機械式游車防碰裝置在車裝修井機上的應(yīng)用

摘要：油田車載式修井機的絞車系統(tǒng)一般安裝有電子防碰裝置和過卷防碰裝置，用來防止當(dāng)大鉤提升重物上升到某位置，由于操作失誤或其他原因，應(yīng)該工作制動而未實施制動時，游車大鉤碰撞天車的事故。文章對機械式游車防碰裝置在車裝修井機上的應(yīng)用進行了探討。

關(guān)鍵詞：游車防碰裝置；絞車系統(tǒng)；主滾筒；機械式；車裝修井機 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TE922 文章編號：1009-2374（2016）14-0157-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.079

隨著時代的發(fā)展，油田安全管理要求的提高，油田單位對油田現(xiàn)場作業(yè)安全提出了更高的要求，用戶要求設(shè)備在某些時候能夠保證即使是在工人自身操作失誤時，也能夠通過已有的安全保障裝置來保障現(xiàn)場人員的人身安全，在油田現(xiàn)場作業(yè)中安全永遠是放在第一位的。

車裝修井機是油田現(xiàn)場常見的修井作業(yè)設(shè)備，由于其能夠自走的特征，具有移運性強等特點，在油田現(xiàn)場應(yīng)用廣泛。而起升系統(tǒng)作為車裝修井機的核心，它包括絞車系統(tǒng)、游動系統(tǒng)、井架。游動系統(tǒng)是位于井架頂部的天車定滑輪組和在井架內(nèi)部上下做往復(fù)運動的動滑輪組通過鋼絲繩聯(lián)系起來組成的復(fù)滑輪系統(tǒng)，其帶動的大鉤可以承擔(dān)大于絞車快繩拉力幾倍的負荷。游動系統(tǒng)依靠絞車的動力和井架的支撐工作。作為修井機的核心，起升系統(tǒng)的安全性也是修井機作業(yè)安全的重要組成部分，如果游車大鉤失控撞向天車或者撞向鉆臺面，其帶來的后果將不堪設(shè)想。因此修井機在作業(yè)時，游車大鉤在天車和鉆臺面間上下往復(fù)運動，考慮到鉆臺面上人員和設(shè)備的安全性，油田用戶已經(jīng)不再僅滿足可以防止游車大鉤碰撞天車，也需要游車大鉤下行時不失控撞向鉆臺，對鉆臺面上施工人員的人身安全造成威脅。針對越來越多的用戶提出的這方面要求，我們設(shè)計了一種既能防止游車大鉤上行時碰撞天車，又能防止其在下行過程中碰撞鉆臺的防碰裝置的理念。

1 機械式游車防碰裝置的設(shè)計理念

在常規(guī)的修井機上，主滾筒上方安裝有過卷防碰裝置，它是在主滾筒上方的絞車架上安裝有支架和防碰閥（過卷閥），防碰閥可沿支架在滾筒軸線方向移動，防碰閥的碰桿長短可調(diào)。游車大鉤的提升高度與滾筒纏繩的層數(shù)、卷數(shù)相對應(yīng)，將防碰閥的碰桿調(diào)整到一定滾筒纏繩的層數(shù)、卷數(shù)，可控制游車大鉤的高度。

同時，在常規(guī)的修井機絞車主滾筒中，在離合器一側(cè)的滾筒軸端裝有導(dǎo)氣龍頭，導(dǎo)氣龍頭和滾筒軸螺紋聯(lián)接。在設(shè)計該機械式防碰裝置時，我們需要在主滾筒軸上安裝一個與主滾筒同步轉(zhuǎn)動的裝置，將主滾筒的旋轉(zhuǎn)運動記錄并傳遞出去。于是我們設(shè)計了一個小鏈輪，它可以與主滾筒軸和導(dǎo)氣龍頭通過螺紋聯(lián)接，將小鏈輪連接在兩者之間，小鏈輪與軸同步旋轉(zhuǎn)，將主滾筒的旋轉(zhuǎn)運動記錄并傳遞出去。同時在車臺面上安裝有減速器，減速器輸入端安裝有大鏈輪，與小鏈輪通過鏈條連接；減速器輸出端安裝有轉(zhuǎn)動盤和撥動盤，撥動盤上有兩個凸起的觸點（觸點的位置由預(yù)設(shè)的游車大鉤的最高點和最低點極限值所對應(yīng)的滾筒纏繩圈數(shù)和防碰裝置的減速比計算得來），兩觸點分別控制游車大鉤的最高點和最低點的緊急剎車。在撥動盤正下方安裝有一個二位三通按鈕閥。主滾筒轉(zhuǎn)動時，帶動小鏈輪轉(zhuǎn)動，通過鏈條和減速器兩次減速傳動，將運動傳遞到撥動盤。游車大鉤運行到預(yù)設(shè)的高度時，撥動盤上相應(yīng)的觸點觸動二位三通按鈕閥，發(fā)出氣壓信號，實施緊急剎車。

而主滾筒動力輸入端的氣動推盤離合器，為軸向氣囊推盤摩擦片式，氣動控制輕便可靠；氣動控制可實現(xiàn)多種功能操作，與輔助剎車互鎖，當(dāng)主滾筒結(jié)合時，輔助剎車脫離；主滾筒脫離時，輔助剎車才可能結(jié)合；與游車防碰機構(gòu)關(guān)聯(lián)，當(dāng)防碰閥被觸動，離合器強行脫離?？梢詽M足防碰機構(gòu)對離合器的控制要求。

主剎車為帶式剎車時，此機械剎把摩擦帶式平衡剎車，是通過控制手動剎把，經(jīng)杠桿傳遞機構(gòu)，推動曲拐拉動剎帶活動端，圍抱剎車鼓，使?jié)L筒減速或停止；在剎帶的固定端，安裝有平衡梁機構(gòu)，經(jīng)調(diào)整可平衡左右兩剎帶作用力，使左右兩個剎車鼓受力均勻。為了使帶式剎車實現(xiàn)防碰的作用，現(xiàn)于絞車架內(nèi)部安裝有防碰氣缸，活塞桿連接在主滾筒剎車軸的拐臂，推動拐臂可實施剎車。當(dāng)二位三通按鈕閥被撥動盤上相應(yīng)的觸點觸碰，防碰閥打開閥芯，壓縮空氣進入防碰氣缸，迅速推動活塞伸出，經(jīng)拐臂推動剎車軸轉(zhuǎn)動，緊急實施滾筒剎車動作。同時，氣壓信號使主滾筒離合器快速脫離，發(fā)動機油門迅速回落，游車大鉤緊急停止上升或下行，防止大鉤碰天車或鉆臺。

主剎車為液壓盤式剎車時，此液壓盤式剎車裝置由三部分組成：制動執(zhí)行機構(gòu)、液壓站及操作臺，它們之間用液壓管線連接。液壓站是動力源，為執(zhí)行機構(gòu)提供必需的液壓動力；操作臺是動力控制環(huán)節(jié)；執(zhí)行機構(gòu)是制動執(zhí)行部分，它由剎車鉗、鉗架、剎車盤三部分組成，其中剎車鉗又分為常開式工作鉗和常閉式安全鉗兩種。當(dāng)正常工作時，通過操作剎車閥的控制手柄，調(diào)節(jié)工作鉗對制動盤的正壓力，從而為主機提供大小可調(diào)的剎車力矩，滿足送鉆、起下鉆等不同工況的要求；當(dāng)鉆機工作或司鉆要離開操作臺時，拉下駐車制動手柄，安全剎車，以防大鉤滑落；當(dāng)二位三通按鈕閥被撥動盤上相應(yīng)的觸點觸碰，其輸出氣壓信號控制液壓盤剎的工作鉗和安全鉗全部參與剎車，實施緊急制動。同時，氣壓信號使主滾筒離合器快速脫離，發(fā)動機油門迅速回落，游車大鉤緊急停止上升或下行，防止大鉤碰天車或鉆臺。

2 防碰裝置的工作原理和布局

本機械式防碰裝置的機械傳動部分原理圖如圖1所示：

工作過程原理大致如下：小鏈輪與主滾筒軸通過螺紋聯(lián)接，隨主滾筒軸同步轉(zhuǎn)動，通過鏈條將運動傳遞給與減速機輸入端連接的大鏈輪，再通過減速機減速后將運動傳遞給與轉(zhuǎn)動盤聯(lián)接在一起的撥動盤。當(dāng)游車大鉤到達極限點時，撥動盤上相應(yīng)的觸點觸動二位三通按鈕閥，二位三通按鈕閥發(fā)出氣壓信號，實施緊急剎車。氣壓控制部分工作原理與過卷防碰裝置相應(yīng)的氣壓控制原理相同，不改變原先過卷防碰裝置的氣壓控制管路，相當(dāng)于只是將過卷防碰裝置中的防碰閥安裝到該防碰裝置中。

3 理論計算

以XJ550修井機為例，已知修井機的基本參數(shù)：（1）井架高度34m；（2）鉆臺面高度為4.8m；（3）游動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為5×6；（4）主滾筒直徑為429mm；（5）鋼絲繩直徑為26mm。

現(xiàn)代的滾筒多采用Lebus繩槽，由于滾筒有槽，導(dǎo)致鋼絲繩大部分做環(huán)狀纏繞，并在180°對側(cè)有兩次跳槽，這就避免了一側(cè)跳槽帶來的滾筒旋轉(zhuǎn)質(zhì)量不均勻的現(xiàn)象。這種帶繩槽的滾筒第一層纏繩可以松開工作，這就減少了總的纏繩層數(shù)，一般纏繩三層即可起一立根，因此第二層纏繩直徑也就是平均纏繩直徑。

滾筒纏繩時，鋼絲繩在拉力作用下約有四分之三圈落入前一層的繩槽中，相鄰兩層的鋼絲繩中心高度差為h=0.866d繩，還有約四分之一圈必須由一槽跳向另一相鄰槽中，這時的鋼絲繩直徑重疊是起來的，h=d繩，由此可近似認為每一整圈纏繩在滾筒半徑上的增量平均值h=Φd繩，而Φ=3/4×0.866+1/4×1=0.9。

因此平均纏繩直徑為：

Dm=D2=D0+d繩+2Φd繩=429+26+2×0.9×26=501.8mm

則滾筒轉(zhuǎn)動一圈的鋼絲繩的平均長度為：

Lm=πDm=3.14×501.8=1575.6mm≈1.57m

游車大鉤在鉆臺和天車之間的往復(fù)運動，減去安全防碰距離，它的行程約為L=34-4.8-4≈25m。

游動系統(tǒng)有效繩數(shù)Z=2×游車輪數(shù)=2×5=10。

則游車大鉤起鉆或下鉆時，滾筒轉(zhuǎn)動的圈數(shù)為：

N=ZL/Lm=10×25/1.57≈160。

小鏈輪齒數(shù)為14，大鏈輪齒數(shù)是84，則鏈傳動的減速比為6，而減速機減速比為30，則總減速比為6×30=180。

則游車大鉤從上止點運行到下止點時，撥動盤轉(zhuǎn)動的角度為160×360°/180=320°<360°，滿足設(shè)計要求。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

此機械式游車防碰裝置適用于油田車載式鉆機、修井機，最開始是用在ZJ30鉆機上。近幾年有些用戶在簽訂技術(shù)協(xié)議時，特別提出需要安裝機械式游車防碰裝置。該防碰裝置可以直接安裝在車臺面上，位于絞車主滾筒旁，結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)試方便，其既能防止游車大鉤上行時碰撞天車，又能防止游車大鉤在下行過程中碰撞鉆臺，提高了修井機在作業(yè)過程中的安全性。該裝置已經(jīng)在印度XJ550修井機和印度XJ350修井機上得到了應(yīng)用，經(jīng)過印度用戶在油田現(xiàn)場的使用檢驗，效果良好。同時以該機械式防碰裝置設(shè)計為基礎(chǔ)，我們已向?qū)＠痔峤涣藢嵱眯滦蛯＠纳暾垺?/p>

參考文獻

[1] 李繼志.石油鉆采機械概論[M].東營：石油大學(xué)出版社，2006.

作者簡介：周長旭（1988-），男，中石化石油工程機械有限公司第四機械廠助理工程師，研究方向：石油鉆采機械絞車和傳動設(shè)計。

（責(zé)任編輯：周 瓊）