石油鉆機天車防碰裝置改進設計

王議，張瑞娟，張鵬飛，李立新，何慶，姜小剛

（1.寶雞石油機械有限責任公司；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心；3.寶雞技師學院，陜西 寶雞 721002）

石油鉆機天車防碰裝置改進設計

王議1,2，張瑞娟3，張鵬飛1,2，李立新1，何慶1,2，姜小剛1

（1.寶雞石油機械有限責任公司；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心；3.寶雞技師學院，陜西 寶雞 721002）

針對常規石油鉆機天車防碰裝置安裝維護困難、防碰高度不可調等諸多缺點，從現場使用的角度出發，創新思路對其進行了改進設計，并完成了樣機的試制，在鉆機上獲得了較為理想的試驗效果，也印證了系統設計方案的可行性。

石油鉆機；天車防碰裝置；改進； 氣控閥；配重塊；鋼絲繩

目前，常規石油鉆機配套的天車防碰裝置，主要由天車防碰梁、防碰氣控閥、防碰鋼絲繩等組成。當上行的游車撞擊繃緊的鋼絲繩時，鋼絲繩拉動氣控閥動作，實現防碰功能。該裝置存在以下不足：一是防碰梁、懸繩器和防碰鋼絲繩安裝在高位，現場維護時需要操作者爬到井架上段或天車上進行高空作業，存在一定的安全風險；二是天車防碰高度不可調節，無法滿足不同鉆井設備防碰高度的要求；三是鉆井鋼絲繩與防碰鋼絲繩交叉，在游車碰撞鋼絲繩時，易發生防碰鋼絲繩夾在游車滑輪槽內，引發事故。因此應對其進行必要的改進。

1 系統概述

改進后天車防碰裝置由二位三通氣控閥、配重塊、鋼絲繩、導向輪總成等部分組成，安裝如圖1所示。

圖1 天車防碰裝置安裝示意圖

整個系統工作過程是，在圖1中，將配重塊（5）按照鉆機設計要求的防碰高度卡在與死繩最近的第一根快繩上。鋼絲繩（7）的一端與配重塊相連，另一端經過井架上段的導向輪總成（6）順井架左前腿與籠梯支腿之間而下，與安裝在井架下段籠梯處的氣控閥（7）相連，將閥的壓板拉緊，使閥處于斷氣狀態。當游車上行到防碰高度處頂到配重塊（5），鋼絲繩（7）松弛，氣控閥（8）動作通氣，切斷盤剎控制氣和滾筒離合器氣源，使滾筒剎車。當防碰解除后手動按壓防碰閥壓板，防碰閥斷氣，剎車解除，游車向下運行，鋼絲繩（7）通過配重塊（5）的自重重新拉緊氣控閥，游車正常工作。

2 元器件選型計算

2.1 氣控閥選型

常規的鋼絲繩天車防碰裝置是通過游車撞擊防碰鋼絲繩，防碰鋼絲繩拉防碰閥，防碰閥通氣動作，實現剎車。根據設計要求，需要選擇一種閥，在不受力的情況下，可以使氣路接通，實現剎車。在這里選用FESTO滾輪杠桿式二位三通氣控閥（常閉），型號R-3-1/4-B。工作原理：閥的杠桿在不受力時，氣路接通；杠桿受到拉力時，壓下閥體觸頭，氣路斷開。

2.1.1 主要參數

驅動方式：單項滾輪杠桿式閥；工作介質：過濾壓縮空氣；安裝方式：兩個通孔安裝；接口：G1/4；標準額定流量(l/min)：550；工作壓力范圍（bar）：-0.95～+10；驅動力（N）：35；溫度范圍（℃）：-10～+60；材料：閥體，壓鑄鋁合金；密封件，丁腈橡膠。

2.1.2 對閥的改進

在正常情況下，氣控閥滾輪杠桿要受到配重塊和鋼絲繩的拉力，對閥體觸頭產生壓力，斷開氣路，滾輪杠桿上還要連接鋼絲繩。顯然原有結構不能滿足要求。在這里對閥的滾輪杠桿做了更改，改成了加長壓板，上面有開孔，可以很方便綁鋼絲繩。而且在氣控閥處，通過改變鋼絲繩的長度，來改變配重塊的高度，從而能改變防碰高度。改進后的閥體實物，見圖2。

圖2 二位三通氣控閥

2.2 配重塊設計

重量計算。配重塊通過鋼絲繩給氣控閥拉力，在正常情況下靠自身重力可以使閥的杠桿壓下觸頭，使閥動作；防碰釋放后能依靠自身重力復位。它的最小重量G應該為閥的驅動力F1（35N）與鋼絲繩重量F2之和，即：G=F1+F2。

鋼絲繩是從配重塊的位置經過導向輪，再到達籠梯下端的氣控閥，根據井架高度，鋼絲繩長度估算為60m，如果選用直徑為3.5mm的鋼絲繩，查閱相關資料，得到3.5mm鋼絲繩的近似質量系數為，則：

結構設計。配重塊要求能在鉆井鋼絲繩上，上下移動，而且不能與鉆井鋼絲繩摩擦，安裝還要簡單，考慮將配重塊做成空心圓柱體形狀。把它沿高的方向切成兩等份，一邊用合頁連接，另一邊用螺栓固定。在配重塊上增加提環，用于和鋼絲繩的連接。配重塊實物如圖3所示。

圖3 配重塊

外型尺寸確定。設圓柱體的質量m，它的外徑為d1,內徑為d2,高為h，鐵的密度為ρ，則：

根據表1，考慮配重塊兩側鉆井鋼絲繩間隙，不能與鉆井鋼絲繩摩擦，而且在防碰時配重塊不能卡在游車的繩槽內。

表1 系列鉆機游車繩槽寬度對照表

配重塊安裝。配重塊安裝在與死繩最近的快繩上如圖4所示。由于游車相當于動滑輪組，在工作過程中動滑輪組的第一根繩移動的速度與死繩最接近，所以快繩與配重塊的摩擦小，振動小，減小了因外力變化而使防碰裝置發生故障的可能性（圖4）。

圖4 配重塊安裝位置示意圖

2.3 其他附件

（1） 氣控閥加長板。固定防碰鋼絲繩，調節防碰高度。（2） 導向輪總成。包括安裝板、U型卡、導向輪、螺母、螺栓（天車底部安裝）、繩卡等，起導向作用，安裝在井架左上段最上端的花梁上。

3 系統優點

改進后天車防碰裝置在我公司一套40DB鉆機上進行了試驗，試驗效果良好，能實現預定功能。有以下優點：（1）去掉了防碰梁，結構簡單，生產成本低。（2）安裝或檢修時可在低位進行，避免了高空作業。（3）可以方便調節防碰高度，克服了常規天車防碰裝置不能調節。

防碰高度的缺點。（1）反應速度靈敏，3～4s，與常規天車防碰裝置響應時間相當。（2）鋼絲繩與快繩平行安裝，游車移動時，兩繩無磨擦，無干涉、纏繞現象。

4 結語

經過改進后的天車防碰裝置，結構簡單，安裝方便，并且可以隨意調節防碰高度，能很好地滿足鉆井工藝的要求；其生產成本低廉、可靠性高、實用性好，在石油鉆機上將會有廣闊的推廣前景。

[1]李立新，戴世安，李洪波.石油鉆機用天車防碰裝置，ZL 201020619694.4[P] ，2011,6,22.

[2]《石油鉆機》編委會,石油鉆機[M].北京：石油工業出版社，2012:304～306.

[3]成大先.機械設計手冊（第四版）第5卷[M].北京：化學工業出版社，2002,(19～67).

[4]周鶴法，舒干，張曉東，龔才德，彭遠龍，肖華清.重錘式天車防碰裝置改進設計[J].中國安全科學學報，1996,12:12～15.

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