繩索卷揚自動排繩裝置的設(shè)計與研究

段春梅，劉文杰，王冰

（連云港黃海機械股份有限公司，江蘇 連云港 222062）

0 前言

在全液壓及普通巖心鉆機上的繩索取心卷揚中均需要通過卷筒用鋼絲繩下放取芯裝置，起升井下巖心。其他在油田使用的采油車、撈沙車、盤管車、測井車等自帶卷筒的油田特種作業(yè)設(shè)備，均需在作業(yè)時鋼絲繩、電纜、液壓膠管、油管等能整齊有序的排列在卷筒上，卷筒的容繩量通常為幾百到上千米（此例中卷筒容繩量為2500m），普通自然排繩會將鋼絲繩堆積在卷筒的中部，不能充分利用整個卷筒的纏繩空間，同時還會造成鋼絲繩纏繞不均，松緊不均，被壓扁、折曲成角等現(xiàn)象，這樣會使得鋼絲繩壽命縮短，并影響鉆機的正常作業(yè)。為此，需要設(shè)計一種自動排繩裝置，以實現(xiàn)鋼絲繩能逐層地纏繞在卷筒上，充分利用卷筒空間，并順利完成各種作業(yè)。

1 自動排繩裝置的結(jié)構(gòu)及原理

繩索卷揚在運轉(zhuǎn)時鋼絲繩在卷筒上纏滿一層后開始下一層纏繞時必須換向，而卷筒自由纏繞不能滿足這個條件。因此就必須在卷筒固定架上增加一個自動排繩裝置，從而使鋼絲繩能夠整齊有序的纏在卷筒上。

自動排繩裝置主要由支架、導向光桿、往復絲桿、導向套、導向滑塊和鏈條傳動機構(gòu)組成（圖1）。

自動排繩裝置的工作原理是在卷揚卷筒旋轉(zhuǎn)時通過鏈條傳動機構(gòu)帶動往復絲桿轉(zhuǎn)動，月牙導向滑塊在往復絲桿的雙向螺旋槽內(nèi)連續(xù)運動。帶動導向套在導向光桿上左右移動，鋼絲繩出繩通過導向套，從而實現(xiàn)鋼絲繩的左右移動。導向套移動的距離與卷筒內(nèi)開檔的距離應(yīng)一致。

圖1 機構(gòu)示意圖

2 往復絲桿的結(jié)構(gòu)形式

往復絲桿是此排繩裝置的主要組成部分，它是一個具有左右螺旋的螺桿，螺旋溝槽截面為矩形（圖2）。

圖2 往復絲桿

其兩端換向處采用圓弧曲線過渡，普通螺桿兩末端換向處為尖角，當導向滑塊通過此次換向時會被內(nèi)側(cè)的尖角阻礙，出現(xiàn)剛性沖擊，嚴重時導致滑塊被卡死、甚至破壞滑塊、導向套和往復絲桿。在現(xiàn)場實際作業(yè)時，采用圓弧過渡能避免上述問題，還能達到自動換向的目的。過渡圓弧的大小由滑塊側(cè)面船形圓弧確定，為確?；瑝K換向時流暢，絲桿換向圓弧要比滑塊側(cè)圓弧大5～8mm。衡量絲桿加工質(zhì)量的主要依據(jù)是滑塊在末端換向時是否有沖擊。此外為了保證絲桿在工作時穩(wěn)定可靠，壓力角的大小也是非常重要的，溝槽曲線與往復絲桿圓柱表面曲線的夾角不應(yīng)該過小，其大小與絲桿的直徑有關(guān)，而直徑由允許壓力角的大小決定，一般壓力角的最大值為45°。

3 導向滑塊的結(jié)構(gòu)形式

導向滑塊是在往復絲桿的螺旋溝槽中左右游動的月牙形滑塊，其尺寸與往復絲桿溝槽與直徑大小有關(guān)（圖3），導向滑塊兩側(cè)呈船形，底部為月牙形。

圖3 導向滑塊

導向滑塊底部的圓弧R與往復絲杠螺旋槽底部直徑的一半相等，h＝R，如底部圓弧想要與絲桿螺旋槽底部更好的配合，可將滑塊按圖示分別順時針、逆時針旋轉(zhuǎn)α后加工出圓弧R。其中角度α為往復絲桿的螺旋升角；

式中：t—往復絲桿的螺距，mm；

D—往復絲桿的螺旋中徑，mm。

滑塊在往復絲桿上往復運動時，在運動到雙向螺旋槽的交叉點時，如果導向滑塊的長度Ld的設(shè)計不合理，其會轉(zhuǎn)入與其運動軌跡反向的螺旋槽中，也會使得鋼絲繩無序排列。因此導向滑塊長度Ld須由絲桿交叉點的溝槽尺寸來確定，由上圖2可看出只要滑塊長度Ld大于絲桿交叉點溝槽中對角線較大的長者L，滑塊就可順利的通過每個交叉點，導向滑塊長度Ld＝L＋（4～6）mm。

導向滑塊寬度B由絲桿螺旋槽寬度確定其值比溝槽寬度略小0.15～0.3mm，導向滑塊兩側(cè)圓弧：

上式中，注意Rd應(yīng)大于溝槽換向處外壁曲線的曲率半徑，否則滑塊將無法運行。

由于滑塊一直在絲桿上往復運動并有可能會受到一定的沖擊，因此其加工材質(zhì)應(yīng)具有好的耐磨性、強度及韌性，一般選用碳鋼和錫青銅合金，如選用碳鋼時不要與往復絲桿選用同一種材質(zhì)，其熱處理硬度也應(yīng)比絲桿的低。

4 鏈傳動機構(gòu)

為保證往復絲桿與卷揚卷筒運轉(zhuǎn)同步，自動排繩裝置設(shè)置了采用鏈傳動方式的同步傳動機構(gòu)，及卷揚卷筒驅(qū)動往復絲桿的機構(gòu)又稱同步機構(gòu)，此機構(gòu)能使得鋼絲繩在卷筒上纏繞完一層后，滑塊正好運動到絲桿換向處從而帶動鋼絲繩向卷筒另一側(cè)運動，使得滑塊與鋼絲繩在卷筒上的纏繞保持同步。如上圖1所示，在卷筒和往復絲桿上分別裝有鏈輪，其傳動比由鋼絲繩直徑?jīng)Q定，計算式如下：

式中：n1—卷筒纏繞鋼絲繩的總?cè)?shù)；

n2—往復絲桿螺旋的總?cè)?shù)；

L0—卷筒開檔尺寸，mm；

d0—鋼絲繩的直徑，mm；

Δ—壓扁系數(shù)（0～2），mm。

通過傳動比i，當鋼絲繩在卷筒上纏滿一層時，絲桿上的導向滑塊正好運動到換向點，當卷筒開始下一層纏繞時導向滑塊也正好開始向卷筒的另一端運動，從而實現(xiàn)自動換向的要求。

5 結(jié)論

通過現(xiàn)場使用后證實此自動排繩機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，易于維護并不需要其他的額外驅(qū)動力等特點，有效地減少了卷揚在運轉(zhuǎn)中鋼絲繩的磨損，斷繩及傷人事故，消除了安全隱患，提高了鋼絲繩的使用壽命和鉆機的工作效率。

［1］成大先.機械設(shè)計手冊（第五版 第2卷）［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2008.

［2］成大先.機械設(shè)計手冊（第五版 第3卷）［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2008.

［3］吳娟，等.液壓排繩裝置的設(shè)計［J］.煤礦機械，2003（7）.