一种全方位导轮结构设计浅析

一种全方位导轮结构设计浅析

明晓峰

中石化胜利石油工程有限公司地质录井公司 ， 山东东营 2 57064

摘要: 在物料搬运机械中，供提升、牵引、拉紧和承载之用。钢丝绳的强度高、自重轻、工作平稳、不易骤然整根折断，工作可靠。在油气勘探钻机上，提升系统用的就是钢丝绳，在滚筒上缠绕伸缩，提拉钻具。钢丝绳在运行中需要导向，即按照一定的方向完成作业动作，行成有序排序，这就需要一种导向装置。本文探讨的就是一种全方位导轮结构的设计。

关键词：滚筒；缠绕；转轮；设计

0 引言

钻机是石油勘探的重要设备，钻机一般有八大系统组成，即提升系统、旋转系统、钻井液循环系统、传动系统、控制系统和监测显示仪表、动力驱动系统、钻机底座、钻机辅助设备系统，钻机要具备起下钻能力、旋转钻进能力、循环洗井能力。钻机的主要设备有：井架、天车、绞车、游动滑车、大钩、转盘、水龙头（动力水龙头）及钻井泵（现场习惯上叫钻机八大件）、动力机（柴油机、电动机、燃气轮机）、联动机、固控设备、井控设备等。

绞车是用滚筒缠绕钢丝绳或链条提升或牵引重物的轻小型起重设备，又称卷扬机。绞车是可单独使用，也可作起重、筑路和矿井提升等机械中的组成部件，因操作简单、绕绳量大、移置方便而广泛应用。主要运用于建筑、水利工程、林业、矿山、码头等的物料升降或平拖。绞车滚筒上缠绕钢丝绳，钢丝绳引出到井架天车上，绕后缠绕动转轮组在机械力的作用下实现缠绕和缩放。钢丝绳在滚筒上缠绕不是无序的，而是需要按照一定的排列结构，一层排满后再排另一层，由此，滚筒上会缠绕多层钢丝绳。要实现钢丝绳在滚筒上的有序排列缠绕就必须经过转轮结构，畅滑的转轮是钢丝绳的游动通道，否则就会造成钢丝绳跳出转轮，跳出转轮后的钢丝绳就会在滚筒上无序排列，同时会造成摩阻增加，造成设备损坏影响正常施工。

1 钻机系统钢丝绳缠绕的传统技术

钻机的提升系统是为了提升和下放钻具、下套管以及控制钻压和送进钻具。提升系统包括绞车、辅助刹车、天车、游车、大钩、钢丝绳以及吊环、吊卡、吊钳、卡瓦等各种工具。提升时，绞车滚筒缠绕钢丝绳，天车和游车构成副转轮组，大钩上升通过吊环、吊卡等工具实现钻具的提升。下放时，钻具或套管柱靠自重下降，借助绞车的刹车机构和辅助刹车控制大钩的下放速度。在正常钻进时，通过刹车机构控制钻具的送进速度，将钻具重量的一部分作为钻压施加到钻头上实现破碎岩层。

在石油钻机绞车滚筒上开设绳槽，是为了避免钢丝绳在加载时的相互摩擦、挤压变形、早期磨损等问题，绳槽的种类很多，广泛适用的是利巴斯绳槽装置。绳槽排列钢丝绳是按照槽型和钢丝绳的缠绕动力自动排列的，自左至右或自右至左来回往复绕制。提升和下降的过程中，钢丝绳通过天车和转轮组带动负载，钢丝绳在滚筒上的缠绕排序是相反的，提升的时候收回钢丝绳即在滚筒上绕进，下方的时候钢丝绳释放钢丝绳即从滚筒上绕出。钢丝上在从滚筒引向天车的游动线路中要经过一个左右畅滑游动的转轮，该转轮穿套在一根滑杆上，钢丝绳在张紧力的作用下带动转轮转动，转轮槽为钢丝绳提供了游动空间，也限制了钢丝绳的走向，即钢丝绳必须在转轮槽中。但是，在实际施工中，钢丝绳经常会跳出转轮槽，直接和滑杆摩擦接触，这种情况在遇有跳动的时候最为常见。钢丝绳如跳出滑槽就需要人为的将钢丝绳重新装回滑槽内，否则会影响钢丝绳在滚筒上的缠绕排序。如此情况，在其它需要钢丝绳绕进绕出排序的工作中也常见，但都会遇到类似的问题。

除钻机系统外，有关钢丝绳游动应用的设备和设施是丰富多样的，而对于钢丝绳的引导是影响到其工作的关键，如何能正确引导钢丝绳使其能够定向有序地排进排出，这就需要一种关键的装置。鉴于此，一种全方位转轮结构是工作中亟需的。

2 全方位导轮结构的创新设计

全方位转轮结构整体为硬钢质，主要由基座、横撑、立撑、U-型轮、万向转簧等组成。基座支撑横撑和立撑，和其它结构一起实现全方位转动功能。导轮系统设计，如图所示。

2 .1 基座

基座是支撑转轮结构的底座，基座为一段方钢，基座的两端对齐焊接一段方钢作为基座支撑台阶。穿过基座和台阶的中部凿丝孔，基座固定螺丝穿过丝孔将基座固定到其它物体上。在基座的中间部位设置万向转簧。

2.2万向转簧

万向转簧坐落在万向转簧外环内。⑴ 万向转换内外环是一段钢管，也即万向转簧的套座，分上下两段，上部固定在横撑下部中部，下部固定在基座中部，弹簧卡落在上下两体中。弹簧利用螺旋间歇从内环中绕入。万向弹簧的内环是在钢管的顶部齐平焊接的一个钢环，限制弹簧脱落。万向转换内外环通过焊接在外环两侧的锥丝管固定到基座和横撑上相对应的丝孔中；⑵ 锥丝管。锥丝管是一段钢管，内车丝扣，焊接在万向转簧外环壁两侧，在相对应锥丝管的基座和横撑位置上车有相应的丝孔，固定螺丝旋拧固定锥丝管。

导轮系统设计图

2.3横撑

基座和横撑通过万向转簧实现全方位动态连接，横撑为一段方钢，横撑的两侧开有丝孔，用于通过横撑固定螺丝连接两侧立撑。

2.4 立撑

立撑为一段方钢，两侧立撑上与横撑对应的位置开有丝孔，用于通过横撑固定螺丝连接横撑两端。两次立撑的上部各开有丝孔，以通过立撑固定螺丝连接固定轴承杆。⑴ 连杆。连杆为一段方钢，连杆为用于连接两个U-型轮，两个U-型轮的转轴上开有丝孔，连杆螺丝通过两侧连杆相对应的位置上的丝孔实现连杆和两个U-型轮的连接。两侧连杆的中间位置各设置一个嵌套轴承，通过轴承杆和立撑固定连接；⑵ 轴承杆。轴承杆前端为圆柱形，后端为一段方钢。前端连接固定轴承，后端通过立撑固定螺丝和立撑连接。横撑、立撑、连杆相互通过螺丝和U-型轮的转轴连接固定，为U-型轮的套接转动提供全方位转动空间。

2.5 U-型轮

两个U-型轮套接，上下两个U-型轮的咬合凸缘和咬合凹缘嵌套，在中间形成滑绳道。钢丝绳无论转动到哪个角度都受到咬合限位控制而不脱离滑绳道。

3 结语

全方位转轮结构在万向转簧的作用下可实现360°旋转，同时，依靠弹簧的弹性变化可达到方位上的动态调整。由横撑、立撑和轴承杆组成的限位结构使滑绳道成为一个咬合的畅滑通道，钢丝绳在滑绳道内的任何方向上都得到了限位控制而不脱离。该装置的整体结构可拆卸成单独的个体，便于维护和保养及组装。

3