趙生永

(蘭州城臨石油鉆采設(shè)備有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

國內(nèi)試井車在鋼絲作業(yè)過程中，鋼絲絞車作業(yè)速度在200 ～12 000 m/h。 在試井車中僅有占比為5%的設(shè)備可進行鋼絲投撈作業(yè)[1]。 符合投撈作業(yè)的鋼絲絞車速度要求在200 ～22 200 m/h，作業(yè)時尤其是要滿足短時間內(nèi)提速到22 200 m/h 的速度要求。 低速時絞車最大提升力需達到25 kN。 符合這一要求的油田投撈作業(yè)的設(shè)備多為進口設(shè)備，主要是NOV ASEP 公司的撬裝設(shè)備，進口設(shè)備雖然價格高，但是質(zhì)量穩(wěn)定。 為了實現(xiàn)油田重要設(shè)備的國產(chǎn)化，越來越多的國內(nèi)公司開始致力于研發(fā)符合投撈作業(yè)的鋼絲作業(yè)車[2-6]。

筆者重點介紹鋼絲作業(yè)絞車的結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)。針對鋼絲絞車的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，經(jīng)過充分調(diào)研，提出了研制符合投撈作業(yè)鋼絲作業(yè)車的要求；并以符合氣井投撈作業(yè)的車載鋼絲絞車為研究對象，通過對車載鋼絲絞車傳動系統(tǒng)的研究以及計算分析，總結(jié)經(jīng)驗，設(shè)計出能夠完成油井投撈鋼絲作業(yè)的絞車方案，并通過了試驗驗證，為油田測試井作業(yè)車提供設(shè)計方面的參考和借鑒。

1 技術(shù)分析與設(shè)計方案

1.1 鋼絲作業(yè)車工作原理

測試井車是一種油田專用作業(yè)車，通常是在二類或三類汽車底盤的基礎(chǔ)上改裝而成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 鋼絲作業(yè)絞車是測試井車上一個主要的專用設(shè)備，它的主要作用是通過人為控制絞車啟停及轉(zhuǎn)速，將纏繞在絞車滾筒上的鋼絲通過防噴管下放到井下，通過絞車的正反轉(zhuǎn)控制井下工具的上提下放，從而完成井下工具的操作。

圖1 試井車工作原理示意圖

1.2 絞車主要技術(shù)參數(shù)

(1) 絞車主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 絞車主要技術(shù)參數(shù)

設(shè)計目標(biāo):絞車從底盤發(fā)動機處取力，采用液壓鏈驅(qū)動形式，滾筒中徑處線速度達到200 ～22 200 m/h，且能在最高速時平穩(wěn)停車，低速時滾筒小徑處拉力25 kN。

(2) 絞車結(jié)構(gòu)尺寸

為了和作業(yè)現(xiàn)場的絞車滾筒具有互換性，要求絞車滾筒外形尺寸和現(xiàn)場相符合，檔距700 mm，筒身直徑350 mm，輪轂直徑600 mm，見圖2。

圖2 試井絞車滾筒尺寸圖

1.3 傳動系統(tǒng)設(shè)計

(1) 傳動原理:試井車是在二類或三類底盤的基礎(chǔ)上改裝而成，絞車的動力源來自于底盤發(fā)動機，在變速箱上加裝取力器[7]，取力器再通過傳動軸連接變量液壓泵，由變量泵和變量馬達組成容積調(diào)速閉式回路，馬達驅(qū)動減速機和鏈輪鏈條驅(qū)動絞車轉(zhuǎn)動[8]。傳動原理見圖3。

圖3 試井絞車傳動示意圖

(2) 傳動路徑:底盤發(fā)動機-變速箱-取力器-傳動軸-液壓油泵-液壓馬達-減速機-小鏈輪-鏈條-大鏈輪-絞車。

(3) 底盤取力器型號:HW80Q，增速比iq＝0.73，最大扭矩800 N·m，發(fā)動機怠速700 r/min，絞車工作時發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1 200～1 500 r/min。

1.4 液壓系統(tǒng)設(shè)計

(1) 液壓系統(tǒng)采用Danfoss 90 系列雙向變量油泵和DanfossH1B 變量馬達組成的容積調(diào)速閉式回路[9]，該回路通過改變變量油泵和變量馬達的排量來進行調(diào)速，與節(jié)流調(diào)速回路相比，容積調(diào)速回路中既無溢流損失又無節(jié)流損失，系統(tǒng)發(fā)熱少、效率較高。

(2) 它為一閉式回路，即油液從執(zhí)行元件排出，直接由液壓泵吸入，中間不經(jīng)過油箱的回路。 實際上，由于泵和馬達都存在泄漏，閉式回路中還需要及時對系統(tǒng)補油。 見圖4。

圖4 閉式液壓系統(tǒng)原理圖

(3) 雙向變量油泵的控制由帶電比例控制手柄來實現(xiàn)。 通過操作控制手柄，使油泵伺服油缸的控制壓力發(fā)生變化，從而改變油泵輸出的液壓油流量。 滾筒控制器手柄在中位時，油泵不向外排油，滾筒不轉(zhuǎn)動；向下放位置推動，滾筒下放電纜，往上提位置推動，滾筒提升電纜。 手柄離開中位越遠(yuǎn)，油泵排量越大，馬達轉(zhuǎn)速越高，絞車下放或上提轉(zhuǎn)速越快。 補油泵與主油泵為一體式結(jié)構(gòu)，通過單向閥向主回路供油，由低壓溢流閥保證補油壓力在一定范圍內(nèi)(2.0～2.6 MPa)。

(4) 液壓馬達為電比例控制變量馬達，馬達與油泵組成閉式回路，泵的排量越大[10]，馬達轉(zhuǎn)速越高；反之，轉(zhuǎn)速則越慢。

(5) 采用力士樂溢流閥調(diào)整系統(tǒng)壓力[11]，具有設(shè)定拉力、過載卸荷保護功能。

2 設(shè)計計算

選型計算過程首先根據(jù)滾筒需要的轉(zhuǎn)速和扭矩，選擇合適的減速機和液壓馬達，然后選擇合適排量的液壓泵以滿足馬達的輸出轉(zhuǎn)速要求。

2.1 絞車所需轉(zhuǎn)速計算

滾筒轉(zhuǎn)速:

式中:v為絞車線速度，m/s；D為滾筒直徑，m。

滾筒中徑處最高轉(zhuǎn)速為:

滾筒中徑處最低轉(zhuǎn)速為:

2.2 絞車所需扭矩計算

滾筒小徑處所需扭矩:

式中:F為絞車小徑處拉力，N；r為滾筒半徑，m。

已知小徑處所需拉力25 kN，筒身直徑350 mm，代入公式(2)可得絞車所需扭矩:

T＝F×r＝25 000×0.35/2＝4 375 N·m。

2.3 鏈輪鏈條

根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計法，選16B 單鏈，鏈節(jié)距25.4，主動輪24 齒，從動輪72 齒，鏈傳動比iL＝3。

2.4 減速機

選用意大利生產(chǎn)的dinamic oil RE511 NK1 6.2 ST BG B5 單級減速機，減速機參數(shù)見表2 所列。

表2 減速機參數(shù)表

2.5 減速機扭矩校核

式中:μ為鏈輪傳動效率，μ＝0.97；iL為鏈傳動比，iL＝3；TJ為減速機理論輸出最大扭矩。

＝1 503.4 N·m

TJ＜T2

減速機理論輸出最大扭矩1 503.4 N·m，小于減速機額定輸出扭矩3 400 N·m，減速機扭矩滿足工作要求。

2.6 馬達選型計算

馬達輸出扭矩:

此時馬達高低壓側(cè)壓力差為:

絞車最高速時對應(yīng)的馬達輸出最高轉(zhuǎn)速:

nM＝nmax×iL×ie＝248.2×3×6.2＝4 616.5 r/min

按照馬達轉(zhuǎn)速及扭矩選擇danfoss H1B 系列080彎軸變量馬達，馬達最大排量80 mL/r，最小限制排量為40%，即為32 mL/r，馬達參數(shù)見表3 所列。

表3 DanfossH1B 系列080 變量馬達參數(shù)

馬達實際輸出轉(zhuǎn)速小于減速機允許輸入轉(zhuǎn)速的最大值6 000 r/min，馬達工作時工作壓力符合選型表內(nèi)容，馬達選型合適，速比合適。

2.7 泵選型計算

電控變量泵和馬達的控制思路是，油泵排量逐漸增大時，馬達速度按照最大排量80 mL/r 逐漸提速，當(dāng)油泵排量增大到最大值時穩(wěn)定不變，此時再改變變量馬達排量，馬達持續(xù)增速，馬達排量越小，馬達轉(zhuǎn)速越高，直至達到絞車設(shè)計要求的轉(zhuǎn)速。

此時計算油泵的最大排量，按照常規(guī)作業(yè)時發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 200 r/min 進行計算，絞車在最高轉(zhuǎn)速時需要的馬達流量為:

式中:Vg為馬達每轉(zhuǎn)排量，cm3；ηM為馬達容積效率0.95；nM為馬達工作時需要輸出最高轉(zhuǎn)速，值為4 616.5 r/min。

帶入數(shù)值計算可得qM＝Vg·nM＝32×4 616.5×0.95＝140 341.6 cm3/min。

絞車在最高轉(zhuǎn)速時需要的油泵排量為:

式中:ηB為油泵容積效率0.95；iq為取力器增速比0.73。帶入數(shù)值計算可得:

考慮到機械液壓效率，選擇danfoss90 系列100排量變量泵，油泵參數(shù)見表4 所列。

表4 油泵參數(shù)

油泵在發(fā)動機1 200 r/min 轉(zhuǎn)速時，流量符合馬達流量要求。

經(jīng)油泵扭矩計算，馬達輸出扭矩為242.5 N·m時，高低壓側(cè)壓力差為189.5 bar，按照此閉式回路壓力計算此時的油泵扭矩為189.5×1.59＝301.3 N·m，大于馬達扭矩，油泵選擇合適。

2.8 設(shè)計校核

(1) 我們按照傳動路徑(底盤發(fā)動機—變速箱—取力器—傳動軸—油泵—馬達—減速機—小鏈輪—鏈條—大鏈輪—絞車)來校核絞車的速度和提升力，以證明設(shè)計計算的正確性。

(2) 按照底盤發(fā)動機轉(zhuǎn)速分別為1 200、1 350、1 500 r/min時計算得絞車轉(zhuǎn)速，如表5 所列。

表5 發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速時對應(yīng)絞車線速度

可以得出在發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 200 r/min 時，絞車最高轉(zhuǎn)速22 255 m/min， 在發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 350 r/min時，絞車最高轉(zhuǎn)速25 037m/min，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到1 500 r/min 時，絞車最高轉(zhuǎn)速達到27 819 m/min，高速滿足客戶22 000 m/min 的要求。 拉力在速度最低，滾筒小徑處達到34 kN，大于客戶要求的25 kN。速度和拉力滿足要求。

3 試驗應(yīng)用情況

(1) 場內(nèi)試驗，在絞車、液壓傳動系統(tǒng)安裝完畢之后進行，首先進行液壓系統(tǒng)承壓試驗，按照液壓系統(tǒng)450 bar 設(shè)計壓力，取1.5 倍的安全系數(shù)，進行300 bar 的壓力試驗；其次進行絞車25 kN 提升力試驗；最后進行測量系統(tǒng)拉力和深度儀表校準(zhǔn)試驗。 試驗結(jié)果符合客戶要求。

(2) 該絞車設(shè)計成功后安裝在公告號為LC5250TCS 測試井架車上面，按照國家特種車輛改裝政策在國家機動車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心進行了產(chǎn)品鑒定(整車定型)試驗，試驗合格。

(3) 2022 年3 月這輛車在內(nèi)蒙古烏審旗地區(qū)蘇里格油氣田進行井場作業(yè)試驗，進行了6 口井的鋼絲作業(yè)試驗，在鋼絲作業(yè)時，絞車最大拉力滿足使用要求，在震擊作業(yè)時速度從零加速到22 200 m/h 所需時間在3 s 內(nèi)，并能在高速時平穩(wěn)停車，滿足震擊作業(yè)要求。

4 結(jié) 語

車載高速絞車是根據(jù)鋼絲作業(yè)現(xiàn)狀而自主研發(fā)的新產(chǎn)品，本產(chǎn)品針對氣井鋼絲作業(yè)時需要的高速以及瞬間提速問題，本著節(jié)省資源，降低鋼絲作業(yè)成本的原則，提出了車載高速絞車設(shè)計方案。 通過對產(chǎn)品的試驗和試用得出高速鋼絲絞車的主要技術(shù)創(chuàng)新點:①滿足鋼絲投撈作業(yè)，尤其是震擊作業(yè)時高速問題；②滿足瞬間提速要求；③閉式液壓回路滿足平穩(wěn)停車要求。