王哲， 祁小偉， 呂強(qiáng)， 馮耀東

（南陽第二石油裝備（集團(tuán)）有限公司，河南南陽473006）

0 引言

在油田抽汲、采油作業(yè)時(shí)，需要將作業(yè)工具通過鋼絲繩在井內(nèi)完成提升和下放工況。根據(jù)井深要求，滾筒配有數(shù)千米的鋼絲繩。作業(yè)時(shí)，如果鋼絲繩不能在滾筒上一層層地排列整齊，就會(huì)出現(xiàn)亂繩、咬繩現(xiàn)象，嚴(yán)重影響鋼絲繩壽命和作業(yè)安全。

目前大多數(shù)廠家采用機(jī)械排繩機(jī)構(gòu)，即滾筒通過鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)排繩器上的正反絲杠旋轉(zhuǎn)，完成排繩器的移動(dòng)和自動(dòng)換向。該方法雖然結(jié)構(gòu)簡單，但無法消除積累誤差的影響，必須手動(dòng)參與調(diào)整。也有采用液壓和電控結(jié)合的自動(dòng)排繩系統(tǒng)，但其缺點(diǎn)是系統(tǒng)繁雜和液壓的容積效率誤差大，不能很好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排繩。

1 技術(shù)分析

如圖1，根據(jù) GB/T1955-2008標(biāo)準(zhǔn)要求，光面滾筒、多層纏繞時(shí)，自然排繩的出繩偏角θ≤2°。而影響排繩最主要的原因有兩個(gè)：1）鋼絲繩出繩偏角太大，不能滿足正常排繩的需要；2）鋼絲繩纏繞時(shí)張力太小，造成排繩不緊湊或亂繩。

圖1 鋼絲繩出繩偏角

抽汲作業(yè)采用的是光面滾筒、多層纏繞，鋼絲繩一端連接有加重桿和油抽子，在提升和下放時(shí)，鋼絲繩上始終保持有一定的張力。因此，關(guān)鍵是解決在排繩時(shí)，一直保持鋼絲繩的出繩偏角在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，并盡可能等于0°。

2 工作原理

在滾筒上纏繞的鋼絲繩，內(nèi)層與外層都只與滾筒的轉(zhuǎn)速有關(guān)。當(dāng)滾筒勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)層與外層排滿一層的時(shí)間相等，即滾筒轉(zhuǎn)速與排繩同步。根據(jù)這個(gè)原理，只需將滾筒的轉(zhuǎn)速與鋼絲繩沿滾筒軸線移動(dòng)的速度關(guān)聯(lián)起來，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排繩。然而不論用任何形式的傳動(dòng)，都不能避免尺寸誤差、傳動(dòng)誤差與積累誤差，進(jìn)而導(dǎo)致不能同步，改變出繩偏角的大小、引起亂繩等問題。所以必須引入有效的消除誤差的方法，才能解決自動(dòng)排繩中出現(xiàn)的問題。在這里，把消除誤差的方法稱作糾偏。

現(xiàn)設(shè)計(jì)一種機(jī)械與電控相結(jié)合的排繩裝置，采用有效的糾偏措施，并即時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)無需人工干預(yù)的全自動(dòng)排繩系統(tǒng)。

如圖2，該裝置由滾筒、排繩器支架、PLC控制器、伺服電機(jī)及伺服控制器等組成。在滾筒上安裝轉(zhuǎn)速傳感器，排繩器支架上安裝有伺服電機(jī)、絲杠、導(dǎo)軌、移動(dòng)支座、導(dǎo)繩輪、糾偏架、糾偏開關(guān)及換向開關(guān)。通過檢測(cè)滾筒轉(zhuǎn)速、換向、糾偏等信號(hào)，自動(dòng)控制排繩器運(yùn)動(dòng)，達(dá)到自動(dòng)排繩的目的。

圖2 電控全自動(dòng)排繩裝置示意圖

糾偏架、糾偏開關(guān)和導(dǎo)繩輪安裝在移動(dòng)支座上，移動(dòng)支座通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠，在導(dǎo)軌上左右移動(dòng)。

如圖2所示，采集滾筒的轉(zhuǎn)速及正反轉(zhuǎn)信號(hào)，通過PLC和伺服控制器的處理，控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)通過絲杠驅(qū)動(dòng)排繩器運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滾筒旋轉(zhuǎn)1圈，鋼絲繩移動(dòng)1個(gè)鋼絲繩直徑，保證鋼絲繩一直與滾筒軸線垂直。當(dāng)鋼絲繩纏繞到滾筒邊緣時(shí)，觸碰換向開關(guān)使伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，排繩器換向移動(dòng)。通過伺服電機(jī)精準(zhǔn)地控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)滾筒轉(zhuǎn)速與排繩器移動(dòng)同步。

當(dāng)鋼絲繩纏繞多層后，各種誤差的積累，導(dǎo)致鋼絲繩通過導(dǎo)繩輪后，與滾筒的軸線不垂直，出現(xiàn)偏角。由糾偏架將產(chǎn)生的出繩偏角放大，并觸碰糾偏開關(guān)，開關(guān)信號(hào)通過PLC和伺服控制器使伺服電機(jī)加速或減速，從而糾正偏角到垂直位置。同時(shí)，根據(jù)糾偏反饋給伺服電機(jī)的信號(hào)，即時(shí)調(diào)整伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以保證排繩器與滾筒同步運(yùn)行。

由于要保證出繩偏角θ≤2°，而2°內(nèi)的尺寸很小，糾偏架必須有放大的功能，才能夠準(zhǔn)確地控制。如圖3所示，糾偏架上的撥叉會(huì)以A為鉸支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)鋼絲繩通過導(dǎo)繩輪與滾筒徑向產(chǎn)生出繩偏角θ時(shí)，鋼絲繩會(huì)觸碰撥叉輪使撥叉旋轉(zhuǎn)，得到一個(gè)放大的夾角β，從而使撥叉觸碰糾偏開關(guān)。我們可以通過簡單的三角函數(shù)，計(jì)算出合理的糾偏架尺寸，使糾偏角度保證在-2°～2°之間，甚至更小。

圖3 糾偏架糾偏示意圖

由滾筒轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號(hào)，控制排繩器運(yùn)動(dòng)，然后通過糾偏信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)，驗(yàn)證并調(diào)整伺服電機(jī)的輸入?yún)?shù)，使之形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，有效地保證滾筒與排繩器一直處于同步運(yùn)行的狀態(tài)。

同時(shí)，糾偏架還能起到自動(dòng)找正的作用。當(dāng)準(zhǔn)備作業(yè)時(shí)，給系統(tǒng)供電，如果鋼絲繩通過導(dǎo)繩輪后，與滾筒的軸線不垂直，由于糾偏架觸碰到了糾偏開關(guān)，不用操控滾筒旋轉(zhuǎn)，開關(guān)信號(hào)通過PLC和伺服控制器就會(huì)控制伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)排繩器運(yùn)動(dòng)，直到鋼絲繩與滾筒的軸線處于垂直位置的狀態(tài)。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析

電控全自動(dòng)排繩裝置已于2013年獲得實(shí)用新型專利，專利號(hào)為ZL201220441559.4。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該全自動(dòng)排繩控制裝置通過PLC和伺服控制器對(duì)伺服電機(jī)的精確控制、糾偏功能的實(shí)施和閉環(huán)控制系統(tǒng)，確保了整個(gè)作業(yè)過程中，無需任何人為干擾就能實(shí)現(xiàn)鋼絲繩在滾筒上的精確纏繞。采用的機(jī)械傳動(dòng)和伺服控制系統(tǒng)，都屬于成熟技術(shù)，尤其是伺服控制已在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其可靠性與準(zhǔn)確性也得到一致認(rèn)可。

該裝置的結(jié)構(gòu)形式和工作原理，也適用于各種絞車、卷揚(yáng)的自動(dòng)排繩，具有良好的應(yīng)用前景和市場(chǎng)推廣價(jià)值。

4 結(jié)論

由于抽汲作業(yè)時(shí)要兼顧懸重、繩速、井深等多種參數(shù)，為了防止油液滲漏，提升過程不能中斷，因此采油車電控全自動(dòng)排繩裝置，完全解除了作業(yè)人員對(duì)排繩問題的顧慮。并且延長了鋼絲繩的使用壽命，保障了作業(yè)安全，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)際使用中均得到了好評(píng)。

［1］ GB/T1955-2008建筑卷揚(yáng)機(jī)［S］.