石油鉆機絞車一鍵換擋設計

蔣合艷， 孫江鋒， 張繼環， 朱星元

（1.寶雞石油機械有限責任公司,陜西 寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞721002）

0 引 言

近幾年隨著工業自動化和智能化的迅速推廣，石油鉆機設備也掀起了一場自動化、智能化的發展熱潮，各種自動化設備、機械手等迅速發展和推廣應用。而作為石油鉆機核心部件的絞車，特別是直流電驅動或機械傳動絞車，由于其機械結構復雜、控制系統繁瑣，現有換擋控制方案如圖1所示，換擋時，先操作輸入軸慣剎開關2，使輸入軸慣剎剎車，然后操作換擋解鎖/鎖擋開關4解鎖，再操作換擋開關5進行換擋。若換擋不成功，再操作微擺按鈕3微動對齒，換擋完后又需操作換擋解鎖/鎖擋開關4鎖擋，最后還需操作輸入軸慣剎開關2，釋放輸入軸慣剎，一次換擋需要有5～6個步驟。這種繁瑣的換擋控制系統已經無法適應自動化的要求。因此，寶石機械公司通過在原機械換擋機構中設置擋位檢測元件，并通過采用閥島和PLC邏輯程序控制，設計了一套石油鉆機絞車的一鍵換擋控制系統。不但能減輕操作者的勞動強度，同時，降低了出錯率,提高了可靠性。

圖1 原換擋控制原理圖

1 換擋機構改進設計

由文獻[1]可知，直流電驅動絞車采用內變速鏈傳動方式，通常設4個機械擋位，輸入軸與中間軸之間的2個擋采用齒式掛擋機構，同時，輸入軸的軸端設置有微擺機構，微擺機構包括懸掛式輸入軸慣剎、順轉驅動缸（微擺缸）和逆轉驅動缸（緩沖缸）。

當掛擋困難需啟用微擺機構時，應先使輸入軸慣剎離合器剎車，從而使輸入軸總成可在外力作用下運轉，然后斷開順轉驅動缸（微擺缸）的控制氣，使逆轉驅動缸驅動輸入軸運轉，起微擺作用。若掛擋仍未成功，再接通順轉驅動缸的控制氣，從而使順轉驅動缸驅動輸入軸運轉，循環微動，提高掛擋成功率。

本文所述的換擋掛擋過程與文獻[1]一致。與文獻[1]中的換擋機構相比，改進的掛擋機構如圖2所示，改進點是在搖臂的左右增加了Ⅰ擋擋位檢測裝置1及Ⅱ擋擋位檢測裝置2，當I擋擋位掛合成功時，I擋檢測裝置1閉合輸出氣信號；當Ⅱ擋擋位掛合成功時，Ⅱ擋檢測裝置2閉合輸出氣信號；當擋位為空擋時，I擋和Ⅱ擋檢測裝置均為斷開狀態，均無氣信號輸出。

當換擋機構擋位掛合正確后，再控制鎖擋氣缸4鎖擋，鎖擋成功時，鎖擋檢測裝置3閉合輸出氣信號。

圖2 換擋機構

2 氣動控制系統

依據文獻[2]，氣動控制系統采用閥島控制，控制原理如圖3所示，閥島由4個功能閥片，共8個控制電磁閥組成，8個電磁閥分別控制三位氣缸的3個擋位（I擋、空擋、Ⅱ擋），鎖擋氣缸有2個狀態（解鎖、鎖擋），順轉驅動缸、輸入軸慣剎離合器及盤剎剎車裝置共8個氣口。

如圖1及圖3所示，氣動控制系統的Ⅰ擋位檢測裝置1、Ⅱ擋擋位檢測裝置2及鎖擋檢測裝置3分別對應設有1個壓力開關15、17、16，用于檢測換擋、鎖擋是否成功。

三位換擋氣缸5換擋成功時，相應的擋位掛合檢測裝置導通氣源促使對應的擋位反饋壓力開關（15或17）閉合輸出電信號并進入電控系統。

鎖擋氣缸4鎖擋成功時，鎖擋檢測裝置3導通氣源促使鎖擋反饋壓力開關16閉合，導通電信號并進入電控系統。

3 電氣控制系統

如圖4所示，電氣控制系統由輸入信號、輸出信號、電控PLC控制中心（含控制邏輯）組成。

當電控PLC接收到相應的擋位輸入指令，電控PLC經邏輯運算輸出相應的控制信號，控制相應的電磁閥通或斷電來控制對應的執行元件動作，使絞車換擋自動按“剎車停機”→“解鎖”→“掛擋”→“微擺（注意：僅當擋位反饋信號與實際所需擋位不正確時，才執行此步驟）”→“鎖擋”的步驟進行換擋,簡化了操作步驟，實現一鍵換擋功能。

圖4 電氣控制流程框圖

3.1 輸入信號輸入信號

包括擋位選擇信號、擋位反饋信號和鎖擋反饋信號。

擋位選擇信號由三位自鎖開關觸發，分空擋、I擋、Ⅱ擋3個位置。但開關1次只能置于1個位置。當開關置于某一擋位，發出相應的擋位指令信號給電控系統。

擋位反饋信號包括I擋反饋信號、Ⅱ擋反饋信號，I擋反饋壓力開關15常開觸點閉合，表示I擋掛合；Ⅱ擋反饋壓力開關17常開觸點閉合，表示Ⅱ擋掛合；當I擋、Ⅱ擋反饋壓力開關（15、17）常開觸點均斷開時，表示空擋掛合。

鎖擋反饋信號：鎖擋反饋壓力開關16常開觸點閉合，表示鎖擋成功，反之，表示鎖擋缸解鎖或鎖擋不成功。

3.2 輸出信號

輸出信號主要是由電控PLC控制中心輸出與上述圖3中各功能電磁閥相對應的控制信號，當相應的控制輸出信號為“1”信號時，表示所控制的電磁閥得電。當相應的控制輸出信號為“0”信號時，表示所控制的電磁閥斷電。各輸出信號的具體功能詳見下文“系統控制邏輯”描述。

3.3 控制邏輯

1）控制邏輯采用了T0、T1、T2、T3共4個延時接通定時器和1個T4延時斷開定時器，通過設定各個定時器的延時時間，確保各氣動執行件每次能動作到位，且能按預設順序動作。

2）控制邏輯中利用T3延時接通定時器和T4延時斷開定時器之間的互鎖控制，來實現微擺機構的循環微動。

3）控制邏輯中設置了一個計數器DB2，用于記錄微擺機構微動次數，順轉驅動氣缸每動作一次，計數器DB2加1。若順轉驅動氣缸動作十次仍未換擋成功，電控PLC輸出“換擋故障”信號，提示操作者檢查故障原因，同時，電控PLC控制絞車盤剎剎車。

4）依據文獻[3]、文獻[5],編寫換擋控制邏輯如下：

a.輸入軸慣剎剎車控制邏輯如圖5所示，當擋位反饋信號與擋位輸入信號不一致時，即認為司鉆操作了換擋開關，此時“輸入軸慣剎輸出”線圈輸出“1”信號，輸入軸慣剎剎車。

b. 鎖擋缸解鎖/鎖擋控制邏輯如圖6所示，系統接收到“輸入軸慣剎”信號，延時5 s后使鎖擋缸解鎖。

c. 換擋氣缸動作控制邏輯如圖7所示，待鎖擋反饋信號消失并延時5 s后，控制換擋氣缸動作掛合相應的擋位。

d. 換擋對齒控制邏輯如圖8所示，通過控制“微擺輸出”線圈循環通斷電，來控制微擺機構循環左右微動，提高掛擋對齒的效率。

e. 對齒微動次數控制邏輯如圖9所示，“微擺輸出”每輸出“1”信號一次，“計數器”加1；當“計數器”計數值≥10時，發出“換擋故障”信號，同時控制絞車盤剎剎車。

圖5 輸入軸慣剎控制邏輯

圖6 鎖擋缸解鎖/鎖擋控制邏輯

圖7 換擋控制邏輯

圖8 微擺控制邏輯

圖9 換擋故障輸出控制邏輯

圖10 盤剎控制邏輯

f. 盤剎控制邏輯如圖10 所示，當擋位指令與擋位反饋一致時，且系統檢測到鎖擋反饋時，說明換擋成功，此時“盤剎控制輸出”線圈輸出“1”信號，允許絞車盤剎剎車裝置釋放，系統可正常作業。

4 設計方案創新點

1）一鍵換擋。換擋時，操作者只需操作擋位選擇開關，就會自動按“剎車停機”→“解鎖”→“掛擋”→“微擺”→“鎖擋”的步驟進行換擋。2）鎖擋氣缸位置唯一性。解鎖輸出與鎖擋輸出同步控制，確保了鎖擋氣缸位置的唯一性。3）換擋氣缸位置唯一性。I擋輸出、Ⅱ擋輸出、空擋輸出三者之間互鎖控制，每次僅有一個擋位輸出“1”信號，其余兩個擋位輸出“0”信號，確保換擋氣缸位置的唯一性。4）高效掛擋，也可及時發現擋位故障。當換擋指令與擋位反饋信號不一致時，能循環驅動微擺機構微動，提高掛擋效率。同時，通過計數器記錄微動次數，當達到設定值時，電控PLC輸出“換擋故障”信號，使操作者及時發現擋位故障。5）高安全性及可靠性。當擋位指令與擋位反饋信號不一致、換擋機構未鎖好擋的任一情況下，電控PLC控制輸入軸慣剎剎車、絞車盤剎剎車，絞車不能運轉，避免虛掛擋的情況，確保了系統的安全性。

5 程序測試效果

一鍵換擋邏輯控制程序，經軟件程序測試，運行正常，完全滿足實際所需功能。

6 結 論

本文通過在原換擋機構中增加擋位檢測裝置，并使換擋執行機構和微擺執行機構通過閥島和PLC邏輯控制，在邏輯控制中，通過合理地設置延時接通與延時斷開計時器，使電控PLC依次輸出控制指令，并通過換擋機構相關元件的反饋信號實時判斷換擋程序的執行情況指導程序運行，實現了一鍵自動換擋控制，簡化了操作步驟，降低了工人的勞動強度。同時，為了確保換擋掛擋成功率，微擺機構控制采用循環左右微動控制，提高了掛擋對齒的效率，提高了系統的安全性及可靠性。