绳索卷扬自动排绳装置的设计与研究

段春梅，刘文杰，王冰

（连云港黄海机械股份有限公司，江苏 连云港 222062）

0 前言

在全液压及普通岩心钻机上的绳索取心卷扬中均需要通过卷筒用钢丝绳下放取芯装置，起升井下岩心。其他在油田使用的采油车、捞沙车、盘管车、测井车等自带卷筒的油田特种作业设备，均需在作业时钢丝绳、电缆、液压胶管、油管等能整齐有序的排列在卷筒上，卷筒的容绳量通常为几百到上千米（此例中卷筒容绳量为2500m），普通自然排绳会将钢丝绳堆积在卷筒的中部，不能充分利用整个卷筒的缠绳空间，同时还会造成钢丝绳缠绕不均，松紧不均，被压扁、折曲成角等现象，这样会使得钢丝绳寿命缩短，并影响钻机的正常作业。为此，需要设计一种自动排绳装置，以实现钢丝绳能逐层地缠绕在卷筒上，充分利用卷筒空间，并顺利完成各种作业。

1 自动排绳装置的结构及原理

绳索卷扬在运转时钢丝绳在卷筒上缠满一层后开始下一层缠绕时必须换向，而卷筒自由缠绕不能满足这个条件。因此就必须在卷筒固定架上增加一个自动排绳装置，从而使钢丝绳能够整齐有序的缠在卷筒上。

自动排绳装置主要由支架、导向光杆、往复丝杆、导向套、导向滑块和链条传动机构组成（图1）。

自动排绳装置的工作原理是在卷扬卷筒旋转时通过链条传动机构带动往复丝杆转动，月牙导向滑块在往复丝杆的双向螺旋槽内连续运动。带动导向套在导向光杆上左右移动，钢丝绳出绳通过导向套，从而实现钢丝绳的左右移动。导向套移动的距离与卷筒内开档的距离应一致。

图1 机构示意图

2 往复丝杆的结构形式

往复丝杆是此排绳装置的主要组成部分，它是一个具有左右螺旋的螺杆，螺旋沟槽截面为矩形（图2）。

图2 往复丝杆

其两端换向处采用圆弧曲线过渡，普通螺杆两末端换向处为尖角，当导向滑块通过此次换向时会被内侧的尖角阻碍，出现刚性冲击，严重时导致滑块被卡死、甚至破坏滑块、导向套和往复丝杆。在现场实际作业时，采用圆弧过渡能避免上述问题，还能达到自动换向的目的。过渡圆弧的大小由滑块侧面船形圆弧确定，为确保滑块换向时流畅，丝杆换向圆弧要比滑块侧圆弧大5～8mm。衡量丝杆加工质量的主要依据是滑块在末端换向时是否有冲击。此外为了保证丝杆在工作时稳定可靠，压力角的大小也是非常重要的，沟槽曲线与往复丝杆圆柱表面曲线的夹角不应该过小，其大小与丝杆的直径有关，而直径由允许压力角的大小决定，一般压力角的最大值为45°。

3 导向滑块的结构形式

导向滑块是在往复丝杆的螺旋沟槽中左右游动的月牙形滑块，其尺寸与往复丝杆沟槽与直径大小有关（图3），导向滑块两侧呈船形，底部为月牙形。

图3 导向滑块

导向滑块底部的圆弧R与往复丝杠螺旋槽底部直径的一半相等，h＝R，如底部圆弧想要与丝杆螺旋槽底部更好的配合，可将滑块按图示分别顺时针、逆时针旋转α后加工出圆弧R。其中角度α为往复丝杆的螺旋升角；

式中：t—往复丝杆的螺距，mm；

D—往复丝杆的螺旋中径，mm。

滑块在往复丝杆上往复运动时，在运动到双向螺旋槽的交叉点时，如果导向滑块的长度Ld的设计不合理，其会转入与其运动轨迹反向的螺旋槽中，也会使得钢丝绳无序排列。因此导向滑块长度Ld须由丝杆交叉点的沟槽尺寸来确定，由上图2可看出只要滑块长度Ld大于丝杆交叉点沟槽中对角线较大的长者L，滑块就可顺利的通过每个交叉点，导向滑块长度Ld＝L＋（4～6）mm。

导向滑块宽度B由丝杆螺旋槽宽度确定其值比沟槽宽度略小0.15～0.3mm，导向滑块两侧圆弧：

上式中，注意Rd应大于沟槽换向处外壁曲线的曲率半径，否则滑块将无法运行。

由于滑块一直在丝杆上往复运动并有可能会受到一定的冲击，因此其加工材质应具有好的耐磨性、强度及韧性，一般选用碳钢和锡青铜合金，如选用碳钢时不要与往复丝杆选用同一种材质，其热处理硬度也应比丝杆的低。

4 链传动机构

为保证往复丝杆与卷扬卷筒运转同步，自动排绳装置设置了采用链传动方式的同步传动机构，及卷扬卷筒驱动往复丝杆的机构又称同步机构，此机构能使得钢丝绳在卷筒上缠绕完一层后，滑块正好运动到丝杆换向处从而带动钢丝绳向卷筒另一侧运动，使得滑块与钢丝绳在卷筒上的缠绕保持同步。如上图1所示，在卷筒和往复丝杆上分别装有链轮，其传动比由钢丝绳直径决定，计算式如下：

式中：n1—卷筒缠绕钢丝绳的总圈数；

n2—往复丝杆螺旋的总圈数；

L0—卷筒开档尺寸，mm；

d0—钢丝绳的直径，mm；

Δ—压扁系数（0～2），mm。

通过传动比i，当钢丝绳在卷筒上缠满一层时，丝杆上的导向滑块正好运动到换向点，当卷筒开始下一层缠绕时导向滑块也正好开始向卷筒的另一端运动，从而实现自动换向的要求。

5 结论

通过现场使用后证实此自动排绳机构具有结构简单，易于维护并不需要其他的额外驱动力等特点，有效地减少了卷扬在运转中钢丝绳的磨损，断绳及伤人事故，消除了安全隐患，提高了钢丝绳的使用寿命和钻机的工作效率。

［1］成大先.机械设计手册（第五版 第2卷）［M］.北京：化学工业出版社，2008.

［2］成大先.机械设计手册（第五版 第3卷）［M］.北京：化学工业出版社，2008.

［3］吴娟，等.液压排绳装置的设计［J］.煤矿机械，2003（7）.