采油車電控全自動排繩裝置

王哲， 祁小偉， 呂強， 馮耀東

（南陽第二石油裝備（集團）有限公司，河南南陽473006）

0 引言

在油田抽汲、采油作業時，需要將作業工具通過鋼絲繩在井內完成提升和下放工況。根據井深要求，滾筒配有數千米的鋼絲繩。作業時，如果鋼絲繩不能在滾筒上一層層地排列整齊，就會出現亂繩、咬繩現象，嚴重影響鋼絲繩壽命和作業安全。

目前大多數廠家采用機械排繩機構，即滾筒通過鏈傳動驅動排繩器上的正反絲杠旋轉，完成排繩器的移動和自動換向。該方法雖然結構簡單，但無法消除積累誤差的影響，必須手動參與調整。也有采用液壓和電控結合的自動排繩系統，但其缺點是系統繁雜和液壓的容積效率誤差大，不能很好地實現自動排繩。

1 技術分析

如圖1，根據 GB/T1955-2008標準要求，光面滾筒、多層纏繞時，自然排繩的出繩偏角θ≤2°。而影響排繩最主要的原因有兩個：1）鋼絲繩出繩偏角太大，不能滿足正常排繩的需要；2）鋼絲繩纏繞時張力太小，造成排繩不緊湊或亂繩。

圖1 鋼絲繩出繩偏角

抽汲作業采用的是光面滾筒、多層纏繞，鋼絲繩一端連接有加重桿和油抽子，在提升和下放時，鋼絲繩上始終保持有一定的張力。因此，關鍵是解決在排繩時，一直保持鋼絲繩的出繩偏角在標準要求的范圍內，并盡可能等于0°。

2 工作原理

在滾筒上纏繞的鋼絲繩，內層與外層都只與滾筒的轉速有關。當滾筒勻速旋轉時，內層與外層排滿一層的時間相等，即滾筒轉速與排繩同步。根據這個原理，只需將滾筒的轉速與鋼絲繩沿滾筒軸線移動的速度關聯起來，即可實現自動排繩。然而不論用任何形式的傳動，都不能避免尺寸誤差、傳動誤差與積累誤差，進而導致不能同步，改變出繩偏角的大小、引起亂繩等問題。所以必須引入有效的消除誤差的方法，才能解決自動排繩中出現的問題。在這里，把消除誤差的方法稱作糾偏。

現設計一種機械與電控相結合的排繩裝置，采用有效的糾偏措施，并即時對系統進行調整，以實現無需人工干預的全自動排繩系統。

如圖2，該裝置由滾筒、排繩器支架、PLC控制器、伺服電機及伺服控制器等組成。在滾筒上安裝轉速傳感器，排繩器支架上安裝有伺服電機、絲杠、導軌、移動支座、導繩輪、糾偏架、糾偏開關及換向開關。通過檢測滾筒轉速、換向、糾偏等信號，自動控制排繩器運動，達到自動排繩的目的。

圖2 電控全自動排繩裝置示意圖

糾偏架、糾偏開關和導繩輪安裝在移動支座上，移動支座通過伺服電機驅動絲杠，在導軌上左右移動。

如圖2所示，采集滾筒的轉速及正反轉信號，通過PLC和伺服控制器的處理，控制伺服電機旋轉，伺服電機通過絲杠驅動排繩器運動，實現滾筒旋轉1圈，鋼絲繩移動1個鋼絲繩直徑，保證鋼絲繩一直與滾筒軸線垂直。當鋼絲繩纏繞到滾筒邊緣時，觸碰換向開關使伺服電機反轉，排繩器換向移動。通過伺服電機精準地控制轉速，實現滾筒轉速與排繩器移動同步。

當鋼絲繩纏繞多層后，各種誤差的積累，導致鋼絲繩通過導繩輪后，與滾筒的軸線不垂直，出現偏角。由糾偏架將產生的出繩偏角放大，并觸碰糾偏開關，開關信號通過PLC和伺服控制器使伺服電機加速或減速，從而糾正偏角到垂直位置。同時，根據糾偏反饋給伺服電機的信號，即時調整伺服電機的轉速，以保證排繩器與滾筒同步運行。

由于要保證出繩偏角θ≤2°，而2°內的尺寸很小，糾偏架必須有放大的功能，才能夠準確地控制。如圖3所示，糾偏架上的撥叉會以A為鉸支點旋轉。當鋼絲繩通過導繩輪與滾筒徑向產生出繩偏角θ時，鋼絲繩會觸碰撥叉輪使撥叉旋轉，得到一個放大的夾角β，從而使撥叉觸碰糾偏開關。我們可以通過簡單的三角函數，計算出合理的糾偏架尺寸，使糾偏角度保證在-2°～2°之間，甚至更小。

圖3 糾偏架糾偏示意圖

由滾筒轉速傳感器輸出信號，控制排繩器運動，然后通過糾偏信號反饋給控制系統，驗證并調整伺服電機的輸入參數，使之形成閉環控制系統，有效地保證滾筒與排繩器一直處于同步運行的狀態。

同時，糾偏架還能起到自動找正的作用。當準備作業時，給系統供電，如果鋼絲繩通過導繩輪后，與滾筒的軸線不垂直，由于糾偏架觸碰到了糾偏開關，不用操控滾筒旋轉，開關信號通過PLC和伺服控制器就會控制伺服電機正轉或反轉，驅動排繩器運動，直到鋼絲繩與滾筒的軸線處于垂直位置的狀態。

3 技術經濟效益分析

電控全自動排繩裝置已于2013年獲得實用新型專利，專利號為ZL201220441559.4。

與現有技術相比，該全自動排繩控制裝置通過PLC和伺服控制器對伺服電機的精確控制、糾偏功能的實施和閉環控制系統，確保了整個作業過程中，無需任何人為干擾就能實現鋼絲繩在滾筒上的精確纏繞。采用的機械傳動和伺服控制系統，都屬于成熟技術，尤其是伺服控制已在各個領域廣泛應用，其可靠性與準確性也得到一致認可。

該裝置的結構形式和工作原理，也適用于各種絞車、卷揚的自動排繩，具有良好的應用前景和市場推廣價值。

4 結論

由于抽汲作業時要兼顧懸重、繩速、井深等多種參數，為了防止油液滲漏，提升過程不能中斷，因此采油車電控全自動排繩裝置，完全解除了作業人員對排繩問題的顧慮。并且延長了鋼絲繩的使用壽命，保障了作業安全，在現場試驗和實際使用中均得到了好評。

［1］ GB/T1955-2008建筑卷揚機［S］.