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机械式游车防碰装置在车装修井机上的应用
周长旭
（中石化石油工程机械有限公司第四机械厂,湖北 荆州 434024）
摘 要：油田车载式修井机的绞车系统一般安装有电子防碰装置和过卷防碰装置,用来防止当大钩提升重物上升到某位置,由于操作失误或其他原因,应该工作制动而未实施制动时,游车大钩碰撞天车的事故.文章对机械式游车防碰装置在车装修井机上的应用进行了探讨.
关键词：游车防碰装置；绞车系统；主滚筒；机械式；车装修井机 文献标识码：A
中图分类号：TE922 文章编号：1009-2374（2016）14-0157-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.079
随着时代的发展,油田安全管理要求的提高,油田单位对油田现场作业安全提出了更高的要求,用户要求设备在某些时候能够保证即使是在工人自身操作失误时,也能够通过已有的安全保障装置来保障现场人员的人身安全,在油田现场作业中安全永远是放在第一位的.
车装修井机是油田现场常见的修井作业设备,由于其能够自走的特征,具有移运性强等特点,在油田现场应用广泛.而起升系统作为车装修井机的核心,它包括绞车系统、游动系统、井架.游动系统是位于井架顶部的天车定滑轮组和在井架内部上下做往复运动的动滑轮组通过钢丝绳联系起来组成的复滑轮系统,其带动的大钩可以承担大于绞车快绳拉力几倍的负荷.游动系统依靠绞车的动力和井架的支撑工作.作为修井机的核心,起升系统的安全性也是修井机作业安全的重要组成部分,如果游车大钩失控撞向天车或者撞向钻台面,其带来的后果将不堪设想.因此修井机在作业时,游车大钩在天车和钻台面间上下往复运动,考虑到钻台面上人员和设备的安全性,油田用户已经不再仅满足可以防止游车大钩碰撞天车,也需要游车大钩下行时不失控撞向钻台,对钻台面上施工人员的人身安全造成威胁.针对越来越多的用户提出的这方面要求,我们设计了一种既能防止游车大钩上行时碰撞天车,又能防止其在下行过程中碰撞钻台的防碰装置的理念.
1 机械式游车防碰装置的设计理念
在常规的修井机上,主滚筒上方安装有过卷防碰装置,它是在主滚筒上方的绞车架上安装有支架和防碰阀（过卷阀）,防碰阀可沿支架在滚筒轴线方向移动,防碰阀的碰杆长短可调.游车大钩的提升高度与滚筒缠绳的层数、卷数相对应,将防碰阀的碰杆调整到一定滚筒缠绳的层数、卷数,可控制游车大钩的高度.
同时,在常规的修井机绞车主滚筒中,在离合器一侧的滚筒轴端装有导气龙头,导气龙头和滚筒轴螺纹联接.在设计该机械式防碰装置时,我们需要在主滚筒轴上安装一个与主滚筒同步转动的装置,将主滚筒的旋转运动记录并传递出去.于是我们设计了一个小链轮,它可以与主滚筒轴和导气龙头通过螺纹联接,将小链轮连接在两者之间,小链轮与轴同步旋转,将主滚筒的旋转运动记录并传递出去.同时在车台面上安装有减速器,减速器输入端安装有大链轮,与小链轮通过链条连接；减速器输出端安装有转动盘和拨动盘,拨动盘上有两个凸起的触点（触点的位置由预设的游车大钩的最高点和最低点极限值所对应的滚筒缠绳圈数和防碰装置的减速比计算得来）,两触点分别控制游车大钩的最高点和最低点的紧急刹车.在拨动盘正下方安装有一个二位三通按钮阀.主滚筒转动时,带动小链轮转动,通过链条和减速器两次减速传动,将运动传递到拨动盘.游车大钩运行到预设的高度时,拨动盘上相应的触点触动二位三通按钮阀,发出气压信号,实施紧急刹车.
而主滚筒动力输入端的气动推盘离合器,为轴向气囊推盘摩擦片式,气动控制轻便可靠；气动控制可实现多种功能操作,与辅助刹车互锁,当主滚筒结合时,辅助刹车脱离；主滚筒脱离时,辅助刹车才可能结合；与游车防碰机构关联,当防碰阀被触动,离合器强行脱离.可以满足防碰机构对离合器的控制要求.
主刹车为带式刹车时,此机械刹把摩擦带式平衡刹车,是通过控制手动刹把,经杠杆传递机构,推动曲拐拉动刹带活动端,围抱刹车鼓,使滚筒减速或停止；在刹带的固定端,安装有平衡梁机构,经调整可平衡左右两刹带作用力,使左右两个刹车鼓受力均匀.为了使带式刹车实现防碰的作用,现于绞车架内部安装有防碰气缸,活塞杆连接在主滚筒刹车轴的拐臂,推动拐臂可实施刹车.当二位三通按钮阀被拨动盘上相应的触点触碰,防碰阀打开阀芯,压缩空气进入防碰气缸,迅速推动活塞伸出,经拐臂推动刹车轴转动,紧急实施滚筒刹车动作.同时,气压信号使主滚筒离合器快速脱离,发动机油门迅速回落,游车大钩紧急停止上升或下行,防止大钩碰天车或钻台.
主刹车为液压盘式刹车时,此液压盘式刹车装置由三部分组成：制动执行机构、液压站及操作台,它们之间用液压管线连接.液压站是动力源,为执行机构提供必需的液压动力；操作台是动力控制环节；执行机构是制动执行部分,它由刹车钳、钳架、刹车盘三部分组成,其中刹车钳又分为常开式工作钳和常闭式安全钳两种.当正常工作时,通过操作刹车阀的控制手柄,调节工作钳对制动盘的正压力,从而为主机提供大小可调的刹车力矩,满足送钻、起下钻等不同工况的要求；当钻机工作或司钻要离开操作台时,拉下驻车制动手柄,安全刹车,以防大钩滑落；当二位三通按钮阀被拨动盘上相应的触点触碰,其输出气压信号控制液压盘刹的工作钳和安全钳全部参与刹车,实施紧急制动.同时,气压信号使主滚筒离合器快速脱离,发动机油门迅速回落,游车大钩紧急停止上升或下行,防止大钩碰天车或钻台.
2 防碰装置的工作原理和布局
本机械式防碰装置的机械传动部分原理图如图1所示：
工作过程原理大致如下：小链轮与主滚筒轴通过螺纹联接,随主滚筒轴同步转动,通过链条将运动传递给与减速机输入端连接的大链轮,再通过减速机减速后将运动传递给与转动盘联接在一起的拨动盘.当游车大钩到达极限点时,拨动盘上相应的触点触动二位三通按钮阀,二位三通按钮阀发出气压信号,实施紧急刹车.气压控制部分工作原理与过卷防碰装置相应的气压控制原理相同,不改变原先过卷防碰装置的气压控制管路,相当于只是将过卷防碰装置中的防碰阀安装到该防碰装置中.
3 理论计算
以XJ550修井机为例,已知修井机的基本参数：（1）井架高度34m；（2）钻台面高度为4.8m；（3）游动系统结构为5×6；（4）主滚筒直径为429mm；（5）钢丝绳直径为26mm.
现代的滚筒多采用Lebus绳槽,由于滚筒有槽,导致钢丝绳大部分做环状缠绕,并在180°对侧有两次跳槽,这就避免了一侧跳槽带来的滚筒旋转质量不均匀的现象.这种带绳槽的滚筒第一层缠绳可以松开工作,这就减少了总的缠绳层数,一般缠绳三层即可起一立根,因此第二层缠绳直径也就是平均缠绳直径.
滚筒缠绳时,钢丝绳在拉力作用下约有四分之三圈落入前一层的绳槽中,相邻两层的钢丝绳中心高度差为h＝0.866d绳,还有约四分之一圈必须由一槽跳向另一相邻槽中,这时的钢丝绳直径重叠是起来的,h＝d绳,由此可近似认为每一整圈缠绳在滚筒半径上的增量平均值h＝Φd绳,而Φ＝3/4×0.866＋1/4×1＝0.9.
因此平均缠绳直径为：
Dm＝D2＝D0＋d绳＋2Φd绳＝429＋26＋2×0.9×26＝501.8mm
则滚筒转动一圈的钢丝绳的平均长度为：
Lm＝πDm＝3.14×501.8＝1575.6mm≈1.57m
游车大钩在钻台和天车之间的往复运动,减去安全防碰距离,它的行程约为L＝34－4.8－4≈25m.
游动系统有效绳数Z＝2×游车轮数＝2×5＝10.
则游车大钩起钻或下钻时,滚筒转动的圈数为：
N＝ZL/Lm＝10×25/1.57≈160.
小链轮齿数为14,大链轮齿数是84,则链传动的减速比为6,而减速机减速比为30,则总减速比为6×30＝180.
则游车大钩从上止点运行到下止点时,拨动盘转动的角度为160×360°/180＝320°＜360°,满足设计要求.
4 现场应用
此机械式游车防碰装置适用于油田车载式钻机、修井机,最开始是用在ZJ30钻机上.近几年有些用户在签订技术协议时,特别提出需要安装机械式游车防碰装置.该防碰装置可以直接安装在车台面上,位于绞车主滚筒旁,结构简单,安装调试方便,其既能防止游车大钩上行时碰撞天车,又能防止游车大钩在下行过程中碰撞钻台,提高了修井机在作业过程中的安全性.该装置已经在印度XJ550修井机和印度XJ350修井机上得到了应用,经过印度用户在油田现场的使用检验,效果良好.同时以该机械式防碰装置设计为基础,我们已向专利局提交了实用新型专利的申请.
参考文献
[1] 李继志．石油钻采机械概论[M]．东营：石油大学出版社,2006．
作者简介：周长旭（1988-）,男,中石化石油工程机械有限公司第四机械厂助理工程师,研究方向：石油钻采机械绞车和传动设计.
（责任编辑：周 琼）
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