黨 鵬，劉榮輝

（西安石油大學，西安 710065）

0 引言

我國當前在絕大多數(shù)油田在鉆井過程中，鉆柱從地面運輸?shù)姐@臺工作面依然采用人工方法。近年來為提高鉆井作業(yè)自動化程度，國內很多企業(yè)設計制造了動力貓道設備，已有多家設備在井場應用[1－3]。這些設備都是全液壓驅動，能基本完成鉆柱從地面到鉆臺面的自動運輸工作，但是經過現(xiàn)場實踐，存在如下問題：（1）全液壓系統(tǒng)較為復雜，往往需要獨立的液壓站提供動力，不便于拆裝和運輸[4]；（2）系統(tǒng)中大量的液壓油在新疆冬季寒冷的環(huán)境下需要較長時間預熱，這降低了動力貓道的效率；（3）部分動力貓道結構局限性較大，不適合在較高的井架上使用[5－6]。

本文針對以上問題，經過一年的實踐摸索，設計出一套配合國產ZJ70D鉆機，以電控為主、液壓為輔的電控自動貓道設計方案。電控動力貓道的主體輸出由變頻電機完成，其輔助功能由液壓系統(tǒng)完成。

該液壓系統(tǒng)結構簡單，占用空間較小，其液壓站可以直接安裝在動力貓道底座內，方便整個動力貓道的拆裝運輸；其所需的液壓油較少，并配有專門的加熱、冷卻裝置，在新疆寒冷、高溫環(huán)境下能夠可靠運行。

1 動力貓道主體結構

動力貓道的主體結構如圖1所示，其機械結構分為四大部分，包括底座、送鉆裝置、坡道和支架[7]。

圖1 陸地鉆機電控動力貓道系統(tǒng)

底座上安裝有電控柜和液壓站，并在兩側裝有2對排管架和傾斜機構。排管架上可以放置大量鉆具，工作時外側升高，將鉆具送向送鉆裝置。傾斜機構可以向底座內外兩側傾斜，將鉆具送出或送入送鉆裝置內[8]。

送鉆裝置上裝有2對安全銷機構、2對踢出機構和1個小滑車。安全銷機構會在必要時升起，確保鉆具不掉落，保證安全。踢出機構可以將鉆具從送轉裝置中踢出。小滑車則在送鉆裝置升到鉆臺面高度時，將鉆具輸送到鉆臺面上。

坡道上端與井架鉆臺面鉸接，下端背側裝有電動絞車滾筒系統(tǒng)。工作時，電動絞車牽引鋼絲繩將送鉆裝置吊起，使送鉆裝置前段沿著坡道向上移動。送鉆裝置后端與支架相連，支架與電動絞車配合即可實現(xiàn)送鉆裝置的上升和下放。

2 液壓系統(tǒng)整體設計

2.1 執(zhí)行元件類型選擇

傾斜機構、排管架升降機構、踢出機構和安全銷機構，都做簡單的上下往返運動。因此用單桿活塞液壓缸作為他們的執(zhí)行元件。對于送鉆裝置上的小滑車，如圖2所示，選擇液壓馬達作為其執(zhí)行元件，工作時液壓馬達驅動絞車，帶動絞車的鋼絲繩前后移動，從而拉動小滑車運動。

圖2 小滑車驅動方式示意圖

2.2 液壓系統(tǒng)圖

動力貓道的液壓系統(tǒng)如圖3所示。因為動力貓道夏天工作環(huán)境溫度較高，且油箱相對較小，在液壓站中加入一條冷卻回路。同時，油箱上裝有加熱器，在寒冷環(huán)境下使用時加熱器開啟，保證液壓系統(tǒng)正常運轉[9]。

圖3 動力貓道液壓系統(tǒng)

3個電磁閥組共包含11個電磁閥，某個執(zhí)行元件需要運動時，對應的電磁閥會打開，其余的電磁閥關閉，從而實現(xiàn)對11條油路的控制[10]。該11條油路中除液壓馬達油路外，都裝有2支液壓缸，全部采用并聯(lián)方式實現(xiàn)同步控制。根據(jù)功能的不同，這些油路設計也不相同。其中，為實現(xiàn)自復位功能，踢出機構油路和傾斜機構油路由二位三通電磁閥控制，其余由三位四通電磁閥控制；為提高油缸同步運轉的精度，排管架油路、傾斜機構油路和踢出機構油路的進油路上設置了分流閥；為提高安全性，防止系統(tǒng)斷電后發(fā)生危險，在排管架油路上設置了液壓鎖。

3 執(zhí)行元件設計

3.1 液壓馬達選型

根據(jù)經驗，將系統(tǒng)壓力設定為Δp＝20 MPa。小滑車推動鉆具實現(xiàn)送鉆，時間控制在30 s內完成。已知鉆具最大質量為3.5 t，送鉆裝置全長15 m。

選擇A2FE45/61W內置式液壓馬達，排量qm＝45 mL/r，當量扭矩Tk＝7.2 N·m/MPa，搭配減速器，減速比i＝32。

此時，液壓絞車的輸出扭矩為：

T＝TK×Δp×i＝4 608 N·m

液壓馬達的最大流量為：Qm＝qm×n×i＝45.9 L/min

3.2 液壓缸設計

液壓馬達和各個動作機構共用1個油源，分開運作，因此每個動作回路的流量保持在46 L/min左右最佳[11]。且每個動作回路又由兩個并聯(lián)的液壓缸組成，則每個液壓缸的最大流量為23 L/min。

圖4所示為傾斜機構裝配圖，其單缸負載為2 t，翹板傾角30°，理想運動時間2 s。則液壓缸最大行程L＝tan30°×605 mm＝348.72 mm；L＝350 mm；最大速度vmax＝L/t＝0.175 m/s＝10.5 m/min。

圖4 傾斜機構裝配圖

（1）由流量反推液壓缸缸筒內徑

液壓缸最大流量Qmax和液壓缸缸筒內徑D的關系由以下2個公式確定：

式中：A為液壓缸有效工作面積；vmax為液壓缸最大運行速度。

由此可得缸筒內徑：

從優(yōu)先表中選取D＝50 mm。

（2）計算活塞桿直徑

對于系統(tǒng)壓力大于20 MPa的單桿活塞液壓缸，活塞桿直徑d＝0.7D[12]。所以d＝0.7×50＝35 mm，在優(yōu)選表中選取d＝36 mm。

（3）校核活塞桿強度

強度校核公式：

式中：F為作用在活塞桿上的軸向載荷；[σ]為活塞桿材料許用應力；σb為材料抗拉強度；n為安全系數(shù)。

由上述分析可以確定F＝20 000 N，σb＝600 MPa，n＝3，將這些數(shù)據(jù)代入式（3）得：

顯然活塞桿直徑滿足強度要求。

同理，通過計算得出液壓系統(tǒng)所用液壓缸的主要參數(shù)如表1所示。

表1 動力貓道液壓缸主要參數(shù)

4 液壓站主要元件選型

該液壓系統(tǒng)的最大工作壓力為20 MPa，執(zhí)行元件總流量最大值為46 L/min。由此選取A10V7DFR/31R系列變量斜盤式柱塞泵[13]。該柱塞泵額定壓力28 MPa，排量71 mL/r，最大功率50 kW，最大流量107 L/min。對于相應的驅動電機，選擇Y200L－4B35三相異步防爆電機，其功率為30 kW。

根據(jù)系統(tǒng)需要，將油箱容量定為300 L，油箱尺寸定為1 100 mm×500 mm×600 mm。對于冷卻回路，選擇AH1490型風冷卻器。其散熱功率為17.8 kW，最大流量250 L/min，主體尺寸為620 mm×320 mm×493 mm。

綜上所述，通過對液壓系統(tǒng)各個元件的選型計算，最終確定了液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)如表2所示。

表2 液壓系統(tǒng)主要技術參數(shù)

5 PLC控制系統(tǒng)設計

5.1 電信號控制原理

控制原理如圖5所示，該電控貓道系統(tǒng)的信號控制方式分為無線遙控控制和有線操作箱控制，以無線遙控控制為主，有線操作箱為輔。無線控制系統(tǒng)通過PLC系統(tǒng)處理控制邏輯，配合工業(yè)遙控器實現(xiàn)控制。工業(yè)無線遙控包含發(fā)射器及接收器，通過發(fā)射器面板上的動作開關給接收器發(fā)射信號，接收器再通過信號通信將信號傳輸給PLC的CPU進行邏輯運算，通信一般選用RS－485通信類型。最終通過PLC模塊端口輸出控制信號，控制相應的繼電器通斷使機構動作。

圖5 電信號控制原理

5.2 PLC硬件選型及系統(tǒng)分配

該電控自動貓道PLC控制系統(tǒng)總共有24個控制點數(shù)，包括5個數(shù)字量輸入信號、17個數(shù)字量輸出信號、2個模擬量輸出信號。系統(tǒng)選用西門子的SIMATIC S7－200smart系列PLC。其中CPU選擇SR20型號，該型號屬于繼器型輸出，接220 V交流電源。CPU自帶20個數(shù)字量信號控制點數(shù)，包括12個數(shù)字量輸入信號和8個數(shù)字量輸出信號。擴展模塊中匹配了1個EMQR16型號的數(shù)字量輸出模塊，該模塊含有16個數(shù)字量信號輸出。EMAQ04型號的模擬量信號輸出模塊，該模塊含有4個模擬量信號輸出。同時系統(tǒng)還選用了1個直流24 V電源模塊，為各個控制端口提供直流24 V電源信號。信號與各個端口的分配關系如表3所示。

表3 控制信號的點位分配表

6 結束語

如圖6所示，本課題組與某公司合作，于2019年12月在其廠房進行了電控動力貓道液壓系統(tǒng)部分的安裝并進行了初步的測試。測試結果表明，相對于傳統(tǒng)的全液壓動力貓道，電控動力貓道及其液壓系統(tǒng)具有以下優(yōu)點。

圖6 電控動力貓道液壓系統(tǒng)管線現(xiàn)場安裝情況

（1）相對于原有長5 m、寬2.5 m、高3 m，重達8 t的動力房，本文設計的動力站質量減少1/2，體積減少至原有的1/3，可以將其安裝在動力貓道的底座內部，使其更容易拆裝、運輸，提高了使用效率。

（2）對液壓系統(tǒng)進行了簡化設計，將其最大流量、工作壓力和油箱容量進行了適當?shù)目s小，提高了執(zhí)行元件的響應速度。為其設計了獨立的冷卻油路和加熱系統(tǒng)，解決了動力貓道在新疆夏季氣溫高時液壓油容易過熱，冬季溫度低時液壓油過于粘稠的問題。