一種液壓電纜收放運專用車的研制

宋艷春

關鍵詞：電泵井 動力排纜 液壓電纜絞車

1前言

目前，潛油電泵、電潛柱塞泵等采油技術在國內外油田廣泛應用。潛油電泵井、電潛柱塞泵井維修作業時.電纜要隨管柱提升或下放。早期采用人工絞盤.后來逐漸升級為電動絞盤和液壓絞盤。不論電動絞盤還是液壓絞盤經常出現收放電纜不及時，造成電纜在井口堆積而卡阻管柱，造成大修井作業。另外，隨著電纜容量的增加，絞盤啟動和停止過程控制不平穩，耗時耗力，需要2～3人配合。

另外，現場作業時需要吊車的配合，電纜絞盤吊上吊下操作頻繁。存在嚴重的安全隱患和設備的資源浪費。綜上所述，對于電泵井維修作業.從降低油耗、提高工效、安全生產的角度，研制可以實現收、放、運輸電纜和電泵機組功能于一體的液壓電纜絞車意義重大。

2產品設計

2.1整體結構設計

動力電纜收放運專用車整體結構設計要從目前現場電泵井維修專用轎車技術存在的難點問題入手。首先，電纜滾筒作為獨立的設備，使用時需要卡車運輸和吊車配合。電纜滾筒吊上吊下操作頻繁，存在人工和設備資源浪費以及嚴重的安全隱患;其次，作業時沒有自動排纜裝置，電纜排列不規范，不僅人工的勞動強度大，而且人工收電纜容易造成電纜損壞：作業時動力電纜與油管的提升和下降不同步，容易出現電纜拉斷或打結現象，因此，產生不必要的大修作業;最后，電纜絞盤規格型號較多，一種型號的電纜絞車無法滿足多種型號電纜絞盤的安裝需要。隨著電纜容納量的增加，絞盤啟動和停止過程控制不平穩，耗費人力較多，需要2～3人配合。

研制動力電纜收放運專用車，能提高作業效率，減少作業人員數量，減輕勞動強度，最終形成能夠適應現場應用各種規格電纜滾筒的安裝.并同時配備兩口井維修用的電纜滾筒及電泵機組.使一次出工可以完成兩口井的檢泵作業，實現自動排纜，進而提高作業效率，降低作業成本。

圖1為總體設計方案，圖2為整車虛擬三維建模圖。

2.2動力系統設計

在汽車變速箱取力口端口上設計安裝兩個取力器。其中一個取力器用于將汽車動力取力傳遞給液壓折臂吊裝系統，另一個取力器將動力傳遞給電纜滾筒的液壓系統，實現電纜的提升和下放。作業滾筒的提升和下放采用比例多路閥控制，操作手柄帶有手動摩擦定位，液壓系統具有過載保護功能，防止電纜拉斷，且具備一定的電纜跟隨能力。動力系統流程圖如圖3所示。

2.3二類底盤選型

車輛底盤采用某品牌6x4底盤，軸距4375mm+1400mm，在滿足作業用電纜絞盤的安裝同時，仍然可以滿足兩臺電泵機組和兩盤新電纜絞盤的拉運同時，出工一次可以進行兩口井的維修作業。液壓系統動力來自于底盤變速箱，采用的車輛底盤變速箱型號為9JS135。該變速箱有兩個取力口，一路取力用于液壓折臂吊的安裝，另一路取力用于絞車滾筒的驅動。絞車滾筒、可調滾筒固定裝置的伸縮油缸以及排纜機構擺動油缸等驅動.主要通過開式液壓系統中的多路閥組.將動力油分別輸送給滾筒馬達、伸縮油缸和擺動油缸來實現。

2.4剮車架設計

副車架的設計直接決定整個動力電纜收放運專用車的可靠性。有限元的基本思想是將物體結構化并離散成有限個獨立單元，每一個單元中又設定了有限節點，這個節點值場函數就是基本未知量.進而用假設的近似插值函數來表達場函數的分布規律：有限元的過程就是將連續域中的無限自由度問題化為離散域中的有限自由度問題，所以可以通過Solidworks Simulation分析模塊對動力電纜收放運專用車副車架進行有限元分析，從而驗證副車架的材料設計以及結構設計的安全性和可靠性。

動力電纜收放運專用車副車架的分析采用三維建模軟件Solidworks，完成副車架的虛擬三維建模如圖4所示，直接運行Solidworks Simulation模塊進行彈性靜應力分析。其中Solidworks Simulation的結構分析過程包括預處理、求解和結果分析等.具體過程為建模、定義材料屬性、網格的劃分、求解和結果處理過程。

2.4.1副車架設計

副車架是動力電纜收放運專用車的主要受力部件.副車架上要安裝兩組備用電纜及滾筒、工作滾筒電纜以及排纜設備等。在實際的作業運行過程中。副車架不僅要滿足承受靜、動載荷的要求。又要滿足相關機組設備的安裝與連接要求.同時還得提供必要的操作空間。副車架承受來自兩組備用電纜及滾筒、工作滾筒電纜以及排纜設備的重力，并且考慮運輸過程中的振動等問題，副車架在材質與加工工藝上還要滿足使用要求。其中兩組備用電纜及滾筒座在副車架前端的三個預埋板上（平均分布）.預埋板下設計有鋪板，這種設計可以將承受的重力平均到主體框架上，使受力更加均勻，同理工作滾筒電纜及排纜設備下都設有預埋板.預埋板下都設計有鋪板。副車架主體材質選用Q235B材質的24a槽鋼以及板材與管材進行焊接而成。

2.4.2副車架承重受力計算

針對大慶油田常用電纜型號為OYPN3.3×16（20）/90的三芯鎧皮鋁電纜，其中帶鎧皮寬39mm，帶鎧皮厚15mm，單芯三層皮12.20mm，單芯二層皮12.00mm，單芯一層皮11.92mm.單鋁芯5.70mm.這種電纜的重量參數為2.6t/km，以動力電纜收放運專用車的收放電纜的適用設計范圍2km計算。

副車架各主要受力如下：

a.副車架前端配有兩個備用滾筒，滿載電纜時車架所承受的重力為：其中，G為承受重力，單位為N;p為每千米噸數，單位為t/km;M為電纜千米數，單位為km;g為重力加速度，取10N/kg;n為滾筒數量。

b.副車架中段部分安裝有一個工作滾筒，作業時車架所承受的重力為：

G=pMgnxl 000=2.6x2x10x1000=52000N=52kN式中，G為承受重力，單位為N;p為每千米噸數，單位為t/km;M為電纜長度，單位為km;g為重力加速度，取10N/kg;n為滾筒數量.

c.副車架尾端排纜設備處所承受的重力為：

2.4.3剮車架有限元分析預處理

在完成副車架的建模后。新建solidworksSimulation新算例，建立有限元模型，對副車架進行約束、加載和劃分網格等操作。設定Q235B材料屬性（見表1）。

副車架在靜止、運輸、運行狀態的都是承受重力.所以設定Solidworks Simulation為靜應力分析，并進一步設定夾具位置.固定方式選擇副車架與主車架的接觸部位.從而對副車架進行網格劃分.劃分結果、節點數、單元數及解算器信息處理。根據2.4.2副車架承受力計算：車架前端承受重力為104kN;副車架中段承受重力為52 kN;副車架后端承受重力為5.5kNo所有的重力都平均分布。SolidworksSimulation外部載荷力為分布在預埋板與鋪板上.采用有限元分析FFEplus算法以及P-自適應方法調整對底架進行求解.副車架網格劃分見圖5。

2.4.4結構有限元分析驗證

副車架有限元分析預處理完成后.求解得到米塞思應力云圖（變形圖），定義變形比例為真實比例，從而得到副車架的網格劃分圖、應力圖、位移圖、安全系數圖。見圖6～圖8。

2.4.5有限元分析結果

副車架有限元分析預處理完成后，求解得到米塞思應力云圖（變形圖），定義變形比例為放大真實比例。由副車架位移圖可以看到，副車架最大位移發生在前端兩組備用滾筒及電纜處，此處的承受重力最大，但最大位移量也很小，副車架在此處的最大變形量僅有0.553mm，幾乎不變形。

由副車架應力圖可以看到最大應力也發生在前端兩組備用滾筒及電纜處。有限元分析得到最大應力為71.7MPa，遠遠小于Q235B的屈服極限值235MPa，從圖中可以看到安全系數非常高，因此副車架的結構設計是可靠、安全的。

2.5折臂吊機選型

折臂吊機通過液壓舉升及伸縮系統來實現工作滾筒的更換以及全新電纜滾筒的的升降、回轉、吊裝。動力電纜收放運專用車的整體長度在6000mm內，而折臂吊機的起吊距離在7450mm之內，所以隨車起重機滿足其設計要求。

吊機性能參數如表2所示。

單個2000m電纜滾筒的自重為2600kg，而滾筒吊裝距離在6m之內，從吊機性能參數表中以看到，吊裝距離為6060mm時，起吊的重量為3270kg，所以隨車起重機SQ10DQZA3性能滿足設備需求。

2.6備用滾筒固定裝置

備用滾筒固定裝置由排纜導管和輪緣固定裝置等組成的一個金屬構架。構架用螺栓固定在整車副車架上，可以根據電纜滾筒直徑的大小進行調整。也可以根據現場電纜滾筒使用情況.針對不同的寬度進行調整。備用滾筒固定裝置整體固定方便可靠.既可以防止備用滾筒左右移動，也可以防止備用滾筒前后移動。

2.7滾筒可伸縮固定裝置

滾筒可伸縮固定裝置.采用液壓驅動。利用液壓油缸來執行伸縮動作，簡單可靠。當伸縮到位后，設計有鎖緊裝置，防止滾筒固定松動。電泵電纜絞盤根據油井深度不同需要配備不同的電纜絞盤，滾筒固定裝置具備適應現場應用的各種電纜絞盤的安裝，才能保證電泵井的檢修作業。根據這個要求，固定架有伸縮功能，同時，拆卸和安裝電纜絞盤要控制方便.安全可靠。

a.活動滾筒架可以在管架上左右滾動。根據滾筒寬度調節位置：

b.移動時由液壓油缸伸縮實現滾筒固定裝置的左右移動;

c.活動滾筒架的鎖緊裝置，采用兩個凸輪手柄推動加緊塊對管架實現機械夾緊鎖定。

2.8排纜機構設計

現用的電纜絞盤在起下電纜過程中.采用手動盤電纜，需要2-3人配合，勞動強度大，而且電纜排放不夠整齊。人工收電纜易造成電纜損壞，如果電纜收盤不及時，電纜由于自重下移.即電纜與油管上行不同步，電纜在受井筒摩擦的作用而下行，電纜的上行速度小于油管的上行速度，造成電纜在井筒或井口內堆積，輕則造成電纜損壞，重則電纜不上行，管柱被電纜卡死在井內無法提出，導致上大修作業，通過維護性作業難以恢復正常生產。下放管柱和電纜時，速度控制不好，易造成電纜在管柱上的過度松弛，造成電纜磨損，嚴重時會造成電纜打結，導致不必要的大修作業，增加費用投入。嚴重影響電潛泵井工作效率和原油產量。本裝置采用液壓排纜。解決人力手動排纜不整齊的問題，并且一個人操作，控制方便。

動力排纜收放運專用車的排纜結構要適應電纜規格的變化。常用矩形截面扁電纜規格本別是14mmx37mm、15mmx40mm、17mmx44mm，18mmx47mm;常用圓形截面電纜直徑分別為33mm、35mm、37mm、39mmo

電纜穿越空間要容納上面8種規格的電纜中尺寸規格最大的一種，寬度和高度都不能低于50mm，并可以利用兩位三通液壓手柄控制閥的H型中位功能.解決自動排纜的問題。

2.9液壓系統設計

液壓驅動控制系統主要包括液壓泵、低速大扭矩馬達、手動摩擦定位換向閥節流閥、溢流閥、單向閥、液壓油箱、液壓油過濾器、液壓膠管等多個零部件組成。

液壓泵通過手動摩擦定位的多路換向閥來驅動低速大扭矩馬達實現電纜滾筒的提升和下放。多路閥處于中位狀態.低速大扭矩馬達實現制動功能電纜滾筒停止轉動。本裝置增加了液壓卸荷回路.保證電纜提升時達到一定拉力后液壓系統自動卸荷，設定壓力保護功能。以免因為某些意外情況拉斷電纜.造成不必要的損失和維修作業。

液壓系統控制原理如下：

a.液壓油從換向閥P口到A口進入液壓馬達，電纜處于下放狀態;液壓油從換向閥P口到B口進入液壓馬達，電纜處于提升狀態;換向閥中位剎車。

b.恒張力閥塊上面設計安裝溢流閥，可調定電纜提升的恒張力值。

c.油管下放狀態，電纜跟隨被動下放，當張力超過恒張力值時.液壓系統液壓油從馬達高壓腔卸荷進入馬達低壓腔，跟隨下放。

d.油管上提狀態時，電纜主動上提，當電纜拉著油管超過張力設定值時，液壓油卸荷，馬達停止上提。

液壓系統的設計計算如下：

液壓馬達的選型計算。已知條件：為了實現電纜的同步跟隨，電纜拉力設置不能太大，設定為F=5000N滾筒直徑按照D=1500mm計算，根據公式：

因此，馬達的扭矩參數不能小于3750N.m，在該項目設計中，我們按照拉力安全系統1.35計算，馬達的實際扭矩參數應為5000N.mo根據扭矩T=5000N.m.選擇某公司的XSM2-630D47+F60101S型馬達。其具體參數如下：扭矩T=5000N.m;輸出轉速0-16r/min;總排量3436.5ml/rev;額定壓力16MPa;推薦泵的供油量48L/min;制動器開啟壓力2.2-2.5MPa;制動器最大耐壓25MPao

液壓泵的設計選型。考慮到液壓系統的效率.液壓泵可以選擇某公司的CBN-E463型齒輪泵。具體參數如下：公稱排量為63mL/rev;額定壓力12.5MPa;最高壓力16MPa;額定轉速1500r/min;最高轉速2000r/min;最低轉速800r/min;總效率≥81%;功率23.83kW。

2.10主要技術指標

主要技術指標如下：

a.滾筒規格：適用于2000m以內井深作業;

b.液壓系統額定工作壓力：16MPa;

c.最大拉力：50000N;

d.滾筒轉速：10～16r/min可調：

e.隨車吊額定載荷：10000kg。

3關鍵技術及創新點

3.1修井作業中液壓排纜方式

動力電纜收放運專用車實現了低速大噸位的排纜轉動，能很方便地進行大范圍的無級調速，且可在系統運行過程中調速。修井排纜過程中，液壓油缸的運動均勻穩定，排纜機構換向無換向沖擊，可頻繁換向。操作簡單，調整控制方便，實現了電纜過載保護.使用安全、可靠。

3.2可伸縮滾筒架偏心凸輪快速縮進機構設計

滾筒可伸縮固定裝置，采用液壓驅動，利用液壓油缸來執行伸縮動作.簡單可靠。當安裝滾筒伸縮到位后，設計有偏心凸輪鎖緊裝置，防止滾筒固定松動。伸縮動作可以根據油井深度配備相應的電纜絞盤，滾筒固定裝置具備適應現場應用的各種電纜絞盤的安裝.保證電泵井的檢修作業。

3.3恒張力系統的設計

利用液壓系統的張力識別，保證了電纜與管柱的速度相對同步，減少了作業過程中電纜拉斷或打結的幾率，降低作業成本。液壓油從換向閥P口到A口進入液壓馬達，電纜處于下放狀態;液壓油從換向閥P口到B口進入液壓馬達，電纜處于提升狀態;換向閥中位剎車。恒張力閥塊上面設計安裝溢流閥.可調定電纜提升的恒張力值。油管下放狀態，電纜跟隨被動下放，當張力超過恒張力值時，液壓系統液壓油從馬達高壓腔卸荷進入馬達低壓腔.跟隨下放。油管上提狀態時，電纜主動上提，當電纜拉著油管超過張力設定值時，液壓油卸荷，馬達停止上提。

4現場應用

電纜收放運專用車在大慶油田第八采油廠完成10口井的現場應用試驗，從現場應用情況看，應用效果良好，主要體現在：采用自動跟隨模式進行電纜提升和下放比較順暢，電纜沒有發生拉斷或打結現象;實現了一人操作完成絞車滾筒和排纜作業，比在用設備節省1～2人;平均作業效率提高了30%.修井作業時間從12h左右縮短到8h左右。表3為現場試驗應用情況。

5結語

電纜收放運專用車研制達到了立項之初的技術指標，提高了電泵井作業效率約30%，實現了減員1～2人，減輕工人勞動強度，實現電纜與油管的提升和下放的同步跟隨，從設備保障方面減少了電泵井大修作業的幾率和風險。另外解決了不同容量、不同規格滾筒的兼容性問題.具備快速鎖緊機構，操作方便，保證施工作業安全可靠。