石油鉆機(jī)井架配套氣動(dòng)輸送裝置

閆 泓，張海鵬，張志良

（渤海石油裝備（天津）新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的石油鉆機(jī)井架有塔形、前開口K形和A形井架，新生產(chǎn)的鉆機(jī)主要采用前開口K形井架，該型井架低位安裝，整體起放，穩(wěn)定性好，安全性高。以往井架工在鉆臺(tái)和二層臺(tái)之間的往返，借助配重攀爬助力工具，人力攀爬井架，工作強(qiáng)度大，工作效率低，緊急情況下，人員撤離二層臺(tái)缺少掩護(hù)物，存在安全隱患。研究設(shè)計(jì)適用于整體起升鉆井井架的氣動(dòng)輸送裝置，可實(shí)現(xiàn)地面、鉆臺(tái)和二層臺(tái)之間人員往返的機(jī)械化，改善井架工人工作環(huán)境，提高工作效率，緊急情況下為撤離人員提供安全保障。

1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井架氣動(dòng)輸送裝置由軌道單元、氣動(dòng)單元、輸送平臺(tái)、氣路系統(tǒng)、剎車裝置和控制系統(tǒng)組成。工作原理是通過(guò)在井架上安裝可隨井架拆裝的軌道，軌道的兩端內(nèi)置三級(jí)單作用舉升氣缸，利用動(dòng)、定鋼絲繩滑輪系統(tǒng)，由氣缸的短行程獲得鋼繩活繩端的長(zhǎng)行程，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載人員和物品在地面到鉆臺(tái)和二層臺(tái)之間往返。

1.1 軌道設(shè)計(jì)

軌道使輸送裝置沿井架上下移動(dòng)，通過(guò)安裝板與井架構(gòu)件相連，在軌道兩端，配置兩組氣缸。軌道單元采用鍍鋅方管，為減輕裝置重量和減少風(fēng)阻，軌道四面開有圓孔。通過(guò)調(diào)節(jié)底座上的調(diào)節(jié)螺柱，使整個(gè)軌道的重量大部分施加在底座上，減少裝置工作時(shí)對(duì)井架的影響。軌道單元之間氣路通過(guò)快速接頭連接。

1.2 氣動(dòng)單元

軌道兩端的氣動(dòng)單元由3級(jí)單作用舉升氣缸和動(dòng)、定鋼繩滑輪系統(tǒng)組成，置于軌道內(nèi)，為載人倉(cāng)移動(dòng)提供動(dòng)力。上、下動(dòng)滑輪組與上、下3級(jí)氣缸自由端固定連接，定滑輪組與氣缸座活連接，固定在軌道上；上、下動(dòng)滑輪組之間連接一定長(zhǎng)度鋼絲繩，確保上、下3級(jí)氣缸同步動(dòng)作。

工作過(guò)程:一端3級(jí)單作用舉升氣缸伸出時(shí)，該系統(tǒng)鋼繩活繩端拖動(dòng)輸送平臺(tái)沿著軌道移動(dòng)，同時(shí)通過(guò)連接鋼繩和拖曳鋼繩牽引，使另一端氣缸收縮，如此交替工作，拖動(dòng)輸送平臺(tái)在場(chǎng)地與鉆臺(tái)和二層臺(tái)之間移動(dòng)。

1.3 輸送平臺(tái)

輸送平臺(tái)用于載運(yùn)人員，由軌道滑輪、安全系統(tǒng)和載人艙組成。軌道滑輪固接在載人艙上，通過(guò)滑輪限制，載人艙只可沿著軌道上下運(yùn)動(dòng)。安全系統(tǒng)保證平臺(tái)在極端情況下能停止在軌道上。載人艙用于載運(yùn)人員往返地面和二層臺(tái)，在緊急情況下可以密閉起來(lái)，用于逃生。輸送平臺(tái)上部與氣動(dòng)單元鋼繩自由端連接，并通過(guò)鋼繩和一個(gè)井架定滑輪與配重相連接，使整個(gè)裝置的負(fù)荷保持合適的大小。

1.4 保護(hù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

安全機(jī)構(gòu)用于輸送平臺(tái)的安全保護(hù)，載運(yùn)平臺(tái)在失去牽引的極端情況下能安全停止在軌道上。工作過(guò)程:在上拖曳鋼繩沒有受力時(shí)，蓄能彈簧驅(qū)動(dòng)剎車塊緊抱軌道，使整個(gè)輸送裝置靜止在軌道上；在上拖曳鋼繩受力時(shí)，由于輸送平臺(tái)自身重力作用，蓄能彈簧被壓縮，剎車塊與軌道脫離接觸，氣動(dòng)單元可以拖動(dòng)輸送平臺(tái)上下移動(dòng)。

2 裝置的控制

裝置的控制功能是通過(guò)氣動(dòng)控制，驅(qū)動(dòng)上、下2個(gè)3級(jí)舉升氣缸，實(shí)現(xiàn)輸送平臺(tái)在軌道上任何位置自由啟停，有手動(dòng)控制、遙控控制和緊急情況3種模式。系統(tǒng)由手動(dòng)電磁閥、移動(dòng)遙控單元和遙控接收單元等組成（圖1、圖2）。

圖1 控制原理

圖2 遙控單元原理

圖1中，3位3通手動(dòng)電磁閥有手動(dòng)、電磁控制和彈簧對(duì)中的功能，用于分別給上、下3級(jí)舉升氣缸通、斷工作介質(zhì)，2位2通手控電磁閥用于在特殊情況下連通2氣缸。移動(dòng)遙控單元設(shè)置在載人平臺(tái)內(nèi)，由轉(zhuǎn)換開關(guān)、點(diǎn)動(dòng)常開開關(guān)、常閉限位開關(guān)和遙控發(fā)射單元組成。遙控接收單元位于控制箱內(nèi)，通過(guò)控制電磁閥線圈實(shí)現(xiàn)載人平臺(tái)升降和停止功能。

（1）手動(dòng)模式。直接在地面操作3位3通手動(dòng)電磁閥，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)移動(dòng)功能。

（2）移動(dòng)模式。在載人平臺(tái)內(nèi)，控制移動(dòng)遙控單元，通過(guò)選擇轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇升降停止，由點(diǎn)動(dòng)常開開關(guān)控制行程，常閉限位開關(guān)用于安全保護(hù)，在軌道上下終點(diǎn)位置觸發(fā)，停止輸送平臺(tái)。

3 裝置的安裝

井架氣動(dòng)輸送裝置安裝、拆卸、運(yùn)輸隨同井架構(gòu)件，簡(jiǎn)單方便，安全可靠。以K形井架配套為例，在初次安裝時(shí)，井架低位安裝完成后，利用井架爬梯安裝焊接件，軌道分段安裝在井架爬梯位置，隨井架一起拆裝搬運(yùn)，在井架安裝完成后，接通各段軌道之間氣管線，連接氣缸輪系鋼繩活繩端、配重活繩端在輸送平臺(tái)上下連接位置，隨井架整體起升。之后，連接裝置井架部分與控制箱之間的電路，通過(guò)調(diào)節(jié)軌道和基礎(chǔ)連接螺母，使軌道各部分緊密接觸，并使整個(gè)裝置重量大部分施加在基礎(chǔ)上，整個(gè)裝置安裝完成。

4 技術(shù)參數(shù)

4.1 工作介質(zhì)

裝置采用壓縮空氣作為動(dòng)力，在井場(chǎng)利用原有空氣設(shè)備系統(tǒng)。系統(tǒng)配備儲(chǔ)氣罐，最大工作壓力0.9 MPa，工作壓力設(shè)定0.6 MPa。

4.2 配重

配重用于抵消輸送平臺(tái)自重，減輕裝置在工作過(guò)程中的負(fù)荷，要求在不載重情況下，不觸發(fā)保護(hù)機(jī)構(gòu)。因此配重應(yīng)小于輸送平臺(tái)自重與保護(hù)機(jī)構(gòu)觸發(fā)力之差。保護(hù)機(jī)構(gòu)觸發(fā)力就是在空載時(shí)，可使剎車裝置松開的蓄能彈簧壓力。根據(jù)圖2保護(hù)機(jī)構(gòu)原理圖和機(jī)構(gòu)臂尺寸，保護(hù)機(jī)構(gòu)剎車塊正壓力N與蓄能彈簧壓力F比為10:1。剎車塊與導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)0.8，輸送平臺(tái)設(shè)計(jì)質(zhì)量200 kg，配重 175 kg。

4.3 載荷

根據(jù)圖1裝置結(jié)構(gòu)，輸送平臺(tái)在工作過(guò)程中受自重力、負(fù)載重力、配重拉力、限位滑輪阻力及氣動(dòng)單元上下拖曳綱繩的拉力。在上升過(guò)程中，裝置的載荷最大，在上升狀態(tài)，負(fù)載T1=G2-G1+G3+f+T2。其中，G1表示配重，G2表示輸送平臺(tái)自重，G3表示負(fù)載，f表示摩擦力，T1表示上拖曳拉力，T2表示下拖曳拉力。

工作過(guò)程中，輸送平臺(tái)近乎垂直，橫向壓力產(chǎn)生的限位滑輪滾動(dòng)阻力和下拖曳拉力可不計(jì)。載重按質(zhì)量200 kg計(jì)，裝置的設(shè)計(jì)載荷為Tmax=2250 kN。

4.4 多級(jí)氣缸參數(shù)

（2）二層臺(tái)到地面距離L，3級(jí)氣缸總伸長(zhǎng)為L(zhǎng)/6，單級(jí)伸L/18。鉆機(jī)二層臺(tái)到地面距離取40 m，3級(jí)氣缸長(zhǎng)2.2 m左右。

4.5 鋼繩及繩輪

鋼繩載荷2250 N，安全系數(shù)8，選擇鋼繩直徑11 mm。滑輪的直徑D和鋼絲繩的直徑d的比值越大，鋼絲繩的抗疲勞性能就更好，取最小D:d=18:1，滑輪直徑D=200 mm。

5 結(jié)束語(yǔ)

裝置實(shí)現(xiàn)鉆井井架地面到鉆臺(tái)和二層臺(tái)之間人員往返，裝置結(jié)構(gòu)和原理新穎，安裝簡(jiǎn)單方便，操作靈敏可靠，可實(shí)現(xiàn)井架工攀爬機(jī)械化，是改善井架工工作條件、提高工作效率很好的解決方案。同時(shí)它還為鉆機(jī)井架改造和鉆機(jī)配套可提供有益的參考，具有較好的推廣應(yīng)用前景。