段春梅，劉文杰，王冰

（連云港黃海機(jī)械股份有限公司，江蘇 連云港 222062）

0 前言

在全液壓及普通巖心鉆機(jī)上的繩索取心卷?yè)P(yáng)中均需要通過(guò)卷筒用鋼絲繩下放取芯裝置，起升井下巖心。其他在油田使用的采油車(chē)、撈沙車(chē)、盤(pán)管車(chē)、測(cè)井車(chē)等自帶卷筒的油田特種作業(yè)設(shè)備，均需在作業(yè)時(shí)鋼絲繩、電纜、液壓膠管、油管等能整齊有序的排列在卷筒上，卷筒的容繩量通常為幾百到上千米（此例中卷筒容繩量為2500m），普通自然排繩會(huì)將鋼絲繩堆積在卷筒的中部，不能充分利用整個(gè)卷筒的纏繩空間，同時(shí)還會(huì)造成鋼絲繩纏繞不均，松緊不均，被壓扁、折曲成角等現(xiàn)象，這樣會(huì)使得鋼絲繩壽命縮短，并影響鉆機(jī)的正常作業(yè)。為此，需要設(shè)計(jì)一種自動(dòng)排繩裝置，以實(shí)現(xiàn)鋼絲繩能逐層地纏繞在卷筒上，充分利用卷筒空間，并順利完成各種作業(yè)。

1 自動(dòng)排繩裝置的結(jié)構(gòu)及原理

繩索卷?yè)P(yáng)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)鋼絲繩在卷筒上纏滿(mǎn)一層后開(kāi)始下一層纏繞時(shí)必須換向，而卷筒自由纏繞不能滿(mǎn)足這個(gè)條件。因此就必須在卷筒固定架上增加一個(gè)自動(dòng)排繩裝置，從而使鋼絲繩能夠整齊有序的纏在卷筒上。

自動(dòng)排繩裝置主要由支架、導(dǎo)向光桿、往復(fù)絲桿、導(dǎo)向套、導(dǎo)向滑塊和鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成（圖1）。

自動(dòng)排繩裝置的工作原理是在卷?yè)P(yáng)卷筒旋轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)往復(fù)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，月牙導(dǎo)向滑塊在往復(fù)絲桿的雙向螺旋槽內(nèi)連續(xù)運(yùn)動(dòng)。帶動(dòng)導(dǎo)向套在導(dǎo)向光桿上左右移動(dòng)，鋼絲繩出繩通過(guò)導(dǎo)向套，從而實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的左右移動(dòng)。導(dǎo)向套移動(dòng)的距離與卷筒內(nèi)開(kāi)檔的距離應(yīng)一致。

圖1 機(jī)構(gòu)示意圖

2 往復(fù)絲桿的結(jié)構(gòu)形式

往復(fù)絲桿是此排繩裝置的主要組成部分，它是一個(gè)具有左右螺旋的螺桿，螺旋溝槽截面為矩形（圖2）。

圖2 往復(fù)絲桿

其兩端換向處采用圓弧曲線過(guò)渡，普通螺桿兩末端換向處為尖角，當(dāng)導(dǎo)向滑塊通過(guò)此次換向時(shí)會(huì)被內(nèi)側(cè)的尖角阻礙，出現(xiàn)剛性沖擊，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致滑塊被卡死、甚至破壞滑塊、導(dǎo)向套和往復(fù)絲桿。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)時(shí)，采用圓弧過(guò)渡能避免上述問(wèn)題，還能達(dá)到自動(dòng)換向的目的。過(guò)渡圓弧的大小由滑塊側(cè)面船形圓弧確定，為確保滑塊換向時(shí)流暢，絲桿換向圓弧要比滑塊側(cè)圓弧大5～8mm。衡量絲桿加工質(zhì)量的主要依據(jù)是滑塊在末端換向時(shí)是否有沖擊。此外為了保證絲桿在工作時(shí)穩(wěn)定可靠，壓力角的大小也是非常重要的，溝槽曲線與往復(fù)絲桿圓柱表面曲線的夾角不應(yīng)該過(guò)小，其大小與絲桿的直徑有關(guān)，而直徑由允許壓力角的大小決定，一般壓力角的最大值為45°。

3 導(dǎo)向滑塊的結(jié)構(gòu)形式

導(dǎo)向滑塊是在往復(fù)絲桿的螺旋溝槽中左右游動(dòng)的月牙形滑塊，其尺寸與往復(fù)絲桿溝槽與直徑大小有關(guān)（圖3），導(dǎo)向滑塊兩側(cè)呈船形，底部為月牙形。

圖3 導(dǎo)向滑塊

導(dǎo)向滑塊底部的圓弧R與往復(fù)絲杠螺旋槽底部直徑的一半相等，h＝R，如底部圓弧想要與絲桿螺旋槽底部更好的配合，可將滑塊按圖示分別順時(shí)針、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)α后加工出圓弧R。其中角度α為往復(fù)絲桿的螺旋升角；

式中：t—往復(fù)絲桿的螺距，mm；

D—往復(fù)絲桿的螺旋中徑，mm。

滑塊在往復(fù)絲桿上往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在運(yùn)動(dòng)到雙向螺旋槽的交叉點(diǎn)時(shí)，如果導(dǎo)向滑塊的長(zhǎng)度Ld的設(shè)計(jì)不合理，其會(huì)轉(zhuǎn)入與其運(yùn)動(dòng)軌跡反向的螺旋槽中，也會(huì)使得鋼絲繩無(wú)序排列。因此導(dǎo)向滑塊長(zhǎng)度Ld須由絲桿交叉點(diǎn)的溝槽尺寸來(lái)確定，由上圖2可看出只要滑塊長(zhǎng)度Ld大于絲桿交叉點(diǎn)溝槽中對(duì)角線較大的長(zhǎng)者L，滑塊就可順利的通過(guò)每個(gè)交叉點(diǎn)，導(dǎo)向滑塊長(zhǎng)度Ld＝L＋（4～6）mm。

導(dǎo)向滑塊寬度B由絲桿螺旋槽寬度確定其值比溝槽寬度略小0.15～0.3mm，導(dǎo)向滑塊兩側(cè)圓?。?/p>

上式中，注意Rd應(yīng)大于溝槽換向處外壁曲線的曲率半徑，否則滑塊將無(wú)法運(yùn)行。

由于滑塊一直在絲桿上往復(fù)運(yùn)動(dòng)并有可能會(huì)受到一定的沖擊，因此其加工材質(zhì)應(yīng)具有好的耐磨性、強(qiáng)度及韌性，一般選用碳鋼和錫青銅合金，如選用碳鋼時(shí)不要與往復(fù)絲桿選用同一種材質(zhì)，其熱處理硬度也應(yīng)比絲桿的低。

4 鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

為保證往復(fù)絲桿與卷?yè)P(yáng)卷筒運(yùn)轉(zhuǎn)同步，自動(dòng)排繩裝置設(shè)置了采用鏈傳動(dòng)方式的同步傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，及卷?yè)P(yáng)卷筒驅(qū)動(dòng)往復(fù)絲桿的機(jī)構(gòu)又稱(chēng)同步機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)能使得鋼絲繩在卷筒上纏繞完一層后，滑塊正好運(yùn)動(dòng)到絲桿換向處從而帶動(dòng)鋼絲繩向卷筒另一側(cè)運(yùn)動(dòng)，使得滑塊與鋼絲繩在卷筒上的纏繞保持同步。如上圖1所示，在卷筒和往復(fù)絲桿上分別裝有鏈輪，其傳動(dòng)比由鋼絲繩直徑?jīng)Q定，計(jì)算式如下：

式中：n1—卷筒纏繞鋼絲繩的總?cè)?shù)；

n2—往復(fù)絲桿螺旋的總?cè)?shù)；

L0—卷筒開(kāi)檔尺寸，mm；

d0—鋼絲繩的直徑，mm；

Δ—壓扁系數(shù)（0～2），mm。

通過(guò)傳動(dòng)比i，當(dāng)鋼絲繩在卷筒上纏滿(mǎn)一層時(shí)，絲桿上的導(dǎo)向滑塊正好運(yùn)動(dòng)到換向點(diǎn)，當(dāng)卷筒開(kāi)始下一層纏繞時(shí)導(dǎo)向滑塊也正好開(kāi)始向卷筒的另一端運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換向的要求。

5 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用后證實(shí)此自動(dòng)排繩機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)并不需要其他的額外驅(qū)動(dòng)力等特點(diǎn)，有效地減少了卷?yè)P(yáng)在運(yùn)轉(zhuǎn)中鋼絲繩的磨損，斷繩及傷人事故，消除了安全隱患，提高了鋼絲繩的使用壽命和鉆機(jī)的工作效率。

［1］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版 第2卷）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［2］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版 第3卷）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［3］吳娟，等.液壓排繩裝置的設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)械，2003（7）.