高明帥，宋志亮，段瑩，臧臣坤，沈懷浦，任啟偉

(1.中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100120；2.同方知網(wǎng)(北京)技術(shù)有限公司，北京 100192；3.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊 065000)

0 引言

20世紀20年代繩索取心方法多用于石油鉆井，但到50年代國外已廣泛用于巖心鉆進。我國于1975年成功研制了繩索取心鉆具，現(xiàn)已在地礦、冶金、煤炭等部門形成了各自的規(guī)格系列。繩索取心技術(shù)是鉆探工作的一項革命性進步，通過繩索絞車可以將巖心內(nèi)管從鉆桿柱內(nèi)撈取上來，從幾十米的淺孔直至超過萬米的超深孔均可使用，而且鉆孔越深其優(yōu)越性越明顯，大大縮短原有提鉆取心方法的工作時間[1]。

1 主要問題分析

隨著深孔和超深孔勘探任務(wù)的增多，絞車的纏繩量也隨之不斷增大，繩索絞車滾筒必然出現(xiàn)多層纏繩問題。鋼絲繩纏繞層數(shù)增多會出現(xiàn)壘繩(壓繩)、跳繩、咬繩等現(xiàn)象，嚴重影響鋼絲繩的使用壽命甚至威脅巖心的安全打撈。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是由于：①鋼絲繩的入繩角度太小，導(dǎo)致多層鋼絲繩相互擠壓；②絞車滾筒在纏放繩時鋼絲繩無張力導(dǎo)致的纏繩不緊，當鋼絲繩重新受力時會發(fā)生咬繩現(xiàn)象；③鋼絲繩使用一段時間后會產(chǎn)生變形，在多次纏放的過程中就會出現(xiàn)壘繩和咬繩問題；④盡管有些繩索絞車為解決這個問題加裝排繩裝置，但排繩裝置與鋼絲繩在滾筒上的運動匹配性還是不足以徹底解決這個問題，同時排繩機構(gòu)不能快速的調(diào)整適應(yīng)不同規(guī)格的鋼絲繩以及無法很好的通過有繩結(jié)的鋼絲繩。這些問題都嚴重威脅著繩索取心工藝的使用，同時更制約著繩索絞車的發(fā)展。本文從鋼絲繩的運動分析及不同排繩機構(gòu)的工作原理入手，希望通過優(yōu)化排繩機構(gòu)與絞車滾筒的匹配性解決絞車的排繩問題，為繩索取心絞車的設(shè)計和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2 鋼絲繩運動狀態(tài)分析

由于絞車滾筒長度有限，絞車在工作時就需要進行多層纏繩，所以鋼絲繩就會在滾筒上呈螺旋方式正反交替纏繞。在鉆機天車或者鵝頭繩輪與絞車之間存在導(dǎo)繩輪，所以鋼絲繩的運動方向勢必與滾筒的外輪廓母線存在一個夾角θ。如圖1所示，首先假設(shè)鋼絲繩始終以夾角θ沿著滾筒軸線方向螺旋運動，夾角θ的大小影響著鋼絲繩的纏繩力和纏繩松緊。

圖1 鋼絲繩排列示意

如圖1滾筒上鋼絲繩的運動軌跡為螺旋線，假設(shè)鋼絲繩緊密排列即螺距等于繩徑d。由于每一圈鋼絲繩的螺旋線都相同，所以將螺旋鋼絲繩展開成如圖2所示的三角形運動矢量圖，組成三角形的兩條直角邊分別為螺距d、滾筒周長πDn，斜邊為構(gòu)成一圈螺旋的鋼絲繩長L。

圖2 螺旋鋼絲繩運動展開矢量圖

由圖2可見，螺旋升角θ可由下式求得：

(1)

式中：d為鋼絲繩直徑；Dn為第n繞層的滾筒有效直徑。

運動過程中，鋼絲繩的張力、運動速度在滾筒軸線方向分量的張力和運動速度合成圖是螺旋展開三角形的相似三角形，鋼絲繩的運動速度v可由下式求得：

v=vG+vd

(2)

式中：vG為鋼絲繩沿滾筒徑向速度分量；vd為鋼絲繩沿滾筒軸線方向的速度分量即排繩速度。

鋼絲繩在非自由松弛狀態(tài)下沿滾筒運動過程中的張力F可由下式求得：

F=FDn+Fd

(3)

式中：FDn為鋼絲繩沿滾筒徑向的受力分量；Fd為 鋼絲繩沿滾筒軸線的分量。

FDn作用在滾筒上，F(xiàn)d則是鋼絲繩之間的擠壓力和排繩機構(gòu)驅(qū)動力的合力，F(xiàn)Dn應(yīng)大于鋼絲繩在層上移動的摩擦力、排繩器移動所需動力、使鋼絲繩偏移θ需要的彎曲力之和。

以上結(jié)論是建立在假設(shè)鋼絲繩垂直于滾筒情況下得出的。由于負載點和滾筒兩端點呈三角形，所以在滾筒纏放鋼絲繩時，鋼絲繩和滾筒之間的夾角是變化的，只有在鋼絲繩跡線和以負載點為頂點的直角三角形重合時，才有垂直于滾筒情況。所以，當鋼絲繩不垂直于滾筒時，無法實現(xiàn)圖2所示的運動關(guān)系，導(dǎo)致不同匝間繩互相擠壓或松脫現(xiàn)象，最終造成排繩不整齊。為了降低此夾角對排繩效果的影響，可在絞車滾筒上安裝排繩裝置，使鋼絲繩進入排繩器時均垂直于滾筒，當排繩裝置滿足滾筒轉(zhuǎn)一周排繩器沿滾筒軸線移動一個繩距(此處繩距應(yīng)該是鋼絲繩直徑的修正尺寸，對新鋼絲繩一般取1.1倍，使用時間較長磨損嚴重的鋼絲繩一般取1.01～1.03[2,3])或通過檢測始終使入繩角度處于一定范圍內(nèi)即可確保上述三角關(guān)系在排繩過程中保持成立。

3 排繩器工作原理分析

3.1 圓柱凸輪排繩機構(gòu)

如圖3所示的圓柱凸輪排繩機構(gòu)由驅(qū)動電機、滾筒、主動輪、皮帶/鏈條、從動輪、圓柱凸輪、滑塊及壓繩輪組等組成。圓柱凸輪四周環(huán)狀導(dǎo)槽可以驅(qū)動滑塊沿導(dǎo)向桿直線往復(fù)運動，通過更換驅(qū)動輪系的傳動比和不同的圓柱凸輪導(dǎo)槽輪廓曲線實現(xiàn)對不同工況下鋼絲繩的排繩工作。這種形式的排繩機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，無需增加動力，對原有絞車改動量小，運行維護簡單，只需要定期檢查皮帶/鏈條傳動裝置的潤滑、預(yù)緊等；此外，圓柱凸輪的加工也比后文介紹的幾種不同排繩機構(gòu)簡單很多，且凸輪的輪廓曲線可以很容易的計算獲得。因此，該種結(jié)構(gòu)可以比較方便地在傳統(tǒng)機械式繩索絞車上進行安裝和應(yīng)用。

圖3 凸輪排繩機構(gòu)工作原理示意圖

從圖3中還可以看出，如果想要實現(xiàn)對滾筒的全行程排繩勢必要求較長的圓柱凸輪，而在設(shè)計繩索絞車時應(yīng)避免滾筒纏繩層數(shù)過多，在尺寸允許情況下，越長的軸向距離有可能減少絞車滾筒纏繩層數(shù)，這也是目前解決絞車亂繩的辦法之一。所以，針對一些較長的繩索取心絞車滾筒，該裝置受到凸輪自身尺寸限制使其推廣具有一定局限性。因為需要借助絞車原有動力，所以在傳動系統(tǒng)設(shè)計時就要充分考慮傳動方式和傳動比，這樣一來凸輪與滾筒的運行匹配性就很難達到預(yù)期效果。如圖4所示的圓柱凸輪展開示意圖中，壓力角α需要綜合考慮鋼絲繩直徑、滾筒直徑、絞車纏放繩速度等參數(shù)，所以當絞車更換鋼絲繩或者速度發(fā)生變化時會產(chǎn)生重新匹配凸輪輪廓曲線的問題，會造成很大的浪費。

圖4 圓柱凸輪展開示意圖

3.2 液控排繩機構(gòu)

液控排繩機構(gòu)如圖5所示，由執(zhí)行原件油缸、導(dǎo)繩輪、絞車滾筒和驅(qū)動輪以及控制原件泵、溢流閥、換向閥、調(diào)速閥等組成。液壓回路通過操作換向閥實現(xiàn)油缸的伸縮進而控制導(dǎo)繩輪帶動鋼絲繩沿著滾筒軸向往復(fù)運動，通過調(diào)速閥可以實現(xiàn)對排繩速度的控制。此排繩方式機械結(jié)構(gòu)和液壓控制回路簡單，可以通過加裝行程開關(guān)的方式實現(xiàn)換向閥自動換向，即實現(xiàn)自動排繩的效果。當更換不同直徑鋼絲繩時，重新匹配油缸與滾筒速度關(guān)系即可。

圖5 液控排繩機構(gòu)工作原理示意圖

此方式多用在自帶液壓系統(tǒng)的鉆機或者自動化程度較高的電驅(qū)動鉆機中，如果單獨為繩索絞車配套液壓排繩機構(gòu)首次購置成本很大，不利于其推廣使用。在使用人工進行換向操作時，雖然降低了工人排繩的勞動強度，但由于人工換向時機的把握準確度有限，影響排繩效果；其次是卷筒轉(zhuǎn)速和油缸移動速度的匹配性問題，卷筒轉(zhuǎn)速受手柄控制，油缸速度必須與卷筒速度關(guān)聯(lián)才能實現(xiàn)同步排繩，只能依靠人員的不斷調(diào)節(jié)。

3.3 皮帶排繩機構(gòu)

圖6所示皮帶排繩機構(gòu)應(yīng)用于石油測井絞車的排纜工作[4]，用于地質(zhì)繩索絞車的報道較少，但這種排繩裝置的工作方式可以借鑒。該裝置可由變速電機驅(qū)動帶輪實現(xiàn)皮帶的直線運動，電磁鐵與夾緊元件夾緊皮帶并跟隨皮帶一起直線運動實現(xiàn)排繩；當壓繩滾輪組到達極限位置觸碰換向開關(guān)，夾緊元件與另外一側(cè)電磁鐵吸合，實現(xiàn)往復(fù)排繩。

圖6 皮帶排繩裝置工作原理示意圖

該裝置多用在排繩力量較小的工況，皮帶與夾緊元件和電磁鐵之間會產(chǎn)生摩擦打滑，也容易造成排繩預(yù)緊力不夠的問題，但該裝置可以通過選用異型皮帶材料增大皮帶摩擦力。該裝置可以通過無級變速調(diào)節(jié)皮帶的運行速度，相比液壓和凸輪等排繩機構(gòu)具備較強的工況適應(yīng)性，在地質(zhì)小口徑淺層鉆機的繩索取心絞車上具有一定的應(yīng)用借鑒意義。

3.4 絲杠排繩機構(gòu)

絲杠排繩機構(gòu)在目前地質(zhì)繩索絞車中使用最多，主要因為其結(jié)構(gòu)簡單，可通過雙頭絲杠實現(xiàn)自動往復(fù)排繩，排繩力量較大適合深孔和超深孔重載取心工作中的排繩。該裝置核心部件是一根有雙向?qū)Р鄣慕z杠和與之配合的滾輪組，滾輪組內(nèi)裝有螺母可以在絲杠的驅(qū)動下實現(xiàn)直線運動，通過雙向絲杠導(dǎo)槽終端的過渡圓弧實現(xiàn)換向。

該裝置可通過絞車原有動力驅(qū)動，如圖7所示的皮帶/鏈條的傳動方式是目前深孔地質(zhì)絞車最常用的驅(qū)動形式。中國地質(zhì)裝備集團有限公司已經(jīng)成功將絲杠排繩機構(gòu)應(yīng)用于“YSL 3000型繩索取心液壓絞車”，該絞車在汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探二號孔(WFSD-2)項目中順利完成3000 m的繩索取心工作，整套排繩裝置運行狀態(tài)穩(wěn)定[5]。目前，該裝置又成功應(yīng)用在中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司與衡陽中地裝備探礦工程機械有限公司聯(lián)合研發(fā)的XD20/30/40DB電驅(qū)動頂驅(qū)式巖心鉆機繩索取心絞車、中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司與張家口中地裝備探礦工程機械有限公司聯(lián)合研發(fā)的XY-8DB電驅(qū)動立軸式繩索取心絞車，可以通過更換鏈輪傳動比適配不同直徑鋼絲繩，取得了很好的應(yīng)用效果，成功緩解了鋼絲繩的亂繩、咬繩、壘繩等問題，延長鋼絲繩的使用壽命，避免由于繩索絞車安全問題造成的損失。

圖7 絲杠排繩機構(gòu)工作原理示意圖

3.5 光桿排繩機構(gòu)

圖8所示的光桿排繩機構(gòu)是目前較新的地質(zhì)繩索絞車排繩方式，這種方式之前多應(yīng)用于紡織和石油測井領(lǐng)域。紡織設(shè)備需要對絲線進行纏放，石油測井過程中長行程的電纜也需要絞車的拖拽作業(yè)，這兩種工況都存在速度高、力量小、運行速度平穩(wěn)等特點，而地質(zhì)繩索絞車由于在打撈巖心時經(jīng)常遇到卡阻等孔下復(fù)雜多變的阻尼狀態(tài)，因此，地質(zhì)繩索絞車具有鋼絲繩力量大、繩速經(jīng)常變化等特點，尤其在深孔絞車的使用過程中更加明顯。通過對光桿排繩器工作原理和特點的分析可以發(fā)現(xiàn)，光桿排繩器依靠一對呈V字形安裝的軸承在光軸旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的軸向推力實現(xiàn)軸向移動，當運行到預(yù)定位置換向開關(guān)撞擊限位塊將V型軸承的開口方向進行換向，進而產(chǎn)生反向的軸向力實現(xiàn)反向排繩。通過調(diào)整限位塊和換向開關(guān)的位置可以實現(xiàn)其與絞車滾筒邊緣的匹配。

圖8 光桿排繩機構(gòu)工作原理示意圖

光桿排繩器的運行速度和排繩力的控制是通過調(diào)節(jié)V型軸承夾角實現(xiàn)的，可以實現(xiàn)無級調(diào)速和對鋼絲繩側(cè)向拉力的抵消。目前該原理的排繩機構(gòu)已經(jīng)成功應(yīng)用在中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院研制的XD 600系列便攜式全液壓巖心鉆機的繩索絞車上，通過現(xiàn)場試驗證明滿足絞車的排繩需要，成功完成546 m全孔繩索取心的鉆探任務(wù)，在施工過程中設(shè)備運行狀態(tài)良好。此類型的排繩裝置對于側(cè)向力不大、鋼絲繩運行速度較平穩(wěn)的千米以內(nèi)地質(zhì)繩索絞車具有較好的應(yīng)用前景。

3.6 閉環(huán)控制排繩方式

隨著地質(zhì)裝備整體實現(xiàn)自動化，繩索絞車的自動化控制也在不斷進步。如圖9所示的閉環(huán)自動控制排繩裝置由步進電機驅(qū)動雙頭絲杠帶動壓繩滾輪組往復(fù)運動，相比前文提到的幾種排繩方式，步進電機驅(qū)動的方式具有優(yōu)越的位置控制精度，可實現(xiàn)對排繩速度、入繩角度的自動調(diào)整，更加適應(yīng)地質(zhì)絞車多變的使用工況[6](更換鋼絲繩、改變絞車滾筒運行速度等)。

圖9 閉環(huán)控制排繩方式工作原理示意圖

閉環(huán)控制原理如圖10所示，唯一需要人工操作的是司鉆通過操作面板給PLC一個絞車的動作信號，PLC控制滾筒正反轉(zhuǎn)和步進電機轉(zhuǎn)動，滾筒編碼器和角度測量傳感器將數(shù)據(jù)反饋給PLC進行判斷，當入繩角θ滿足預(yù)設(shè)的角度范圍(入繩角范圍根據(jù)滾筒長度、鋼絲繩纏繞方式以及鋼絲繩直徑等參數(shù)設(shè)定，具體計算方法在此不做說明)時，說明絞車運行狀態(tài)正常，排繩狀態(tài)正常。相反，當入繩角度過小或者過大時一定是排繩裝置與滾筒纏放繩速度不匹配導(dǎo)致的，這時反饋信號經(jīng)過PLC的綜合判斷對步進電機進行位置控制，將入繩角度調(diào)整到預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，實現(xiàn)對絞車排繩裝置的自動閉環(huán)控制。

圖10 排繩裝置閉環(huán)控制原理示意圖

此裝置可以從根本上減少人員的勞動強度和人工操作帶來的不可靠因素，還可以解決不同排繩需求時對結(jié)構(gòu)部件的更換所造成的成本浪費和設(shè)備龐雜。但這種排繩裝置對地質(zhì)鉆機整體自動化要求較高，單次購置成本較上文提到的機械、液壓式排繩機構(gòu)會有所增加。

3.7 不同排繩機構(gòu)的對比

經(jīng)過對上文六種排繩機構(gòu)的控制方式、動力來源、人員勞動強度的綜合分析，其各自的特點詳見表1。

表1 不同排繩裝置特點

4 結(jié)論

為絞車加裝排繩裝置可以使絞車工作時鋼絲繩一直處于合理的入繩角度，通過合理地設(shè)置入繩角度和排繩速度，具備適應(yīng)范圍廣、排繩速度可調(diào)的排繩器更能滿足不同使用工況的鋼絲繩排繩要求。通過對目前繩索絞車使用較多的幾種排繩裝置的工作原理和控制方式進行分析，可為今后絞車排繩裝置的設(shè)計提供方案選擇和理論依據(jù)。作者認為閉環(huán)控制排繩裝置將是未來絞車排繩裝置的研究方向。