石油鉆機絞車一鍵換擋設(shè)計

蔣合艷， 孫江鋒， 張繼環(huán)， 朱星元

（1.寶雞石油機械有限責(zé)任公司,陜西 寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721002）

0 引 言

近幾年隨著工業(yè)自動化和智能化的迅速推廣，石油鉆機設(shè)備也掀起了一場自動化、智能化的發(fā)展熱潮，各種自動化設(shè)備、機械手等迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用。而作為石油鉆機核心部件的絞車，特別是直流電驅(qū)動或機械傳動絞車，由于其機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制系統(tǒng)繁瑣，現(xiàn)有換擋控制方案如圖1所示，換擋時，先操作輸入軸慣剎開關(guān)2，使輸入軸慣剎剎車，然后操作換擋解鎖/鎖擋開關(guān)4解鎖，再操作換擋開關(guān)5進行換擋。若換擋不成功，再操作微擺按鈕3微動對齒，換擋完后又需操作換擋解鎖/鎖擋開關(guān)4鎖擋，最后還需操作輸入軸慣剎開關(guān)2，釋放輸入軸慣剎，一次換擋需要有5～6個步驟。這種繁瑣的換擋控制系統(tǒng)已經(jīng)無法適應(yīng)自動化的要求。因此，寶石機械公司通過在原機械換擋機構(gòu)中設(shè)置擋位檢測元件，并通過采用閥島和PLC邏輯程序控制，設(shè)計了一套石油鉆機絞車的一鍵換擋控制系統(tǒng)。不但能減輕操作者的勞動強度，同時，降低了出錯率,提高了可靠性。

圖1 原換擋控制原理圖

1 換擋機構(gòu)改進設(shè)計

由文獻[1]可知，直流電驅(qū)動絞車采用內(nèi)變速鏈傳動方式，通常設(shè)4個機械擋位，輸入軸與中間軸之間的2個擋采用齒式掛擋機構(gòu)，同時，輸入軸的軸端設(shè)置有微擺機構(gòu)，微擺機構(gòu)包括懸掛式輸入軸慣剎、順轉(zhuǎn)驅(qū)動缸（微擺缸）和逆轉(zhuǎn)驅(qū)動缸（緩沖缸）。

當(dāng)掛擋困難需啟用微擺機構(gòu)時，應(yīng)先使輸入軸慣剎離合器剎車，從而使輸入軸總成可在外力作用下運轉(zhuǎn)，然后斷開順轉(zhuǎn)驅(qū)動缸（微擺缸）的控制氣，使逆轉(zhuǎn)驅(qū)動缸驅(qū)動輸入軸運轉(zhuǎn)，起微擺作用。若掛擋仍未成功，再接通順轉(zhuǎn)驅(qū)動缸的控制氣，從而使順轉(zhuǎn)驅(qū)動缸驅(qū)動輸入軸運轉(zhuǎn)，循環(huán)微動，提高掛擋成功率。

本文所述的換擋掛擋過程與文獻[1]一致。與文獻[1]中的換擋機構(gòu)相比，改進的掛擋機構(gòu)如圖2所示，改進點是在搖臂的左右增加了Ⅰ擋擋位檢測裝置1及Ⅱ擋擋位檢測裝置2，當(dāng)I擋擋位掛合成功時，I擋檢測裝置1閉合輸出氣信號；當(dāng)Ⅱ擋擋位掛合成功時，Ⅱ擋檢測裝置2閉合輸出氣信號；當(dāng)擋位為空擋時，I擋和Ⅱ擋檢測裝置均為斷開狀態(tài)，均無氣信號輸出。

當(dāng)換擋機構(gòu)擋位掛合正確后，再控制鎖擋氣缸4鎖擋，鎖擋成功時，鎖擋檢測裝置3閉合輸出氣信號。

圖2 換擋機構(gòu)

2 氣動控制系統(tǒng)

依據(jù)文獻[2]，氣動控制系統(tǒng)采用閥島控制，控制原理如圖3所示，閥島由4個功能閥片，共8個控制電磁閥組成，8個電磁閥分別控制三位氣缸的3個擋位（I擋、空擋、Ⅱ擋），鎖擋氣缸有2個狀態(tài)（解鎖、鎖擋），順轉(zhuǎn)驅(qū)動缸、輸入軸慣剎離合器及盤剎剎車裝置共8個氣口。

如圖1及圖3所示，氣動控制系統(tǒng)的Ⅰ擋位檢測裝置1、Ⅱ擋擋位檢測裝置2及鎖擋檢測裝置3分別對應(yīng)設(shè)有1個壓力開關(guān)15、17、16，用于檢測換擋、鎖擋是否成功。

三位換擋氣缸5換擋成功時，相應(yīng)的擋位掛合檢測裝置導(dǎo)通氣源促使對應(yīng)的擋位反饋壓力開關(guān)（15或17）閉合輸出電信號并進入電控系統(tǒng)。

鎖擋氣缸4鎖擋成功時，鎖擋檢測裝置3導(dǎo)通氣源促使鎖擋反饋壓力開關(guān)16閉合，導(dǎo)通電信號并進入電控系統(tǒng)。

3 電氣控制系統(tǒng)

如圖4所示，電氣控制系統(tǒng)由輸入信號、輸出信號、電控PLC控制中心（含控制邏輯）組成。

當(dāng)電控PLC接收到相應(yīng)的擋位輸入指令，電控PLC經(jīng)邏輯運算輸出相應(yīng)的控制信號，控制相應(yīng)的電磁閥通或斷電來控制對應(yīng)的執(zhí)行元件動作，使絞車換擋自動按“剎車停機”→“解鎖”→“掛擋”→“微擺（注意：僅當(dāng)擋位反饋信號與實際所需擋位不正確時，才執(zhí)行此步驟）”→“鎖擋”的步驟進行換擋,簡化了操作步驟，實現(xiàn)一鍵換擋功能。

圖4 電氣控制流程框圖

3.1 輸入信號輸入信號

包括擋位選擇信號、擋位反饋信號和鎖擋反饋信號。

擋位選擇信號由三位自鎖開關(guān)觸發(fā)，分空擋、I擋、Ⅱ擋3個位置。但開關(guān)1次只能置于1個位置。當(dāng)開關(guān)置于某一擋位，發(fā)出相應(yīng)的擋位指令信號給電控系統(tǒng)。

擋位反饋信號包括I擋反饋信號、Ⅱ擋反饋信號，I擋反饋壓力開關(guān)15常開觸點閉合，表示I擋掛合；Ⅱ擋反饋壓力開關(guān)17常開觸點閉合，表示Ⅱ擋掛合；當(dāng)I擋、Ⅱ擋反饋壓力開關(guān)（15、17）常開觸點均斷開時，表示空擋掛合。

鎖擋反饋信號：鎖擋反饋壓力開關(guān)16常開觸點閉合，表示鎖擋成功，反之，表示鎖擋缸解鎖或鎖擋不成功。

3.2 輸出信號

輸出信號主要是由電控PLC控制中心輸出與上述圖3中各功能電磁閥相對應(yīng)的控制信號，當(dāng)相應(yīng)的控制輸出信號為“1”信號時，表示所控制的電磁閥得電。當(dāng)相應(yīng)的控制輸出信號為“0”信號時，表示所控制的電磁閥斷電。各輸出信號的具體功能詳見下文“系統(tǒng)控制邏輯”描述。

3.3 控制邏輯

1）控制邏輯采用了T0、T1、T2、T3共4個延時接通定時器和1個T4延時斷開定時器，通過設(shè)定各個定時器的延時時間，確保各氣動執(zhí)行件每次能動作到位，且能按預(yù)設(shè)順序動作。

2）控制邏輯中利用T3延時接通定時器和T4延時斷開定時器之間的互鎖控制，來實現(xiàn)微擺機構(gòu)的循環(huán)微動。

3）控制邏輯中設(shè)置了一個計數(shù)器DB2，用于記錄微擺機構(gòu)微動次數(shù)，順轉(zhuǎn)驅(qū)動氣缸每動作一次，計數(shù)器DB2加1。若順轉(zhuǎn)驅(qū)動氣缸動作十次仍未換擋成功，電控PLC輸出“換擋故障”信號，提示操作者檢查故障原因，同時，電控PLC控制絞車盤剎剎車。

4）依據(jù)文獻[3]、文獻[5],編寫換擋控制邏輯如下：

a.輸入軸慣剎剎車控制邏輯如圖5所示，當(dāng)擋位反饋信號與擋位輸入信號不一致時，即認(rèn)為司鉆操作了換擋開關(guān)，此時“輸入軸慣剎輸出”線圈輸出“1”信號，輸入軸慣剎剎車。

b. 鎖擋缸解鎖/鎖擋控制邏輯如圖6所示，系統(tǒng)接收到“輸入軸慣剎”信號，延時5 s后使鎖擋缸解鎖。

c. 換擋氣缸動作控制邏輯如圖7所示，待鎖擋反饋信號消失并延時5 s后，控制換擋氣缸動作掛合相應(yīng)的擋位。

d. 換擋對齒控制邏輯如圖8所示，通過控制“微擺輸出”線圈循環(huán)通斷電，來控制微擺機構(gòu)循環(huán)左右微動，提高掛擋對齒的效率。

e. 對齒微動次數(shù)控制邏輯如圖9所示，“微擺輸出”每輸出“1”信號一次，“計數(shù)器”加1；當(dāng)“計數(shù)器”計數(shù)值≥10時，發(fā)出“換擋故障”信號，同時控制絞車盤剎剎車。

圖5 輸入軸慣剎控制邏輯

圖6 鎖擋缸解鎖/鎖擋控制邏輯

圖7 換擋控制邏輯

圖8 微擺控制邏輯

圖9 換擋故障輸出控制邏輯

圖10 盤剎控制邏輯

f. 盤剎控制邏輯如圖10 所示，當(dāng)擋位指令與擋位反饋一致時，且系統(tǒng)檢測到鎖擋反饋時，說明換擋成功，此時“盤剎控制輸出”線圈輸出“1”信號，允許絞車盤剎剎車裝置釋放，系統(tǒng)可正常作業(yè)。

4 設(shè)計方案創(chuàng)新點

1）一鍵換擋。換擋時，操作者只需操作擋位選擇開關(guān)，就會自動按“剎車停機”→“解鎖”→“掛擋”→“微擺”→“鎖擋”的步驟進行換擋。2）鎖擋氣缸位置唯一性。解鎖輸出與鎖擋輸出同步控制，確保了鎖擋氣缸位置的唯一性。3）換擋氣缸位置唯一性。I擋輸出、Ⅱ擋輸出、空擋輸出三者之間互鎖控制，每次僅有一個擋位輸出“1”信號，其余兩個擋位輸出“0”信號，確保換擋氣缸位置的唯一性。4）高效掛擋，也可及時發(fā)現(xiàn)擋位故障。當(dāng)換擋指令與擋位反饋信號不一致時，能循環(huán)驅(qū)動微擺機構(gòu)微動，提高掛擋效率。同時，通過計數(shù)器記錄微動次數(shù)，當(dāng)達到設(shè)定值時，電控PLC輸出“換擋故障”信號，使操作者及時發(fā)現(xiàn)擋位故障。5）高安全性及可靠性。當(dāng)擋位指令與擋位反饋信號不一致、換擋機構(gòu)未鎖好擋的任一情況下，電控PLC控制輸入軸慣剎剎車、絞車盤剎剎車，絞車不能運轉(zhuǎn)，避免虛掛擋的情況，確保了系統(tǒng)的安全性。

5 程序測試效果

一鍵換擋邏輯控制程序，經(jīng)軟件程序測試，運行正常，完全滿足實際所需功能。

6 結(jié) 論

本文通過在原換擋機構(gòu)中增加擋位檢測裝置，并使換擋執(zhí)行機構(gòu)和微擺執(zhí)行機構(gòu)通過閥島和PLC邏輯控制，在邏輯控制中，通過合理地設(shè)置延時接通與延時斷開計時器，使電控PLC依次輸出控制指令，并通過換擋機構(gòu)相關(guān)元件的反饋信號實時判斷換擋程序的執(zhí)行情況指導(dǎo)程序運行，實現(xiàn)了一鍵自動換擋控制，簡化了操作步驟，降低了工人的勞動強度。同時，為了確保換擋掛擋成功率，微擺機構(gòu)控制采用循環(huán)左右微動控制，提高了掛擋對齒的效率，提高了系統(tǒng)的安全性及可靠性。