機械式游車防碰裝置在車裝修井機上的應用

摘要：油田車載式修井機的絞車系統一般安裝有電子防碰裝置和過卷防碰裝置，用來防止當大鉤提升重物上升到某位置，由于操作失誤或其他原因，應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用進行了探討。

關鍵詞：游車防碰裝置；絞車系統；主滾筒；機械式；車裝修井機 文獻標識碼：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

隨著時代的發展，油田安全管理要求的提高，油田單位對油田現場作業安全提出了更高的要求，用戶要求設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場人員的人身安全，在油田現場作業中安全永遠是放在第一位的。

車裝修井機是油田現場常見的修井作業設備，由于其能夠自走的特征，具有移運性強等特點，在油田現場應用廣泛。而起升系統作為車裝修井機的核心，它包括絞車系統、游動系統、井架。游動系統是位于井架頂部的天車定滑輪組和在井架內部上下做往復運動的動滑輪組通過鋼絲繩聯系起來組成的復滑輪系統，其帶動的大鉤可以承擔大于絞車快繩拉力幾倍的負荷。游動系統依靠絞車的動力和井架的支撐工作。作為修井機的核心，起升系統的安全性也是修井機作業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想。因此修井機在作業時，游車大鉤在天車和鉆臺面間上下往復運動，考慮到鉆臺面上人員和設備的安全性，油田用戶已經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計理念

在常規的修井機上，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。游車大鉤的提升高度與滾筒纏繩的層數、卷數相對應，將防碰閥的碰桿調整到一定滾筒纏繩的層數、卷數，可控制游車大鉤的高度。

同時，在常規的修井機絞車主滾筒中，在離合器一側的滾筒軸端裝有導氣龍頭，導氣龍頭和滾筒軸螺紋聯接。在設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動的裝置，將主滾筒的旋轉運動記錄并傳遞出去。于是我們設計了一個小鏈輪，它可以與主滾筒軸和導氣龍頭通過螺紋聯接，將小鏈輪連接在兩者之間，小鏈輪與軸同步旋轉，將主滾筒的旋轉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（觸點的位置由預設的游車大鉤的最高點和最低點極限值所對應的滾筒纏繩圈數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。主滾筒轉動時，帶動小鏈輪轉動，通過鏈條和減速器兩次減速傳動，將運動傳遞到撥動盤。游車大鉤運行到預設的高度時，撥動盤上相應的觸點觸動二位三通按鈕閥，發出氣壓信號，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；氣動控制可實現多種功能操作，與輔助剎車互鎖，當主滾筒結合時，輔助剎車脫離；主滾筒脫離時，輔助剎車才可能結合；與游車防碰機構關聯，當防碰閥被觸動，離合器強行脫離。可以滿足防碰機構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，經杠桿傳遞機構，推動曲拐拉動剎帶活動端，圍抱剎車鼓，使滾筒減速或停止；在剎帶的固定端，安裝有平衡梁機構，經調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防碰的作用，現于絞車架內部安裝有防碰氣缸，活塞桿連接在主滾筒剎車軸的拐臂，推動拐臂可實施剎車。當二位三通按鈕閥被撥動盤上相應的觸點觸碰，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，經拐臂推動剎車軸轉動，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：制動執行機構、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，為執行機構提供必需的液壓動力；操作臺是動力控制環節；執行機構是制動執行部分，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。當正常工作時，通過操作剎車閥的控制手柄，調節工作鉗對制動盤的正壓力，從而為主機提供大小可調的剎車力矩，滿足送鉆、起下鉆等不同工況的要求；當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；當二位三通按鈕閥被撥動盤上相應的觸點觸碰，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接，隨主滾筒軸同步轉動，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動盤聯接在一起的撥動盤。當游車大鉤到達極限點時，撥動盤上相應的觸點觸動二位三通按鈕閥，二位三通按鈕閥發出氣壓信號，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：（1）井架高度34m；（2）鉆臺面高度為4.8m；（3）游動系統結構為5×6；（4）主滾筒直徑為429mm；（5）鋼絲繩直徑為26mm。

現代的滾筒多采用Lebus繩槽，由于滾筒有槽，導致鋼絲繩大部分做環狀纏繞，并在180°對側有兩次跳槽，這就避免了一側跳槽帶來的滾筒旋轉質量不均勻的現象。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，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。

游動系統有效繩數Z=2×游車輪數=2×5=10。

則游車大鉤起鉆或下鉆時，滾筒轉動的圈數為：

N=ZL/Lm=10×25/1.57≈160。

小鏈輪齒數為14，大鏈輪齒數是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，撥動盤轉動的角度為160×360°/180=320°<360°，滿足設計要求。

4 現場應用

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協議時，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，結構簡單，安裝調試方便，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過程中的安全性。該裝置已經在印度XJ550修井機和印度XJ350修井機上得到了應用，經過印度用戶在油田現場的使用檢驗，效果良好。同時以該機械式防碰裝置設計為基礎，我們已向專利局提交了實用新型專利的申請。

參考文獻

[1] 李繼志.石油鉆采機械概論[M].東營：石油大學出版社，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計。

（責任編輯：周 瓊）