（机械工程专业论文）前置式采油车的设计及研究.pdf

摘要 前置式采油车是油田现场低产井、低渗透井开采的一种理想设备，其以投入成本低、 配套装置简单、抽油效果良好、移运方便、人工辅助时间少等优点在油田现场广泛使用。 目前该设备在操作自动化程度、排绳效果、抽子、井口装置安全性能、环保性能、井口 对中等方面存在问题，已不能满足生产的需要。 本论文针对以上各方面的原因，从设计和配套方面进行全面研究、改进，开发新型 的前置式采油车，对整机方案布置、自动排绳、自动控制、提升安全系统、桅杆式井架、 传动系统等进行系统研究、优化设计，以期达到简化整机结构，改善排绳效果提高钢丝 绳使用寿命，提高自动化程度，增加安全环保装置，减少事故发生去除隐患，减少环境 污染的目的。 系统设计的机械传动自动排绳系统性能可靠，提高了钢丝绳的使用寿命；研制开发 的自动控制系统，提高了设备运行的安全性及操作自动化程度；防碰井口装置、卸荷抽 子的采用，避免了人为事故的发生，符合安全环保的要求。 经现场使用证明该车具有拉力大、作业深度深，自动排绳效果好，运行成本低，自 动化程度高，操作简便可靠性高等优点，适应油田低产、边缘井采油作业的需要。 关键词：前置式采油车，桅杆式井架，自动排绳，自动控制 s t u d ya n dd e s i g no fm o v e a b l eo i lr e c o v e r y v e h i c l ew i t hf o r em a s t w ud a n ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x ux i n g p i n g a b s t r a c t m o v e a b l eo i lr e c o v e r yv e h i c l ew i t hf o r em a s ti sa ni d e a lt o o lt oe x p l o r el o wp r o d u c t i o n a n dl o wp e n e t r a t i o nw e l l s ，i tf e a t u r e sl o wc o s t ，s i m p l ec o n f i g u r a t i o n ，g o o do i ls u c t i o na b i l i t y , n i c em o b i l i t ya n dt h e r e f o r ew i d e l ya p p l i e di no i lf i e l d s h o w e v e rt h eo l dr e c o v e r ym o d e li s n o tp e r f e c ta ta u t o m a t i o n ，a r r a n g er o p e ，s w a b b e r , w e l l h e a d ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，w e l l b o r e a l i g n m e n te t c ，c a n tm e e tt h er e q u i r e m e n to fp r o d u c t i o n t h i sa r t i c l ea i m sa tv a r i o u s r e a s o n sa b o v e m e n t i o n e d ，s t u d yf u l l yf o r md e s i g na n d p a c k a g ea n di m p l e m e n ti n n o v a t i o nt od e v e l o pn e wm o v e a b l eo i lr e c o v e r yv e h i c l ew i t hf o r e m a s t ，o p t i m i z et h eu n i tl a y o u t ，a r r a n g er o p ea u t o m a t i o n ，h o i s t i n g ，m a s tt r a n s m i s s i o nd e s i g ni n o r d e rt os i m p l i f yt h es t r u c t u r ea n di m p r o v ea r r a n g er o p ee x t e n ds t e e lc o r dl i f ec y c l ea n d a u t o m a t i o nl e v e l ，a d de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nd e v i c e ，r e d u c i n gr i s ko ff a u l ta n dp o t e n t i a l p o l l u t i o n t h ek e ya s p e c t sd i s c u s s e di nt h ea r t i c l ea r eu n i tl a y o u t ，a u t oa r r a n g er o p es y s t e m ， a u t o m a t i cc o n t r o l ，h o i s t i n gs a f e t y , m a s te t c ，t h eq u e s t i o ni n c l u d i n gb a da r r a n g er o p ee f f e c t ， h a r do p e r a t i o n ，d i f f i c u l ta l i g n m e n th a v eb e e nd e e p l ya n a l y s e da n dm a i n l ya n dc o m p l e t et h e u n i t ，a r r a n g er o p ea u t o m a t i o n ，h o i s t i n g ，o i l - p o l l u t i n gp r o o fd e v i c e ，m a s t ，o i lr e c o v e r yc h a s s i s a n dt r a n s m i s s i o nd e s i g n ，a sw e l la so p t i o n a ls t a n d b yo i lt a n kd e s i g n s i t eo p e r a t i o nh a sp r o v e nt h et r u c kw i t hl a r g eh o i s t i n gp o w e r , g o o da r r a n g er o p ee f f e c t ， h i g ha u t o m a t i o n ，e a s yo p e r a t i o na n dh i g hr e l i a b i l i t y , s u i t a b l ef o rl o wp r o d u c t i o n ，m a r g i n a l w e l lo i ls u c t i o na n dr e c o v e r yo p e r a t i o n k e yw o r d s ：m o v e a b l eo i lr e c o v e r yv e h i c l e 晰t hf o r em a s t ，m a s t ，a u t o m a t i ca r r a n g e r o p e ，a u t o m a t i cc o n t r 0 1 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 1 学位论文作者签名：兰毕生l 日期：知侔 p 月7 f 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：2 g 年f 。月，s 日 日期：妒年，月少吣日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 目前，采油方法有自喷采油法和机械采油法两种。自喷采油法的特点是利用地层本 身的能量来举升原油。随着油田的不断开发，地层能量逐渐消耗，即使在注水开发的油 田，它的中、后期也出现了水淹和强水淹现象。为了保证原油的稳产、高产，这些油井 就不能继续用自喷法开采。同时，由于油层的地质特点，有一些油井一开始就不能自喷。 对于上述这些不能自喷的油井，就必须用机械采油法进行开采【l 】。 用抽油法开采，国内外应用最广泛的抽油设备是游梁式抽油机抽油泵装置【lj 。该类 设备以工作可靠、坚实、使用和维修简单等优点在上世纪八十年代前赢得了最广泛的使 用市场。随着油田的长期开发，已有相当数量的油井进入了中后期开采阶段，油井的产 能越来越低，供液能力下降，日产油量很低( 一般小于1t d ) 。如果对这些油井进行压裂、 酸化、解堵等作业，费用高，效果差，维持时间短，正常生产仍难以恢复。因此对于这 些油井不得不间歇开采。但由于其管理难度大，设备利用率低，维护保养费用高，生产 成本会大大增加。因此，油田很多此类井只好关闭，实际上这些油井还具备一定的产油 能力，只是由于生产成本的原因，油井产能难以正常发挥，造成石油资源的浪费。一些 新开发的油田，也有部分区块为低渗、低产区块，或者因油层为水敏性而不宜采用注水 开发，地层能量无法及时补充，油井产量会迅速下降，如果继续使用常规抽油设备维持 生产，只能采用间歇开采方式，因此费用也会大大升甜2 1 。随着勘探开发的不断深入， 寻找油气富集地区己经越来越困难。新增探明可采储量中己有相当比例是零散区块和边 远地区。这些油井普遍存在无电力供应、无管道及无地面设施的问题，且远离油田中心 地带，油井非常分散，有些零散井距转运站几百公里，无电力，无管道，要想架设电力 设施、安装抽油机是不可能的。我国东部大部分油田已进入中、高含水期，原油每年呈 相当大的产量递减【3 】1 4 1 。中原油田的部分油井含水己达到9 0 ，辽河油田低产井、边缘 井已有近二千口。另外，在长庆、陕北、大庆等地也存在大量的边远井、低产井。大庆 油田外围地区虽然有数亿吨的原油储量，但均属于薄油层、低渗透、低产量油田。鉴于 目前国际市场石油价格低迷的情况，若再使用常规钻井和采油装备及工艺开采也是得不 偿失的。 如果放弃这些井又将使资源浪费，因为虽然每口井的油量较少，但集中起来也是一 第一章绪论 个不小的数字，用采油车采油给这些井带来了新的活力。据调研，国内目前至少有 1 0 余个油田在使用，使用数量已有一二百台，并且有不断扩大使用的趋势。这种装备之 所以博得青睐，是因为它适应了一些油田的现状和实际需要，大大缩减了地面工程工作 量，节省了人员职守的费用【3 】。 捞油车是美国最早开发设计和使用的采油设备。国外生产的采油车有1 9 9 8 年得克 萨斯州的d e l r i o m i a 公司设计制造的采油车，此采油车工作原理为：在作业前，首先将 油井打开，移去采油树，将井下垂挂下入油井套管中，立管与井口连接密封，开始抽油 作业，一次抽油过程分为上、下两个行程，下行程时，启动钢丝绳绞车，把带有皮碗的 井下垂挂送向井底，到达静液面时，在自配重的自重下，井下垂挂沉入井液中，井液通 过井下垂挂皮碗下部的进油口进入凡尔下腔，顶开阀球进入凡尔上腔，通过出油口进入 皮碗上部的套管中，当下入深度达到采油车的提升能力时，驾驶室内控制系统控制绞车 反转，上行程开始，在井液的压力下阀球与阀座关闭，密闭在皮碗上部的井液被提升到 井u i 2 1 。 我国从1 9 9 2 年开始借鉴国外资料及样机并结合我国油田的具体情况着手研制捞油 车。1 9 9 6 年，吉林省油田总机械厂开发制造了第一台样机。经过几年的运作，全国各油 田在用捞油车已达3 0 0 余台【3 】。采油车将会成为这些边远井采油的主力设备。另外，采油 车采油时由于其巨大的提升力及连续抽吸作用，在井底形成了较大的负压，可以增大油 层的渗透性，改善油井工作状态，最终提高油田的采收率【4 】。所以开发采油车还可以产 生巨大的社会效益。随着油田勘探和开发工作的不断深入，各大油田均有大量的低产井、 低渗透井、边远井存在，这又为采油车生产销售提供了了巨大的市场。正因如此，采油 车便在上世纪九十年代初应运而生，随后多个石油机械生产厂家竞相研制开发，一时间 多种结构、多种样式的采油车投入市场，据不完全统计，国内生产过采油车的厂家有近 1 0 家。所以采油车的市场潜力巨大。 1 2 采油车的简介 捞油车( 有的地方称之为抽汲车或抽油车) 的工作原理早在生产井前期的试油作业 中得到了应用，但把这种工作机理用在纯采油中还是近几年的事。目前出现在市场上的 几种捞油车的结构、工作原理以及使用方法大体相同，都是由运载汽车、动力传动机构、 液压系统、井架总成、绞车总成、操作室、井口装置以及井下工具等组成。其动力来源 于汽车的发动机，通过分动箱、齿轮油泵、角传动箱、链条传递给绞车，再由绞车上缠 2 绕的铡丝绳通过井架把捞油工具下八井内】。目前，采油车主要用于边远、废弃及低产 井的采油作业，也可用于油、水井的通井和打捞作业及其他辅助作业p j 。 采油车典型结构如图1 1 ，采油作业时，液压系统控制井架的起升和伸缩，井架后 翻，对中井口，主车发动机驱动全功奎取力器工作，全功率取力器经传动轴驱动角传动 箱上作，角传动箱是由一时锥齿轮组成的直角换向传动装置。动力经角传动箱后由链条 g e 动绞车，绞车缠绕钢丝绳进行起、下作业。 图1 - 1 采油车典型结构 f i g l - 1h p i e a ls t r u c t u r e o f o i lr e c o v e r ye q u i p m e r t 该没各主要由以下几部分组成： f 1 ) 汽牛底盘：给滚筒提供动力、装载并移动采油滚筒、钢丝绳及其他有关配套设备； ( 2 ) 传动系统：包括全功率取力器、传动轴、减速器及传动链条，传动系统担负着采油作 业所需动力的传递： ( 3 ) 滚筒用于缠绕和带动钢丝绳，提升抽油泵； r 4 ) 副车架：用于支承滚筒及传动系统等： f 5 ) 操作室：提供操作系统支撑骨架及良好的操作环境： ( 6 ) 操纵装置：用于作业时对滚筒的操纵和控制； ( 7 ) 液压系统：由汽车变速箱侧取力驱动油泵，经二路阀后控制两个执行元件为油缸，主 要用来控制井架的起升和伸缩； ( 8 汽路系统：气路系统的气源来自发动机自身所带的空压机，利用底盘的储气罐作为储 能装置。气路的控制元件为两个气阀：一个用于控制绞车离合器的离台：另一个用 于控制绞车的刹车气缸； ( 9 ) 电路系统：用于照明和仪表显示等： 第一章绪论 ( 1 0 ) 排绳机构：将钢丝绳整齐地排列在滚筒上，防止交错乱层而挤压损坏； ( 1 1 ) 计量装置：用于作业过程中，计量钢丝绳入井深度、拉力变化情况等。 1 3 国内采油车的发展现状 采油车的出现为油田现场低产井、低渗透井的开采提供了一种理想设备，为原油上 产做出了贡献。伴随着该采油设备在油田现场的广泛使用，也逐步暴露了一些问题。主 要反映在以下几个方面： ( 1 ) 操作自动化程度差。主要表现在两方面，第一是排绳普遍采用了手工排绳机构或者无 排绳机构，工人的劳动强度较大；第二是对采油过程的控制、操作采油抽子下放和上提 过程中的刹车与离合器控制普遍采用了手工方式，容易出现误操作从而造成抽子撞击井 口或者抽子的沉没度过大引起超载使上提困难； ( 2 ) 排绳效果差。由于采用手动排绳机构或者不采用排绳机构，钢丝绳在工作过程中存在 较严重的挤压、咬绳及乱层现象，使钢丝绳过早出现断丝、变形，影响了钢丝绳的使用 寿命，从而增加了采油车的使用成本； ( 3 ) 安全环保性能差。 1 ) 抽子的安全性差：采油车在工作时如果下泵深度超过设计要求的沉没度或者进行稠油 作业负压较大时，提升负荷会超过设计要求值，这时就需要抽子卸荷，保证提升安全。 但目前多数采油车的抽子不具有此项功能，或者设计了此结构但卸荷效果差，带来了安 全生产隐患； 2 ) 井口装置的安全性差：由于钢丝绳在受载拉伸状况下有一定伸长，并且指深系统也存 在一定的记数误差，或者操作者操作失误造成抽子到达井口时绞车没有刹车，这些情况 都可能造成抽子撞击井口，甚至抽子从钢丝绳上脱下落入井中，造成设备事故，油井报 废； 3 ) 存在原油污染，环保性能差。由于钢丝绳在油井中被原油淹没，从油井中取出时携带、 粘连原油，因风吹飘向四周进入农田，对环境造成污染。 ( 4 ) 不易对中井口。井架后翻式采油车对中井口需要靠倒车，驾驶员视野不好；井架无法 伸缩，水平对中无法调整，需要进行多次调整才能对中井口，准备时间较长。 1 4 课题的目的和意义 基于以上各方面的原因，我们认为非常有必要从设计和配套方面进行全面研究、改 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 进，开发新型的前置式采油车，对整机方案布置、自动排绳系统、自动控制系统、提升 安全系统、桅杆式井架、传动系统等进行系统研究、优化设计，以期达到简化整机结构， 改善排绳效果提高钢丝绳使用寿命，提高自动化程度，增加安全环保装置，减少事故发 生去除隐患，减少环境污染的目的，研制出新一代的前置式采油车。 1 5 课题的主要研究内容 通过对整机方案布置，自动排绳系统，自动控制系统，提升安全系统，桅杆式井架， 采油车移运底盘，传动系统等进行了研究，针对国内外同类产品存在的排绳效果差、操 作自动化程度困难、井架不易对中井i ：1 等诸多问题进行深入分析，优化设计，主要研究 内容如下： ( 1 ) 整体方案设计； ( 2 ) 自动排绳系统； ( 3 ) 自动控制系统； ( 4 ) 提升安全系统； ( 5 ) 桅杆式井架； ( 6 ) 采油车移运底盘； ( 7 ) 传动系统； ( 8 ) 可选配自备油罐。 针对极少数路途遥远低产边缘井，设计了一种自备油罐，安装有前支架和后支架中 间，使采油车同时具备油罐车的功能，用于边远井生产可以节约费用。 第一章总体方寨设* 2l 设备结构设计确定 第二章总体方案设计 前兄止采油车由汽车二炎底盘，全功率墩力器，台板，角传动箱，绞车排绳系 统，井架前支架，后支架，放置于驾驶窀内的自动控制及操作系统，主传动系统，被 压系统，操作室及选装的储备油罐组成。其结构简图见图2 1 。 2345678 91 0 朴、抽r 及井口装置2 一桅十f 式井架3 一汽乍底盘4 一自动控制系统5 - 前支架6 储备油罐7 后支 架8 - 自动排绳系统9 - 绞车总成l o 一乘员室1i 一角传动箱 图2 - 1 前置式采油车结构简图 f i 9 2 1 s t r u c s k e l e t o no f m a s t o i lr e c o v e r ye q u i p m e n t 22 整体设计方案 采油设备通过绞车、井架等组成的提升系统带动钢丝绳及足j 定在钢丝绳末端的抽子 运动寅现采油作业。全功率取力装置、角传动箱、绞车、排绳系统、井架、自动控制及 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 操作系统、主传动系统、液压系统、操作室等专用装置布置在台板上，并与台板一起安 装在移运装置上。 针对后置式采油设备不易对中井口，操作繁琐、视野不好的缺点及新型采油车的专 用装置的特点，结合油田采油车作业现场的情况，根据移运装置的改装要求及 g b 7 2 5 8 2 0 0 4 机动车运行安全技术条件【6 】、s y t 5 5 3 4 2 0 0 7 石油专用车通用技术条 件【7 】及汽车强制性标准8 1 【9 】【l o 】要求，通过严格的设计计算，对整机质心、前、后桥载 荷，侧倾稳定角、离去角、接近角，动力系统等进行深入细致研究，合理布置专用装置： 井架前置，井架支座布置在车的中部，绞车布置井架后部靠近车尾，全功率取力装置在 汽车变速箱之后，侧取力装置及液压系统布置在台板下右前部，自动控制系统及报警装 置布置在汽车驾驶室内，司乘室( 储备油罐) 布置在汽车尾部，操作在载车驾驶室内进 行，从而使整机结构紧凑、视野开阔，最大限度的节约能耗，提高整机的移运性，方便 用户操作使用。合理的确定了整机设计方案。 ( 1 ) 优化设计开发角传动箱、绞车总成等专用装置，实现有效合理的传动，并使布置结构 紧凑； ( 2 ) 设计开发2 4 v 直流电和气路控制相结合的操作控制系统，提高设备运行的安全可靠 性，降低操作人员的作业强度； ( 3 ) 设计开发强度高、体积小的桅杆式井架，在满足使用的前提下尽量减轻重量； ( 4 ) 优化传动路线，提高传动效率，降低整机重量； ( 5 ) 合理设计乘员室等结构件的尺寸和位置，以满足整车质量布置需要； ( 6 ) 通过专用性能参数的设计计算，合理确定整机专用性能参数； ( 7 ) 通过载荷分布和质心位置的设计计算，合理布置专用装置。 2 3 主参数的选择确定 2 3 1 总质量m 总质量m ：所= m t i = l 式中：m l 为汽车二类底盘整备质量= 9 1 7 0k g ； m 2 为支杆质量= 1 4 8 蚝； 7 ( 2 1 ) 第二章总体方案设计 m 3 为井1 2 1 装置质量t = 8 5k g ； m 。为桅杆井架总成质量= 1 9 8 3k g ； m ，为前支架质量= 7 3k g ： m 。为后支架质量= 3 2 1k g ； m ，为构架及其它质量= 1 7 15k g ： m 8 为角传动箱质量= 1 2 0k g ； m 9 为排绳器质量= 2 8 0k g ； 所，。为绞车及钢丝绳质量= 4 2 1 5k g ； m 1 1 为操作室及室内附件质量= 2 4 0k g ； m 1 2 为储备油罐质i ：= 2 4 4 0k g 。 总质量m = 2 0 7 9 0k g 2 6 0 0 0k ( 原汽车允许最大总质量) 专用装置部分总质量小= 所一铂( 2 2 ) = 1 1 6 2 0 k g 唿2 2 1 7 1 l ， 满足纵翻要求。 保证车辆不发生侧翻，要求 b 2 h , 一t g a ( 2 1 2 ) 式中：b 为汽车轮距，1 1 1 1 1 1 ； 口为横向稳定角= 3 0 。： 唿为整车质心高度，m m 。 b 2 h g 卸5 8 0 6 t g3 0 0 = q 5 7 7 4 满足倾l j 翻要求。 第一二章总体方案设计 2 3 5 液压系统的设计计算 ( 1 ) 举升油缸压力计算1 2 1 。初始举升位置如图2 4 。 m 船4 + 抽沩架、支杆及井口质量( 包括附件等质量) 3 8 4 7 2 n 2 协4 + 矿2 3 1 8 ， 、， r ，l 22 5 0 1 6 9 8 、 一 、f 图2 _ 4 起升位置图 f i 9 2 4j a c ku pp o s i t i o n 最大举升力f f 2 2 5 0 = 肘井架3 8 4 7 2 f = 3 9 6 3 5 k g f = - 3 8 8 4 2 n 起升缸压力计算 由于初选举升缸的初始作用缸径为矽= 1 5 0m i l l 则其作用面积为s = 万( 2 ) = o 0 1 7 6 7 m 2 起升油压为：p = f s = 2 1 9 1 0 6 p a ( 2 ) 伸缩缸压力计算【1 2 】 f 图2 - 5 伸缩缸受力图 f i 9 2 5t e n s i o nd r a w i n go ft e l e s c o p i cc y c l i d e r 1 2 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 伸缩缸上的最大作用力f 即为最大起升载荷8 0 0 0 k g f 油缸的作用面积为：s = x ( d 2 ) 2 = 万( o 0 9 2 ) 2 = 0 0 0 6 3 6 m 2 油缸内最大油压为：p = f s = 1 2 3 x 1 0 6 p a 考虑到液压元件寿命以及液压缸有可能出现内泄等问题，选择系统压力为1 4 m p a 。 选用液压油泵c b f e 3 2 油泵。 2 4 小结 通过载荷分布和质心位置的设计计算，合理布置专用装置，确定了整机结构，最大 限度的节约能耗，提高整机的移运性，方便用户操作使用，并满足汽车稳定性的要求。 通过液压系统的设计计算，确定了系统压力和油泵型号。经过整体优化布置，该车总体 参数确定如下： 表2 - 1 整机技术参数 t a b l e 2 - 1t h ew h o l em a c h i n et e c h n i c a lp a r a m e t e r 序号 项目技术参数 1 外廓尺寸( 长宽高) ，1 1 1 1 3 1 1 1 4 4 0 2 4 8 0 3 4 4 0 2 汽车最大总质量，k g 2 0 9 8 5 3 距前桥位置，1 1 1 1 1 1 3 3 6 7 质心位置 4 距地面高度，m m 1 5 5 0 5 轴距，m m 4 3 2 5 + 1 3 5 0 6 最大提升力，k n 8 0 7 下泵深度，m 2 3 5 0 8 钢丝绳起升线速度，m s 1 2 - 2 1 2 9 抽子沉没度，m 3 6 0 1 0 井架伸缩长度，1 1 1 2 1 1 负载指示误差， 1 5 1 2 深度指示误差， 1 2 1 3 发动机功率，k w 2 0 6 1 4 整车总质量，t 2 1 第三章自动排绳系统设计 第三章自动排绳系统设计 采油车的主要易损件就是钢丝绳，钢丝绳寿命的长短不但决定采油成本，而且影响 单位时间内的劳动效率。如果绞车滚筒有较好的排绳装置就会延长钢丝绳的使用寿命； 反之就将出现挤压、咬绳现象，加剧钢丝绳的磨损，引起局部断丝，导致整根钢丝绳报 废。已往设计的排绳器有手动和自动两种。手动排绳器靠操作者在工作时边观察边执行， 所以排绳效果和操作者的熟练程度有关，并且长时间操作易使人感到疲乏。 文掣1 3 】提出了一套自动排绳控制装置，是机、电、液一体化自动系统。特点是按照 输入信号的方向、大小变化，输出信号的方向、大小也随之变化，自动跟踪、自动补偿，输 出液体和流量与输入值成比例，输出速度无级变速。可以手动和自动工作。电控系统是最 重要部分，是自动排绳控制系统的中枢。但系统存在信号误差、不稳定、响应不同步、结 构复杂等缺点不适合现场使用，没有得到推广。在调研中发现，除此论文之外，没有文 献涉及到自动排绳系统的研制。因此，对于采油车自动排绳系统还有迸一步攻关的必要。 针对以上问题，提出了两种自动排绳方案，一种是机械自动排绳：第二种是全液压 排绳。 3 1 排绳器方案确定 3 1 1 全液压排绳方案 其工作原理是利用一中位为“y ”型的三位四通液压控制阀控制一液压油缸做为排 绳摆动的控制机构，排绳器的换向由控制换向阀来完成。并对排绳器增加蓄能器等辅助 设施，来吸收冲击载荷。经过对液压排绳机构进行了试验，发现该机构在使用中存在着 动作不协调、液缸容易被憋卡损坏，排绳效果很不理想。 3 1 2 机械自动排绳方案 由于从现有公开发表资料看，无成功运用自动采油排绳的排绳装置。借鉴现有纺织 行业中的排线机构为其工作原理是滚筒轴上链轮带动排绳螺旋轴作同步运动，由拨叉离 合器实现排绳螺旋轴正反向旋转，从而驱动排绳螺旋轴上排线机构运动，实现自动排线， 经分析认为该螺旋结构工作原理可运用采油车排绳。另外，项目组还参考了试井车的排 绳系统的结构，考虑到采油车工作载荷大和结构的可靠性，对排绳结构进行了设计构思， 设计了纯滚动摩擦的双螺旋换向的自动排绳系统。 1 4 32 自动排绳器设计 321 结构设计 整个排绳装置安装在滚筒前面，由安装在滚筒轴卜的链轮驱动。由润滑箱、烈向丝 杠、导向杆、侧滚动柱、连接体、中间滚动柱、导向体、挡绳柱、挡绳筒等几部分组成。 动力经动力输入装置输入到双向丝杠轴端，双向丝杠通过两个轴承座固定在润滑箱体 h 可以在轴承座中旋转；润滑箱体上另外两组孔用于固定两根导向杆，导向体穿在导 向杆上并可以在导向轩上滑动。挡绳柱采用螺栓固定的方式固定在导向体上，挡绳筒通 过轴承联接在捎绳柱上，并可咀绕挡绳柱旋转，中间滚动杠城过轴承固定在导向体上， 连接体与中叫滚动柱通过轴承连接，连接体可绕巾间滚动柱旋转；两个侧滚动柱通过轴 承固定在连接体上。侧滚动柱、连接体、中间滚动柱、导向体、挡绳柱、挡绳筒弛同组 成导向装黄，下人井中的钢丝绳放置在两个挡绳简之间。 双向丝杠为一具有正反向螺旋槽的轴，正向和反向的螺旋槽螺距相等且断面形状相 同，螺旋槽的断面型状为矩型槽：为了保证换向在双向丝杠螺旋槽部分的最左端和最右 端螺旋槽部分被铣去。 其结构示意图如剧3 - 1 所示。 纛 画由舾 图3 - 1自动排绳器结构示意图 f i 9 3 1s t u c t r u e o f a r r a n g er o p e 第三章自动排绳系统设计 3 。2 2 工作原理 通过链轮系统带动螺旋轴转动，螺旋轴上刻有正反螺旋槽，两螺旋槽的头尾均用圆 滑圆弧相接，导向装置总成上的三个滚动柱置于螺旋槽内，螺旋轴旋转时，导向装置总 成被带动沿导向杆作往复运动，而钢丝绳夹于导向装置总成的两挡绳柱中，从而迫使钢 丝绳随着滚筒绕绳从左至右、从右至左运动，实现自动有序排绳。该机构在绞车和排绳 机构转轴之间建立严格的定速比传动，即绞车每旋转一圈，排绳器就向左或向右移动一 定的距离，保证排绳均匀、有序。螺旋轴与导向装置总成组合，实现排绳器平稳换向， 保证当钢丝绳在滚筒上缠绕完一层时，自动缠绕下一层。 主要性能特点如下： ( 1 ) 同步排绳，保证钢丝绳规律性地排在滚筒上，减少钢丝绳损伤； ( 2 ) 采用二根挡绳柱排绳，钢丝绳不受限制地上下摆动，避免排绳器纵向受力。可减少钢 丝绳的磨损，并大大提高排绳机构排绳的可靠性； ( 3 ) 各相对运动部件间多采用滚动接触，采用润滑脂或浸油润滑，减小摩擦，有效降低噪 音，提高装置寿命； ( 4 ) 排绳机构与钢丝绳为滚动接触，减少钢丝绳损伤； ( 5 ) 此机构为纯机械结构，动作灵活、可靠，且寿命长； ( 6 ) 进行了降速设计，机构寿命大大提高； ( 7 ) 整个装置采用了全封闭结构，外观优美； ( 8 ) 设计中尽量地考虑零件的互换性，大量采用标准件，维护方便。 3 2 3 自动排绳机构主要设计计算 ( 1 ) 计算参数 1 ) 滚筒开挡宽度：5 2 7 m m ； 2 ) 滚筒直径：03 6 0 r a m ； 3 ) 最大快绳拉力：1 2 0 k n ； 4 ) 快绳速度：r 2 m s ( 提升) ，一 6 m s ( 下放) ； 5 ) 滚筒绕绳容量：2 3 5 0 m ； 6 1 钢绳直径：o1 6 r a m ； 7 1 每层排绳圈数：3 1 圈。 ( 2 ) 螺旋轴螺旋设计1 4 】【1 5 】 1 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 ) 螺距设计 钢丝绳直径为1 6 m m ，滚筒绕绳螺距t ，绳槽间隙ad ，则 ，= 钢丝绳直径+ a d = 1 7 1 1 1 1 ( 3 - 1 ) 考虑到导向装置滚柱强度和螺旋轴螺距为整数，取螺旋轴螺距p = 4 t = 6 8 m m ( 传动比 取4 ) 。螺旋轴为正反螺旋，螺距相同，且为正交。 2 ) 矩形螺旋槽结构要素设计 按矩形螺旋槽结构设计要求，考虑到导向装置滚柱与螺旋轴接触强度，确定螺旋外 径：d = 1 2 0 m m ，槽宽：b = 2 8 m m ，槽深：h = 1 8 m m 。则螺旋槽的螺旋升角： 口= a r c t a n ( p ( z d ) ) = 10 2 2 5 。 ( 3 2 ) 3 ) 绕绳最大轴向作用力及螺旋槽受力计算 根据采油车结构情况，设计螺旋轴中心与滚筒中心在水平方向的安装距离为 1 0 6 8 m m ，则可以计算出绕绳在挡绳杆的作用下产生的夹角1 3 在1 7 8 4 3 1 。之间，根据力 的合成原则可得： 死= 绳拉x c o sb = 1 2 0 x c o s ( 17 8 4 3 1 。- 9 0 。) 2 3 2 9 k n( 3 3 ) 取巧= 3 2 9 k n f = 目c o s a = 3 2 9 c o s l 0 2 2 5 = 3 3 4 k n( 3 - 4 ) e = c x t a n a = 3 2 9 x t a n l 0 2 2 5 = 0 5 9 k n( 3 - 5 ) 4 ) 接触强度计算 当中间滚动柱承受载荷，另外两根滚动柱导向时，最大接触压应力： 盯。= 0 4 1 8 4 ( ? e l r ) ( 3 - 6 ) 式中：盯。为最大接触应力，m p a ： 尸为接触力，p = f = 3 3 4 0 n ； 三为接触长度，l = 1 6 m m ； 三为滚柱半径，r = 1 4 m m ； e 为弹性模量，e = 2 0 6 x 1 0 5m p a 。 仃麟=04184(3340 x206x105)(1614)=7326mp口盯脚 1 7 第三章自动排绳系统设计 故接触强度满足要求。 当中间滚动柱悬空时，载荷作用在两侧滚动柱上，最大接触压应力： 侧滚动柱l ：l = 1 3 5 m m ，r = 1 2 5 5m m 侧滚动柱2 ：l = 3 4 m m ，r = 1 3 9m r l l l = 0 4 1 8 x x ( 1 6 7 0 x 2 0 6 x 1 0 5 ) ( 3 4 幸1 3 9 ) = 1 1 2 7 8 m p a o n ” o m 烈2 = 0 4 1 8 ( 1 6 7 0 2 0 6 1 0 5 ) ( 1 3 5 + 1 2 5 5 ) = 5 9 5 6 m p a o - m z * ( 3 ) 滚子链传动设计计算【1 4 】【1 5 】1 1 6 1 ) 小链轮、大链轮的最大转速： 以上提工况为设计工况。按设计基本参数要求，最大提升速度为2 m s ，最大提升载 荷为8 0 k n ，设计安全系数为1 5 ，故最大提升载荷按1 2 0 k n 计算。当快绳全部下完转起 升时，小链轮为最大上提转速n 1 ，相应的大链轮上提最大转速为1 1 2 。 n l = v x6 0 ( 死d ) ( 3 7 ) 式中：y 为钢绳最大提升速度，v - - 2 r n s ； d 为滚筒绕第一层钢绳的钢绳中心直径，m i l l ； d = 0 3 6 + 0 0 1 6 = 0 3 7 6m l i l 。 n l = 2 x 6 0 o r x o 3 7 6 ) = 1 0 1 6 r m i n 设计滚筒与螺旋轴传动比i = 4 ，则相应螺旋轴转速： n 2 = n l i = 1 0 1 6 i = 2 5 4r r a i n ( 3 - 8 ) 2 ) 传动功率尸计算： p = t 9 5 5 0 = e r n 2 9 5 5 0 ( 3 - 9 ) 式中：b 为螺旋轴所受切向力，2 5 9 0 n ； 欠为螺旋轴半径，r = 0 0 6m 。 p = 5 9 0 0 0 6 2 5 4 9 5 5 0 = 0 0 9 4 k w 3 ) 小链轮齿数z 1 ：z l = 2 9 一( 2 f ) = 2 1 ( 3 1 0 ) 4 ) 小链轮齿数z 2 ：z 2 = z l f - 2 1 4 = 8 4( 3 1 1 ) 5 ) 设计功率p d ：p d = k a p = 1 4 x o 0 9 4 = 0 1 3 2 k w , 觑为工况系数 ( 3 1 2 ) 6 ) 特定条件下单排链条传递的功率p o ： 1 r 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 昂= p d i ( k z k e ) = 0 1 3 2 ( 1 1 1 幸1 ) = o 1 k w 7 ) 链条节距p ： 根据尸。选取链条链号为1 0 a 1 1 9 6 1 7 】； 节足e p = 1 5 8 7 5 m m ，d r = l o 1 6 m m ，b l = 9 4 m m 8 ) 验算小链轮孔径d k ：d k - - 4 8 m m 弋 d k l n s t x5 9 r a m 9 ) 初定中心距a 。：a o = 1 1 2 4 3 m l l l 1 0 ) 以节距计的初定中心距口印： = a o p = 1 1 2 4 3 1 5 8 7 5 = 7 0 8 2 n l m 1 1 ) 链条节数三p ： l p = ( z l + z 2 ) 2 + 2 a o p 七k | q o p = 1 9 5 5 经圆整后取三j p2 1 9 6 m m 1 2 ) 链条长度三： 上= 0 p 1 0 0 0 = 3 1 1 i i l l l l 1 3 ) 计算中心距口。： = p ( 2 l e - z l - z 2 ) k , , = 1 1 2 7 5 m m 1 4 ) 实际中心距口： 日= a 。- 0 0 0 2 a c = 1 1 2 5 2 5 m m 1 5 ) 分度圆直径： d l = p s i n ( 18 0 z 1 ) = 1 0 6 51m m d 2 = p s i n ( 18 0 z 2 ) = 4 2 4 5 6 5m m 1 6 ) 齿顶圆直径： 出1 一= d l + 1 2 5 p d r = 1 1 6 1 9 m m d a l 。i 。= d l + ( 1 - 1 6 z 1 ) p - d r = 1 11 0 5 r a m 出2 嗍= d 2 + 1 2 5 p d r = 4 3 4 2 5m m 1 9 ( 3 - 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 - 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) ( 3 1 8 ) ( 3 - 1 9 ) ( 3 - 2 0 ) ( 3 - 2 1 ) ( 3 2 2 ) ( 3 - 2 3 ) 第三章自动排绳系统设计 d a 2 。i n = d 2 + ( 1 - 1 6