主要技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

a.滾筒規(guī)格：適用于2000m以內(nèi)井深作業(yè);

b.液壓系統(tǒng)額定工作壓力：16MPa;

c.最大拉力：50000N;

d.滾筒轉(zhuǎn)速：10～16r/min可調(diào)：

e.隨車吊額定載荷：10000kg。

3關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

3.1修井作業(yè)中液壓排纜方式

動(dòng)力電纜收放運(yùn)專用車實(shí)現(xiàn)了低速大噸位的排纜轉(zhuǎn)動(dòng)，能很方便地進(jìn)行大范圍的無(wú)級(jí)調(diào)速，且可在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中調(diào)速。修井排纜過(guò)程中，液壓油缸的運(yùn)動(dòng)均勻穩(wěn)定，排纜機(jī)構(gòu)換向無(wú)換向沖擊，可頻繁換向。操作簡(jiǎn)單，調(diào)整控制方便，實(shí)現(xiàn)了電纜過(guò)載保護(hù).使用安全、可靠。

3.2可伸縮滾筒架偏心凸輪快速縮進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

滾筒可伸縮固定裝置，采用液壓驅(qū)動(dòng)，利用液壓油缸來(lái)執(zhí)行伸縮動(dòng)作.簡(jiǎn)單可靠。當(dāng)安裝滾筒伸縮到位后，設(shè)計(jì)有偏心凸輪鎖緊裝置，防止?jié)L筒固定松動(dòng)。伸縮動(dòng)作可以根據(jù)油井深度配備相應(yīng)的電纜絞盤，滾筒固定裝置具備適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的各種電纜絞盤的安裝.保證電泵井的檢修作業(yè)。

3.3恒張力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

利用液壓系統(tǒng)的張力識(shí)別，保證了電纜與管柱的速度相對(duì)同步，減少了作業(yè)過(guò)程中電纜拉斷或打結(jié)的幾率，降低作業(yè)成本。液壓油從換向閥P口到A口進(jìn)入液壓馬達(dá)，電纜處于下放狀態(tài);液壓油從換向閥P口到B口進(jìn)入液壓馬達(dá)，電纜處于提升狀態(tài);換向閥中位剎車。恒張力閥塊上面設(shè)計(jì)安裝溢流閥.可調(diào)定電纜提升的恒張力值。油管下放狀態(tài)，電纜跟隨被動(dòng)下放，當(dāng)張力超過(guò)恒張力值時(shí)，液壓系統(tǒng)液壓油從馬達(dá)高壓腔卸荷進(jìn)入馬達(dá)低壓腔.跟隨下放。油管上提狀態(tài)時(shí)，電纜主動(dòng)上提，當(dāng)電纜拉著油管超過(guò)張力設(shè)定值時(shí)，液壓油卸荷，馬達(dá)停止上提。

4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

電纜收放運(yùn)專用車在大慶油田第八采油廠完成10口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況看，應(yīng)用效果良好，主要體現(xiàn)在：采用自動(dòng)跟隨模式進(jìn)行電纜提升和下放比較順暢，電纜沒(méi)有發(fā)生拉斷或打結(jié)現(xiàn)象;實(shí)現(xiàn)了一人操作完成絞車滾筒和排纜作業(yè)，比在用設(shè)備節(jié)省1～2人;平均作業(yè)效率提高了30%.修井作業(yè)時(shí)間從12h左右縮短到8h左右。表3為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用情況。

5結(jié)語(yǔ)

電纜收放運(yùn)專用車研制達(dá)到了立項(xiàng)之初的技術(shù)指標(biāo)，提高了電泵井作業(yè)效率約30%，實(shí)現(xiàn)了減員1～2人，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)電纜與油管的提升和下放的同步跟隨，從設(shè)備保障方面減少了電泵井大修作業(yè)的幾率和風(fēng)險(xiǎn)。另外解決了不同容量、不同規(guī)格滾筒的兼容性問(wèn)題.具備快速鎖緊機(jī)構(gòu)，操作方便，保證施工作業(yè)安全可靠。