采油车电控全自动排绳装置

王哲， 祁小伟， 吕强， 冯耀东

（南阳第二石油装备（集团）有限公司，河南南阳473006）

0 引言

在油田抽汲、采油作业时，需要将作业工具通过钢丝绳在井内完成提升和下放工况。根据井深要求，滚筒配有数千米的钢丝绳。作业时，如果钢丝绳不能在滚筒上一层层地排列整齐，就会出现乱绳、咬绳现象，严重影响钢丝绳寿命和作业安全。

目前大多数厂家采用机械排绳机构，即滚筒通过链传动驱动排绳器上的正反丝杠旋转，完成排绳器的移动和自动换向。该方法虽然结构简单，但无法消除积累误差的影响，必须手动参与调整。也有采用液压和电控结合的自动排绳系统，但其缺点是系统繁杂和液压的容积效率误差大，不能很好地实现自动排绳。

1 技术分析

如图1，根据 GB/T1955-2008标准要求，光面滚筒、多层缠绕时，自然排绳的出绳偏角θ≤2°。而影响排绳最主要的原因有两个：1）钢丝绳出绳偏角太大，不能满足正常排绳的需要；2）钢丝绳缠绕时张力太小，造成排绳不紧凑或乱绳。

图1 钢丝绳出绳偏角

抽汲作业采用的是光面滚筒、多层缠绕，钢丝绳一端连接有加重杆和油抽子，在提升和下放时，钢丝绳上始终保持有一定的张力。因此，关键是解决在排绳时，一直保持钢丝绳的出绳偏角在标准要求的范围内，并尽可能等于0°。

2 工作原理

在滚筒上缠绕的钢丝绳，内层与外层都只与滚筒的转速有关。当滚筒匀速旋转时，内层与外层排满一层的时间相等，即滚筒转速与排绳同步。根据这个原理，只需将滚筒的转速与钢丝绳沿滚筒轴线移动的速度关联起来，即可实现自动排绳。然而不论用任何形式的传动，都不能避免尺寸误差、传动误差与积累误差，进而导致不能同步，改变出绳偏角的大小、引起乱绳等问题。所以必须引入有效的消除误差的方法，才能解决自动排绳中出现的问题。在这里，把消除误差的方法称作纠偏。

现设计一种机械与电控相结合的排绳装置，采用有效的纠偏措施，并即时对系统进行调整，以实现无需人工干预的全自动排绳系统。

如图2，该装置由滚筒、排绳器支架、PLC控制器、伺服电机及伺服控制器等组成。在滚筒上安装转速传感器，排绳器支架上安装有伺服电机、丝杠、导轨、移动支座、导绳轮、纠偏架、纠偏开关及换向开关。通过检测滚筒转速、换向、纠偏等信号，自动控制排绳器运动，达到自动排绳的目的。

图2 电控全自动排绳装置示意图

纠偏架、纠偏开关和导绳轮安装在移动支座上，移动支座通过伺服电机驱动丝杠，在导轨上左右移动。

如图2所示，采集滚筒的转速及正反转信号，通过PLC和伺服控制器的处理，控制伺服电机旋转，伺服电机通过丝杠驱动排绳器运动，实现滚筒旋转1圈，钢丝绳移动1个钢丝绳直径，保证钢丝绳一直与滚筒轴线垂直。当钢丝绳缠绕到滚筒边缘时，触碰换向开关使伺服电机反转，排绳器换向移动。通过伺服电机精准地控制转速，实现滚筒转速与排绳器移动同步。

当钢丝绳缠绕多层后，各种误差的积累，导致钢丝绳通过导绳轮后，与滚筒的轴线不垂直，出现偏角。由纠偏架将产生的出绳偏角放大，并触碰纠偏开关，开关信号通过PLC和伺服控制器使伺服电机加速或减速，从而纠正偏角到垂直位置。同时，根据纠偏反馈给伺服电机的信号，即时调整伺服电机的转速，以保证排绳器与滚筒同步运行。

由于要保证出绳偏角θ≤2°，而2°内的尺寸很小，纠偏架必须有放大的功能，才能够准确地控制。如图3所示，纠偏架上的拨叉会以A为铰支点旋转。当钢丝绳通过导绳轮与滚筒径向产生出绳偏角θ时，钢丝绳会触碰拨叉轮使拨叉旋转，得到一个放大的夹角β，从而使拨叉触碰纠偏开关。我们可以通过简单的三角函数，计算出合理的纠偏架尺寸，使纠偏角度保证在-2°～2°之间，甚至更小。

图3 纠偏架纠偏示意图

由滚筒转速传感器输出信号，控制排绳器运动，然后通过纠偏信号反馈给控制系统，验证并调整伺服电机的输入参数，使之形成闭环控制系统，有效地保证滚筒与排绳器一直处于同步运行的状态。

同时，纠偏架还能起到自动找正的作用。当准备作业时，给系统供电，如果钢丝绳通过导绳轮后，与滚筒的轴线不垂直，由于纠偏架触碰到了纠偏开关，不用操控滚筒旋转，开关信号通过PLC和伺服控制器就会控制伺服电机正转或反转，驱动排绳器运动，直到钢丝绳与滚筒的轴线处于垂直位置的状态。

3 技术经济效益分析

电控全自动排绳装置已于2013年获得实用新型专利，专利号为ZL201220441559.4。

与现有技术相比，该全自动排绳控制装置通过PLC和伺服控制器对伺服电机的精确控制、纠偏功能的实施和闭环控制系统，确保了整个作业过程中，无需任何人为干扰就能实现钢丝绳在滚筒上的精确缠绕。采用的机械传动和伺服控制系统，都属于成熟技术，尤其是伺服控制已在各个领域广泛应用，其可靠性与准确性也得到一致认可。

该装置的结构形式和工作原理，也适用于各种绞车、卷扬的自动排绳，具有良好的应用前景和市场推广价值。

4 结论

由于抽汲作业时要兼顾悬重、绳速、井深等多种参数，为了防止油液渗漏，提升过程不能中断，因此采油车电控全自动排绳装置，完全解除了作业人员对排绳问题的顾虑。并且延长了钢丝绳的使用寿命，保障了作业安全，在现场试验和实际使用中均得到了好评。

［1］ GB/T1955-2008建筑卷扬机［S］.