陸地鉆機(jī)電控動(dòng)力貓道的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黨 鵬，劉榮輝

（西安石油大學(xué)，西安 710065）

0 引言

我國(guó)當(dāng)前在絕大多數(shù)油田在鉆井過(guò)程中，鉆柱從地面運(yùn)輸?shù)姐@臺(tái)工作面依然采用人工方法。近年來(lái)為提高鉆井作業(yè)自動(dòng)化程度，國(guó)內(nèi)很多企業(yè)設(shè)計(jì)制造了動(dòng)力貓道設(shè)備，已有多家設(shè)備在井場(chǎng)應(yīng)用[1－3]。這些設(shè)備都是全液壓驅(qū)動(dòng)，能基本完成鉆柱從地面到鉆臺(tái)面的自動(dòng)運(yùn)輸工作，但是經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，存在如下問題：（1）全液壓系統(tǒng)較為復(fù)雜，往往需要獨(dú)立的液壓站提供動(dòng)力，不便于拆裝和運(yùn)輸[4]；（2）系統(tǒng)中大量的液壓油在新疆冬季寒冷的環(huán)境下需要較長(zhǎng)時(shí)間預(yù)熱，這降低了動(dòng)力貓道的效率；（3）部分動(dòng)力貓道結(jié)構(gòu)局限性較大，不適合在較高的井架上使用[5－6]。

本文針對(duì)以上問題，經(jīng)過(guò)一年的實(shí)踐摸索，設(shè)計(jì)出一套配合國(guó)產(chǎn)ZJ70D鉆機(jī)，以電控為主、液壓為輔的電控自動(dòng)貓道設(shè)計(jì)方案。電控動(dòng)力貓道的主體輸出由變頻電機(jī)完成，其輔助功能由液壓系統(tǒng)完成。

該液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間較小，其液壓站可以直接安裝在動(dòng)力貓道底座內(nèi)，方便整個(gè)動(dòng)力貓道的拆裝運(yùn)輸；其所需的液壓油較少，并配有專門的加熱、冷卻裝置，在新疆寒冷、高溫環(huán)境下能夠可靠運(yùn)行。

1 動(dòng)力貓道主體結(jié)構(gòu)

動(dòng)力貓道的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其機(jī)械結(jié)構(gòu)分為四大部分，包括底座、送鉆裝置、坡道和支架[7]。

圖1 陸地鉆機(jī)電控動(dòng)力貓道系統(tǒng)

底座上安裝有電控柜和液壓站，并在兩側(cè)裝有2對(duì)排管架和傾斜機(jī)構(gòu)。排管架上可以放置大量鉆具，工作時(shí)外側(cè)升高，將鉆具送向送鉆裝置。傾斜機(jī)構(gòu)可以向底座內(nèi)外兩側(cè)傾斜，將鉆具送出或送入送鉆裝置內(nèi)[8]。

送鉆裝置上裝有2對(duì)安全銷機(jī)構(gòu)、2對(duì)踢出機(jī)構(gòu)和1個(gè)小滑車。安全銷機(jī)構(gòu)會(huì)在必要時(shí)升起，確保鉆具不掉落，保證安全。踢出機(jī)構(gòu)可以將鉆具從送轉(zhuǎn)裝置中踢出。小滑車則在送鉆裝置升到鉆臺(tái)面高度時(shí)，將鉆具輸送到鉆臺(tái)面上。

坡道上端與井架鉆臺(tái)面鉸接，下端背側(cè)裝有電動(dòng)絞車滾筒系統(tǒng)。工作時(shí)，電動(dòng)絞車牽引鋼絲繩將送鉆裝置吊起，使送鉆裝置前段沿著坡道向上移動(dòng)。送鉆裝置后端與支架相連，支架與電動(dòng)絞車配合即可實(shí)現(xiàn)送鉆裝置的上升和下放。

2 液壓系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1 執(zhí)行元件類型選擇

傾斜機(jī)構(gòu)、排管架升降機(jī)構(gòu)、踢出機(jī)構(gòu)和安全銷機(jī)構(gòu)，都做簡(jiǎn)單的上下往返運(yùn)動(dòng)。因此用單桿活塞液壓缸作為他們的執(zhí)行元件。對(duì)于送鉆裝置上的小滑車，如圖2所示，選擇液壓馬達(dá)作為其執(zhí)行元件，工作時(shí)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)絞車，帶動(dòng)絞車的鋼絲繩前后移動(dòng)，從而拉動(dòng)小滑車運(yùn)動(dòng)。

圖2 小滑車驅(qū)動(dòng)方式示意圖

2.2 液壓系統(tǒng)圖

動(dòng)力貓道的液壓系統(tǒng)如圖3所示。因?yàn)閯?dòng)力貓道夏天工作環(huán)境溫度較高，且油箱相對(duì)較小，在液壓站中加入一條冷卻回路。同時(shí)，油箱上裝有加熱器，在寒冷環(huán)境下使用時(shí)加熱器開啟，保證液壓系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)[9]。

圖3 動(dòng)力貓道液壓系統(tǒng)

3個(gè)電磁閥組共包含11個(gè)電磁閥，某個(gè)執(zhí)行元件需要運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的電磁閥會(huì)打開，其余的電磁閥關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)11條油路的控制[10]。該11條油路中除液壓馬達(dá)油路外，都裝有2支液壓缸，全部采用并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)同步控制。根據(jù)功能的不同，這些油路設(shè)計(jì)也不相同。其中，為實(shí)現(xiàn)自復(fù)位功能，踢出機(jī)構(gòu)油路和傾斜機(jī)構(gòu)油路由二位三通電磁閥控制，其余由三位四通電磁閥控制；為提高油缸同步運(yùn)轉(zhuǎn)的精度，排管架油路、傾斜機(jī)構(gòu)油路和踢出機(jī)構(gòu)油路的進(jìn)油路上設(shè)置了分流閥；為提高安全性，防止系統(tǒng)斷電后發(fā)生危險(xiǎn)，在排管架油路上設(shè)置了液壓鎖。

3 執(zhí)行元件設(shè)計(jì)

3.1 液壓馬達(dá)選型

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，將系統(tǒng)壓力設(shè)定為Δp＝20 MPa。小滑車推動(dòng)鉆具實(shí)現(xiàn)送鉆，時(shí)間控制在30 s內(nèi)完成。已知鉆具最大質(zhì)量為3.5 t，送鉆裝置全長(zhǎng)15 m。

選擇A2FE45/61W內(nèi)置式液壓馬達(dá)，排量qm＝45 mL/r，當(dāng)量扭矩Tk＝7.2 N·m/MPa，搭配減速器，減速比i＝32。

此時(shí)，液壓絞車的輸出扭矩為：

T＝TK×Δp×i＝4 608 N·m

液壓馬達(dá)的最大流量為：Qm＝qm×n×i＝45.9 L/min

3.2 液壓缸設(shè)計(jì)

液壓馬達(dá)和各個(gè)動(dòng)作機(jī)構(gòu)共用1個(gè)油源，分開運(yùn)作，因此每個(gè)動(dòng)作回路的流量保持在46 L/min左右最佳[11]。且每個(gè)動(dòng)作回路又由兩個(gè)并聯(lián)的液壓缸組成，則每個(gè)液壓缸的最大流量為23 L/min。

圖4所示為傾斜機(jī)構(gòu)裝配圖，其單缸負(fù)載為2 t，翹板傾角30°，理想運(yùn)動(dòng)時(shí)間2 s。則液壓缸最大行程L＝tan30°×605 mm＝348.72 mm；L＝350 mm；最大速度vmax＝L/t＝0.175 m/s＝10.5 m/min。

圖4 傾斜機(jī)構(gòu)裝配圖

（1）由流量反推液壓缸缸筒內(nèi)徑

液壓缸最大流量Qmax和液壓缸缸筒內(nèi)徑D的關(guān)系由以下2個(gè)公式確定：

式中：A為液壓缸有效工作面積；vmax為液壓缸最大運(yùn)行速度。

由此可得缸筒內(nèi)徑：

從優(yōu)先表中選取D＝50 mm。

（2）計(jì)算活塞桿直徑

對(duì)于系統(tǒng)壓力大于20 MPa的單桿活塞液壓缸，活塞桿直徑d＝0.7D[12]。所以d＝0.7×50＝35 mm，在優(yōu)選表中選取d＝36 mm。

（3）校核活塞桿強(qiáng)度

強(qiáng)度校核公式：

式中：F為作用在活塞桿上的軸向載荷；[σ]為活塞桿材料許用應(yīng)力；σb為材料抗拉強(qiáng)度；n為安全系數(shù)。

由上述分析可以確定F＝20 000 N，σb＝600 MPa，n＝3，將這些數(shù)據(jù)代入式（3）得：

顯然活塞桿直徑滿足強(qiáng)度要求。

同理，通過(guò)計(jì)算得出液壓系統(tǒng)所用液壓缸的主要參數(shù)如表1所示。

表1 動(dòng)力貓道液壓缸主要參數(shù)

4 液壓站主要元件選型

該液壓系統(tǒng)的最大工作壓力為20 MPa，執(zhí)行元件總流量最大值為46 L/min。由此選取A10V7DFR/31R系列變量斜盤式柱塞泵[13]。該柱塞泵額定壓力28 MPa，排量71 mL/r，最大功率50 kW，最大流量107 L/min。對(duì)于相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，選擇Y200L－4B35三相異步防爆電機(jī)，其功率為30 kW。

根據(jù)系統(tǒng)需要，將油箱容量定為300 L，油箱尺寸定為1 100 mm×500 mm×600 mm。對(duì)于冷卻回路，選擇AH1490型風(fēng)冷卻器。其散熱功率為17.8 kW，最大流量250 L/min，主體尺寸為620 mm×320 mm×493 mm。

綜上所述，通過(guò)對(duì)液壓系統(tǒng)各個(gè)元件的選型計(jì)算，最終確定了液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)如表2所示。

表2 液壓系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

5 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 電信號(hào)控制原理

控制原理如圖5所示，該電控貓道系統(tǒng)的信號(hào)控制方式分為無(wú)線遙控控制和有線操作箱控制，以無(wú)線遙控控制為主，有線操作箱為輔。無(wú)線控制系統(tǒng)通過(guò)PLC系統(tǒng)處理控制邏輯，配合工業(yè)遙控器實(shí)現(xiàn)控制。工業(yè)無(wú)線遙控包含發(fā)射器及接收器，通過(guò)發(fā)射器面板上的動(dòng)作開關(guān)給接收器發(fā)射信號(hào)，接收器再通過(guò)信號(hào)通信將信號(hào)傳輸給PLC的CPU進(jìn)行邏輯運(yùn)算，通信一般選用RS－485通信類型。最終通過(guò)PLC模塊端口輸出控制信號(hào)，控制相應(yīng)的繼電器通斷使機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

圖5 電信號(hào)控制原理

5.2 PLC硬件選型及系統(tǒng)分配

該電控自動(dòng)貓道PLC控制系統(tǒng)總共有24個(gè)控制點(diǎn)數(shù)，包括5個(gè)數(shù)字量輸入信號(hào)、17個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)、2個(gè)模擬量輸出信號(hào)。系統(tǒng)選用西門子的SIMATIC S7－200smart系列PLC。其中CPU選擇SR20型號(hào)，該型號(hào)屬于繼器型輸出，接220 V交流電源。CPU自帶20個(gè)數(shù)字量信號(hào)控制點(diǎn)數(shù)，包括12個(gè)數(shù)字量輸入信號(hào)和8個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)。擴(kuò)展模塊中匹配了1個(gè)EMQR16型號(hào)的數(shù)字量輸出模塊，該模塊含有16個(gè)數(shù)字量信號(hào)輸出。EMAQ04型號(hào)的模擬量信號(hào)輸出模塊，該模塊含有4個(gè)模擬量信號(hào)輸出。同時(shí)系統(tǒng)還選用了1個(gè)直流24 V電源模塊，為各個(gè)控制端口提供直流24 V電源信號(hào)。信號(hào)與各個(gè)端口的分配關(guān)系如表3所示。

表3 控制信號(hào)的點(diǎn)位分配表

6 結(jié)束語(yǔ)

如圖6所示，本課題組與某公司合作，于2019年12月在其廠房進(jìn)行了電控動(dòng)力貓道液壓系統(tǒng)部分的安裝并進(jìn)行了初步的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，相對(duì)于傳統(tǒng)的全液壓動(dòng)力貓道，電控動(dòng)力貓道及其液壓系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

圖6 電控動(dòng)力貓道液壓系統(tǒng)管線現(xiàn)場(chǎng)安裝情況

（1）相對(duì)于原有長(zhǎng)5 m、寬2.5 m、高3 m，重達(dá)8 t的動(dòng)力房，本文設(shè)計(jì)的動(dòng)力站質(zhì)量減少1/2，體積減少至原有的1/3，可以將其安裝在動(dòng)力貓道的底座內(nèi)部，使其更容易拆裝、運(yùn)輸，提高了使用效率。

（2）對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，將其最大流量、工作壓力和油箱容量進(jìn)行了適當(dāng)?shù)目s小，提高了執(zhí)行元件的響應(yīng)速度。為其設(shè)計(jì)了獨(dú)立的冷卻油路和加熱系統(tǒng)，解決了動(dòng)力貓道在新疆夏季氣溫高時(shí)液壓油容易過(guò)熱，冬季溫度低時(shí)液壓油過(guò)于粘稠的問題。