張明云

(蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，甘肅蘭州 730314)

0 引言

隨著技術(shù)的革新、工藝的發(fā)展，新類型石油鉆機不斷涌現(xiàn)，絞車作為鉆機心臟，也是隨著鉆機不斷的變化和改進中。絞車作為鉆機的傳動系統(tǒng)之一，它不但擔(dān)負(fù)著為鉆機起下鉆具、下套管及上卸扣，鉆頭鉆進過程中控制鉆壓、處理事故，及提取巖芯筒，試油等任務(wù)。同時還擔(dān)負(fù)著井架及鉆機底座的起升和降落任務(wù)。絞車在使用過程中必須根據(jù)工況來選擇不同的運行速度以獲得最高的效率。現(xiàn)以本公司JC70D絞車為例，淺談絞車換擋機構(gòu)的設(shè)計。

1 絞車換擋機構(gòu)簡介

鉆機工作時，需要絞車在鉆進、提升中提供不同的速度以獲得更好的工作效率，現(xiàn)代絞車常用的換擋方式基本以氣缸換擋結(jié)合氣胎離合器換擋為主［1］。一般來說，JC70D絞車總共設(shè)四個檔位，通過輸入軸和中間軸之間的撥叉裝置及兩個鏈輪形成兩個檔位，而中間軸與滾筒軸之間通過高、低速離合器又形成兩個檔位。設(shè)置在中間軸的內(nèi)齒套如何運動并實現(xiàn)與不同的鏈輪掛合，是換擋機構(gòu)要做的事情。

現(xiàn)代鉆機操作均集成在一體化司鉆房內(nèi)，因此換擋操作也必須擺脫陳舊的手工機械換擋方式，采用氣缸提供動力便可實現(xiàn)在司鉆房內(nèi)進行換擋操作。如圖1所示，換擋機構(gòu)一般由氣缸、連桿、拉桿、頂桿閥、支撐軸座、撥叉等組成，通過氣缸的運動帶動連桿，再將連桿的運動通過支撐裝置變換為撥叉的運動，由撥叉帶動中間軸上的內(nèi)齒套左右運動，分別掛合至不同的空套鏈輪，從而達到換擋目的。

圖1 換擋機構(gòu)示意圖

2 換擋機構(gòu)設(shè)計及計算

2．1 設(shè) 計

如圖1所示，在氣缸作用下，拉桿繞支撐軸座運動，從而帶動撥叉左右運動，在運動到需要的位置時，氣缸必須停止運動，由此來確定氣缸的行程。氣缸行程確定后需要進行換擋氣缸的選擇，常用的有二位和三位，三位氣缸多一個中間空擋位，一般來說，選擇三位氣缸可以使得換擋時有過渡位置，操作更加靈活方便。設(shè)計時，如圖2所示，在氣缸和拉桿之間增加一個帶絲扣的連桿，可以使整個結(jié)構(gòu)具備一定的調(diào)整量，使得安裝過程靈活可靠。

司鉆進行換擋時，如何確定是否換擋成功，打開后罩翻板進行觀察顯然是一種落后的方式，如圖3所示，通過在拉桿焊一個擋板，在氣缸行程終點(L)放置頂桿閥，當(dāng)換擋成功時，拉桿運動帶動擋板壓下頂桿閥，頂桿閥通氣［2］，將兩個頂桿閥出口串聯(lián)通過梭閥連接到司鉆房氣壓表，有壓力顯示則表示換擋成功。

圖2 連桿

圖3 頂桿閥位置

設(shè)計撥叉時需要考慮安裝的方便性以及使用的可靠性，如圖5所示，通過螺栓連接把合，保證了安裝、維修的方便性。此外，因拉桿經(jīng)過鏈輪腔體，開孔處必須進行密封措施來阻止?jié)櫥屯ㄟ^此處泄露。

2．2 計算分析

換擋機構(gòu)設(shè)計時，計算出氣缸所需要的行程是設(shè)計的關(guān)鍵所在。如圖4所示，要完成換擋，內(nèi)齒套通過撥叉要左右運動與鏈輪體上的外齒完全掛合。左右運動的距離是計算氣缸行程的基礎(chǔ)。如圖5為換擋機構(gòu)左視圖。

圖4 中間軸內(nèi)外齒結(jié)構(gòu)

圖5 換擋機構(gòu)左視圖

圖5 中，因為H為中間軸中心高，已經(jīng)確定，h1為支撐軸座的中心高，h2為氣缸軸線中心高，根據(jù)杠桿原理有:

比值i越大則需要的氣缸推力就越小，因此h1越大，h2越小則i越大，因此h1、h2取值均根據(jù)滿足安裝條件下取極限值即可。

如圖6所示，確定h1、h2后，運用作圖的方法根據(jù)內(nèi)齒套運動距離可以測出氣缸的行程，當(dāng)然也可以通過計算的方法得出，不再贅述。

圖6 氣缸行程

3 結(jié)語

經(jīng)過上述設(shè)計、計算的換擋機構(gòu)經(jīng)過實踐檢驗可以滿足現(xiàn)代鉆機集中控制的要求，也能滿足維修安裝方便的要求，并能提供完整的換擋信息反饋，使用方便可靠。換擋過程中，連桿繞軸座的運動為圓弧，而非直線，這是設(shè)計撥叉時需要注意的一個問題。

［1］ 王元忠．氣胎離合器換擋絞車的設(shè)計與計算［J］．石油礦場機械，2001，30(5):38－ 40．

［2］ 董 輝．絞車的氣控系統(tǒng)流程設(shè)計［J］．石油礦場機械，2004，33(1):56－57．

［3］ SY//T5532－2010，石油鉆機用絞車［S］．2010．