陸地鉆機電控動力貓道的液壓系統設計

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油田在鉆井過程中，鉆柱從地面運輸到鉆臺工作面依然采用人工方法。近年來為提高鉆井作業自動化程度，國內很多企業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，但是經過現場實踐，存在如下問題：（1）全液壓系統較為復雜，往往需要獨立的液壓站提供動力，不便于拆裝和運輸[4]；（2）系統中大量的液壓油在新疆冬季寒冷的環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完成。

該液壓系統結構簡單，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

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。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送鉆裝置的上升和下放。

2 液壓系統整體設計

2.1 執行元件類型選擇

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 液壓系統圖

動力貓道的液壓系統如圖3所示。因為動力貓道夏天工作環境溫度較高，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，在寒冷環境下使用時加熱器開啟，保證液壓系統正常運轉[9]。

圖3 動力貓道液壓系統

3個電磁閥組共包含11個電磁閥，某個執行元件需要運動時，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，全部采用并聯方式實現同步控制。根據功能的不同，這些油路設計也不相同。其中，為實現自復位功能，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，防止系統斷電后發生危險，在排管架油路上設置了液壓鎖。

3 執行元件設計

3.1 液壓馬達選型

根據經驗，將系統壓力設定為Δp＝20 MPa。小滑車推動鉆具實現送鉆，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：

從優先表中選取D＝50 mm。

（2）計算活塞桿直徑

對于系統壓力大于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。

由上述分析可以確定F＝20 000 N，σb＝600 MPa，n＝3，將這些數據代入式（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所用液壓缸的主要參數如表1所示。

表1 動力貓道液壓缸主要參數

4 液壓站主要元件選型

該液壓系統的最大工作壓力為20 MPa，執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。

根據系統需要，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，通過對液壓系統各個元件的選型計算，最終確定了液壓系統的主要參數如表2所示。

表2 液壓系統主要技術參數

5 PLC控制系統設計

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。無線控制系統通過PLC系統處理控制邏輯，配合工業遙控器實現控制。工業無線遙控包含發射器及接收器，通過發射器面板上的動作開關給接收器發射信號，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硬件選型及系統分配

該電控自動貓道PLC控制系統總共有24個控制點數，包括5個數字量輸入信號、17個數字量輸出信號、2個模擬量輸出信號。系統選用西門子的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個數字量信號控制點數，包括12個數字量輸入信號和8個數字量輸出信號。擴展模塊中匹配了1個EMQR16型號的數字量輸出模塊，該模塊含有16個數字量信號輸出。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，相對于傳統的全液壓動力貓道，電控動力貓道及其液壓系統具有以下優點。

圖6 電控動力貓道液壓系統管線現場安裝情況

（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的縮小，提高了執行元件的響應速度。為其設計了獨立的冷卻油路和加熱系統，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。