一種新型游車防碰裝置的研究和應(yīng)用

滕一寧+孫長征+郭星民

摘要：本文以勝利石油工程公司現(xiàn)有裝備的實(shí)際出發(fā)，并根據(jù)當(dāng)前安全生產(chǎn)對(duì)設(shè)備本質(zhì)安全化的要求，對(duì)現(xiàn)有游車防碰裝置的各方面性能進(jìn)行分析，并對(duì)其可靠性和安全性進(jìn)行完善，研究出一套新型的游車防碰裝置，其能夠?qū)崿F(xiàn)高度智能化，并大大提高游車操作的安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞：本質(zhì)安全化；防碰裝置；安全性；可靠性；智能化

一、 勝利油區(qū)現(xiàn)有防碰裝置分析

勝利石油工程公司現(xiàn)有鉆機(jī)基本都配備防碰裝置，根據(jù)鉆機(jī)的類型不同，防碰裝置主要有應(yīng)用在機(jī)械和半電動(dòng)鉆機(jī)上的機(jī)械式防碰裝置（重錘防碰和過卷防碰），應(yīng)用在直流電動(dòng)鉆機(jī)上的獨(dú)立電子式防碰裝置和交流電動(dòng)鉆機(jī)集成于操作系統(tǒng)的防碰裝置。前兩種防碰裝置應(yīng)用較為廣泛，由于設(shè)計(jì)和功能上存在諸多缺點(diǎn)，成為影響鉆機(jī)施工安全的不利因素，其中機(jī)械式防碰裝置功能單一，只能防止“頂天車”，且在冬季氣溫較低的情況下，其控制的氣路易結(jié)冰導(dǎo)致剎車失效，存在較大的安全隱患；獨(dú)立電子式防碰裝置和交流電動(dòng)鉆機(jī)集成于操作系統(tǒng)的防碰裝置雖然可以實(shí)現(xiàn)上防碰、下防砸的功能，但是由于通過測量絞車滾筒的角度來計(jì)算游車高度，其精度隨著懸重增大和滾筒排繩跳槽而明顯降低，另外，與機(jī)械式防碰裝置同樣存在冬季氣路結(jié)冰的缺點(diǎn)，所以這兩種防碰裝置并不能滿足實(shí)際施工的要求。除此之外，以上兩種防碰裝置在大懸重和高速度的情況下并不能完全保證設(shè)備和人員的安全，仍然存在較大的安全隱患，更達(dá)不到設(shè)備本質(zhì)安全化的要求。

如上所示，現(xiàn)有的游車防碰裝置均存在較多的設(shè)計(jì)缺陷，所以，在當(dāng)前鉆井裝備亟待改造和升級(jí)，提高設(shè)備的自動(dòng)化和智能化水平，完善安全設(shè)備設(shè)施，提高本質(zhì)安全化水平，降低設(shè)備故障損失，以滿足安全生產(chǎn)的要求，保證人員安全和施工的順利進(jìn)行。

二、 新型防碰裝置的設(shè)計(jì)

本新型的游車防碰裝置的設(shè)計(jì)就是通過對(duì)現(xiàn)有三種防碰裝置的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行整合，使改進(jìn)后的防碰裝置具有精度高、功能完整、運(yùn)行可靠，可以應(yīng)用于除交流變頻鉆機(jī)外的機(jī)械、半電動(dòng)和直流鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)公司現(xiàn)有鉆機(jī)防碰系統(tǒng)本質(zhì)安全化水平的整體提升。為實(shí)現(xiàn)該裝置的本質(zhì)安全化，達(dá)到即使在操作失誤的情況下仍能保證安全施工的目的，最重要的工作就是通過防碰系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)游車的速度控制，保證游車在上下限位間運(yùn)行。該系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)主要由測量機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，下面就該項(xiàng)目的重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行介紹。

2.1測量機(jī)構(gòu)

該游車防碰裝置的檢測機(jī)構(gòu)主要由編碼器、壓力傳感器組成，主要用于實(shí)時(shí)測量游車的高度、速度和懸重。其中游車的懸重在指重表前端液壓管線通過壓力傳感器取得；另外，為保證游車高度的測量精度，對(duì)快繩輪軸進(jìn)行改造，并在天車快繩輪處加裝編碼器支架，選用高質(zhì)量的聯(lián)軸節(jié)以連接快繩輪軸和編碼器輸入軸，游車運(yùn)行時(shí)，編碼器實(shí)時(shí)反饋快繩輪轉(zhuǎn)速，并通過運(yùn)算機(jī)構(gòu)計(jì)算出游車的高度和速度。由于井架類型、游車及其掛載組合方式不同（如掛載頂驅(qū)），在初始調(diào)試中都需要對(duì)這些涉及到的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2.2數(shù)據(jù)傳輸和運(yùn)算機(jī)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)的功能是接收編碼器和壓力傳感器的電子信號(hào)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)化，最終將速度和壓力的數(shù)字信號(hào)傳遞給數(shù)據(jù)運(yùn)算機(jī)構(gòu)，即該防碰裝置的核心運(yùn)算模塊。

如圖1所示，電源適配器外接220V交流電源，給各模塊提供低壓直流電流，數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)字信號(hào)傳遞給數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊，然后通過采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)時(shí)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。

2.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)由并聯(lián)在液壓盤剎工作鉗控制線路上的電磁比例閥和其前端的信號(hào)放大器組成。為實(shí)現(xiàn)該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能，需要在司鉆房內(nèi)對(duì)剎把進(jìn)行改造，如圖2所示，在剎車閥（工作鉗控制管線）并聯(lián)增加一路分支，該分支由電磁比例閥進(jìn)行流量控制，兩路管線共有一路進(jìn)油管線和一路出油管線。

2.4系統(tǒng)運(yùn)行程序算法

為彌補(bǔ)司鉆操作失誤或者剎把失效，避免游車上頂天車，下砸井口，必須將游車速度和高度保持在可控的范圍內(nèi)。

如圖3所示為游車速度控制的程序流程圖，進(jìn)入操作系統(tǒng)后，需要對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其中包括盤剎最大制動(dòng)力矩、繩系、摩擦系數(shù)、檢測點(diǎn)高度等。數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊通過游車的懸重?cái)?shù)據(jù)和盤剎制動(dòng)力矩計(jì)算出盤剎的最大制動(dòng)加速度，之后可以計(jì)算出在垂直高度上各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的游車允許最大運(yùn)行速度vn，當(dāng)游車運(yùn)行速度v不大于vn 時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)作；當(dāng)游車運(yùn)行速度v大于vn時(shí)，數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊將根據(jù)游車高度給定執(zhí)行機(jī)構(gòu)一定的數(shù)值，使盤剎輸出足夠的制動(dòng)力矩，將游車運(yùn)行速度v控制在安全的范圍內(nèi)。

三、推廣應(yīng)用前景

近年，隨著安全生產(chǎn)形勢日益嚴(yán)峻，作為高危行業(yè)的石油鉆井面臨著很大的壓力，野外施工，環(huán)境惡劣，工作強(qiáng)度大，員工技能水平普遍不高，設(shè)備老化、自動(dòng)化水平不高等因素均影響著施工的安全運(yùn)行，所以提高設(shè)備的本質(zhì)安全化水平十分重要。該防碰系統(tǒng)根據(jù)勝利油區(qū)鉆井裝備特點(diǎn)和施工現(xiàn)場需求設(shè)計(jì)，能夠適用于幾乎所有的機(jī)械、半電動(dòng)和直流電動(dòng)鉆機(jī)，相比現(xiàn)有的防碰裝置，具有測量精度高、制動(dòng)迅速、穩(wěn)定性強(qiáng)、不受氣候影響的特點(diǎn)，更加適用于勝利油區(qū)鉆井現(xiàn)場使用，對(duì)于改善鉆機(jī)設(shè)備本質(zhì)安全化有顯著的效果，具有良好的推廣前景。