鋼絲作業所用高速絞車傳動系統的設計應用*

趙生永

(蘭州城臨石油鉆采設備有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

國內試井車在鋼絲作業過程中，鋼絲絞車作業速度在200 ～12 000 m/h。 在試井車中僅有占比為5%的設備可進行鋼絲投撈作業[1]。 符合投撈作業的鋼絲絞車速度要求在200 ～22 200 m/h，作業時尤其是要滿足短時間內提速到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的設備多為進口設備，主要是NOV ASEP 公司的撬裝設備，進口設備雖然價格高，但是質量穩定。 為了實現油田重要設備的國產化，越來越多的國內公司開始致力于研發符合投撈作業的鋼絲作業車[2-6]。

筆者重點介紹鋼絲作業絞車的結構及傳動系統。針對鋼絲絞車的應用和研究現狀，經過充分調研，提出了研制符合投撈作業鋼絲作業車的要求；并以符合氣井投撈作業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的研究以及計算分析，總結經驗，設計出能夠完成油井投撈鋼絲作業的絞車方案，并通過了試驗驗證，為油田測試井作業車提供設計方面的參考和借鑒。

1 技術分析與設計方案

1.1 鋼絲作業車工作原理

測試井車是一種油田專用作業車，通常是在二類或三類汽車底盤的基礎上改裝而成，其結構如圖1 所示。 鋼絲作業絞車是測試井車上一個主要的專用設備，它的主要作用是通過人為控制絞車啟停及轉速，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 絞車主要技術參數

(1) 絞車主要技術參數見表1。

表1 絞車主要技術參數

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

(2) 絞車結構尺寸

為了和作業現場的絞車滾筒具有互換性，要求絞車滾筒外形尺寸和現場相符合，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 傳動系統設計

(1) 傳動原理:試井車是在二類或三類底盤的基礎上改裝而成，絞車的動力源來自于底盤發動機，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速閉式回路，馬達驅動減速機和鏈輪鏈條驅動絞車轉動[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，發動機怠速700 r/min，絞車工作時發動機轉速在1 200～1 500 r/min。

1.4 液壓系統設計

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

(2) 它為一閉式回路，即油液從執行元件排出，直接由液壓泵吸入，中間不經過油箱的回路。 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補油。 見圖4。

圖4 閉式液壓系統原理圖

(3) 雙向變量油泵的控制由帶電比例控制手柄來實現。 通過操作控制手柄，使油泵伺服油缸的控制壓力發生變化，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，油泵排量越大，馬達轉速越高，絞車下放或上提轉速越快。 補油泵與主油泵為一體式結構，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(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]，馬達轉速越高；反之，轉速則越慢。

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

2 設計計算

選型計算過程首先根據滾筒需要的轉速和扭矩，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速要求。

2.1 絞車所需轉速計算

滾筒轉速:

式中:v為絞車線速度，m/s；D為滾筒直徑，m。

滾筒中徑處最高轉速為:

滾筒中徑處最低轉速為:

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

根據經驗設計法，選16B 單鏈，鏈節距25.4，主動輪24 齒，從動輪72 齒，鏈傳動比iL＝3。

2.4 減速機

選用意大利生產的dinamic oil RE511 NK1 6.2 ST BG B5 單級減速機，減速機參數見表2 所列。

表2 減速機參數表

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:

此時馬達高低壓側壓力差為:

絞車最高速時對應的馬達輸出最高轉速:

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

按照馬達轉速及扭矩選擇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，馬達參數見表3 所列。

表3 DanfossH1B 系列080 變量馬達參數

馬達實際輸出轉速小于減速機允許輸入轉速的最大值6 000 r/min，馬達工作時工作壓力符合選型表內容，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，當油泵排量增大到最大值時穩定不變，此時再改變變量馬達排量，馬達持續增速，馬達排量越小，馬達轉速越高，直至達到絞車設計要求的轉速。

此時計算油泵的最大排量，按照常規作業時發動機轉速1 200 r/min 進行計算，絞車在最高轉速時需要的馬達流量為:

式中:Vg為馬達每轉排量，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速，值為4 616.5 r/min。

帶入數值計算可得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，油泵參數見表4 所列。

表4 油泵參數

油泵在發動機1 200 r/min 轉速時，流量符合馬達流量要求。

經油泵扭矩計算，馬達輸出扭矩為242.5 N·m時，高低壓側壓力差為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 設計校核

(1) 我們按照傳動路徑(底盤發動機—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，以證明設計計算的正確性。

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

表5 發動機不同轉速時對應絞車線速度

可以得出在發動機轉速1 200 r/min 時，絞車最高轉速22 255 m/min， 在發動機轉速1 350 r/min時，絞車最高轉速25 037m/min，當發動機轉速達到1 500 r/min 時，絞車最高轉速達到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 試驗應用情況

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

(2) 該絞車設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量監督檢驗中心進行了產品鑒定(整車定型)試驗，試驗合格。

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

4 結 語

車載高速絞車是根據鋼絲作業現狀而自主研發的新產品，本產品針對氣井鋼絲作業時需要的高速以及瞬間提速問題，本著節省資源，降低鋼絲作業成本的原則，提出了車載高速絞車設計方案。 通過對產品的試驗和試用得出高速鋼絲絞車的主要技術創新點:①滿足鋼絲投撈作業，尤其是震擊作業時高速問題；②滿足瞬間提速要求；③閉式液壓回路滿足平穩停車要求。