LC5350TCJ測(cè)井車設(shè)計(jì)*

趙生永，李志鵬，徐文秀，史永峰

(1.蘭州城臨石油鉆采設(shè)備有限公司，甘肅 蘭州 730030； 2.西安思坦儀器股份有限公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

常規(guī)測(cè)井車在施工過程中，需要汽車起重機(jī)配合作業(yè)[1]。汽車起重機(jī)的作用是吊起測(cè)井電纜換向用的天滑輪。因此作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需要多擺放一輛汽車起重機(jī)，在狹小的井場(chǎng)經(jīng)常出現(xiàn)車輛擺放困難；另外，汽車起重機(jī)的作業(yè)費(fèi)用約為測(cè)井作業(yè)成本的30%左右，增加了測(cè)井作業(yè)施工成本。針對(duì)常規(guī)測(cè)井車的現(xiàn)狀[2]，筆者所在公司經(jīng)過充分調(diào)研，提出了研制自帶舉升裝置的多功能測(cè)井車的要求。2017年筆者所在公司研制出了第一代多功能測(cè)井車，在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，2019年10月，研制出了第二代LC5350TCJ型多功能測(cè)井車[3-6]，該車能夠獨(dú)立完成油井帶壓測(cè)試作業(yè)，不需要額外的汽車起重機(jī)配合作業(yè)。此文重點(diǎn)以雙桅桿舉升裝置的結(jié)構(gòu)、舉升裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過對(duì)多功能測(cè)井車設(shè)計(jì)方案的計(jì)算分析，總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為油田測(cè)井作業(yè)車提供設(shè)計(jì)方面的參考和借鑒。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié) 構(gòu)

LC5350TCJ型多功能測(cè)井車是根據(jù)國(guó)內(nèi)油田的生產(chǎn)狀況，自行研制的一種新型多功能測(cè)井車。該車采用重汽豪沃系列6×4二類底盤為安裝基座，其上安裝車廂，絞車，舉升裝置，車廂分為兩個(gè)隔艙，前艙為操作艙，安裝有地面儀器、操作臺(tái)、座椅、空調(diào)、電氣柜等設(shè)備，后艙為絞車艙，絞車艙前部安裝有同軸雙滾筒絞車，尾部安裝有電纜計(jì)量裝置，絞車艙側(cè)壁安裝有液壓油箱、繞線輪、正壓風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能器等專用裝置。

1.2 工作原理

LC5350TCJ型多功能測(cè)井車將舉升裝置與傳統(tǒng)測(cè)井車結(jié)合起來[11]，在測(cè)井作業(yè)的時(shí)候，雙桅桿在變幅油缸的作用下向后翻轉(zhuǎn)一定角度，大鉤將天滑輪吊起，然后進(jìn)行測(cè)井作業(yè)，如圖1所示。

圖1 多功能測(cè)井車工作狀態(tài)示意圖1.汽車底盤 2.車廂 3.地面儀器 4.操作艙 5.電氣系統(tǒng) 6.中隔墻 7.絞車艙 8.舉升裝置 9.取力系統(tǒng) 10.液壓系統(tǒng)11.操作平臺(tái) 12.絞車 13.排繩系統(tǒng) 14.計(jì)量系統(tǒng) 15.舉升裝置控制系統(tǒng) 16.天滑輪 17.防噴管 18.測(cè)井電纜 19.地滑輪 20.井口裝置 21.井下儀器

纏繞在絞車上的電纜依次穿過測(cè)量頭、地滑輪、天滑輪及井口裝置連接儀器下入井內(nèi)，將井內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔y(cè)井地面儀器，從而讀取需要的井內(nèi)數(shù)據(jù)。作業(yè)完畢后，舉升裝置大鉤放下天滑輪，卸下防噴管，雙桅桿在變幅油缸和桅桿支腿綜合作用下回落到行車狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 多功能測(cè)井車行車/駐車狀態(tài)示意圖1.汽車底盤 2.舉升裝置 3.車廂

1.3 測(cè)井車主要技術(shù)參數(shù)

LC5350TCJ測(cè)井車主要技術(shù)參數(shù)見表1所列。

表1 測(cè)井車主要技術(shù)參數(shù)

1.4 設(shè)計(jì)目標(biāo)

(1) 舉升裝置設(shè)計(jì)需要滿足提升高度18.5 m，幅度8.5～10 m，額定提升重量6 000 kg的技術(shù)參數(shù)，另外，舉升裝置不能妨礙絞車排纜，還不能阻礙操作人員觀察井口的視線,確保絞車操作人員能夠與井口操作人員進(jìn)行直觀的交流。

(2)為了滿足以上要求，該車采用雙桅桿式舉升裝置，旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)布置在車尾最高點(diǎn)，采用兩級(jí)伸縮桅桿，從而確保了舉升裝置的舉升高度、舉升大鉤距離車尾的距離等硬性指標(biāo)；在工作狀態(tài)，桅桿由變幅液壓缸提供推力，從而最大限度的滿足了舉升裝置對(duì)舉升能力的要求；舉升裝置采用雙桅桿結(jié)構(gòu)，從而解決了車輛偏重的問題，同時(shí)滿足了操作人員觀察井口和與井口操作人員交流的要求。雙桅桿設(shè)計(jì)還加入了桅桿支腿，作業(yè)時(shí)安全可靠。

1.5 整車設(shè)計(jì)計(jì)算

雖然該車是由成熟的特種作業(yè)車底盤改裝而成，但上裝部分的舉升裝置、車廂、絞車、發(fā)電機(jī)等部件的布局對(duì)整車重心有深遠(yuǎn)影響，重心位置又對(duì)整車軸荷分配，行駛穩(wěn)定性有重要影響，所以對(duì)改裝后的整車車輛重心，軸荷分配、側(cè)傾穩(wěn)定性和爬坡能力進(jìn)行計(jì)算分析[5-8]。整車改裝后既要要符合國(guó)家的法律法規(guī)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，又要滿足用戶使用的實(shí)際要求。通過嚴(yán)格的設(shè)計(jì)計(jì)算，合理布置專用裝置，從而使整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，合理利用臺(tái)板以上的有限空間，提高整機(jī)的移運(yùn)性，方便用戶操作使用。

1.5.1 重心確定

多功能測(cè)井車作為油田常用的測(cè)試井設(shè)備，要求經(jīng)常往返于各井場(chǎng)之間，因此要求移運(yùn)裝置具有較高的機(jī)動(dòng)性；各油田由于路況較差，因此要求移運(yùn)裝置較強(qiáng)的越野性，另外，該移運(yùn)裝置應(yīng)能滿足專用裝置對(duì)有效載重量、安裝尺寸、動(dòng)力需求等要求。綜合上述要求對(duì)現(xiàn)有二類底盤進(jìn)行分析、比較、對(duì)比研究，選用重汽ZZ5357TXFV464ME5汽車二類底盤作為載車，該底盤該底盤一軸和二軸軸距為4 625 mm，二軸和三軸軸距為1 350 mm，前橋承重9 000 kg，雙后橋承重26 000 kg。最大總重量35 t，凈功率265 kW能夠充分滿足整套設(shè)備對(duì)機(jī)動(dòng)性及動(dòng)力特性的要求。

建立整車三維模型，賦予各零部件質(zhì)量屬性，按照設(shè)計(jì)布局可以確定出整車重心位置和總質(zhì)量，如圖3所示。

圖3 多功能測(cè)井車重心圖

圖中：H=1 771 mm，r=675 mm，L=4 625 mm，S1=4 136 mm，S2=L+r=4 625+675=5 300 mm。

1.5.2 軸荷分配計(jì)算

用三維模型自動(dòng)生成整車總質(zhì)量m=32 760 kg，假設(shè)改裝后前橋載荷質(zhì)量為m1，雙后橋載荷質(zhì)量為m2。

依據(jù)靜力學(xué)原理和杠桿定律可得出如下方程式：

F1+F2=G

(1)

G×S1=F2×S2

(2)

式中：F1為整車前橋重力(N)；F2為整車后橋重力(N)；G為整車總重力(N)。

則G=mg=32 760 kg×9.8 N/kg=321 048 N

將式(1)，(2)聯(lián)立并帶入?yún)?shù)求得：

F2=m2g=250 537 N

則:m1=7 195 kg，m2=25 565 kg

m1<9 000 kg；m2<26 000 kg

軸荷分配符合SY/T5534-2019《油氣田專用車通用技術(shù)規(guī)范》6.4.1條款要求以及原底盤設(shè)計(jì)允許值。

1.5.3 橫向穩(wěn)定性

如圖4所示，多功能測(cè)井車在橫坡行駛時(shí)的受力圖，隨著橫向坡度角α的增大，左輪與地面的法向作用力ZL減小，當(dāng)作用力為零時(shí)，即為多功能測(cè)井車發(fā)生側(cè)翻的臨界狀態(tài)，此時(shí)根據(jù)力學(xué)平衡原理有相應(yīng)關(guān)系式：

圖4 多功能測(cè)井車橫坡行駛受力圖

(3)

整理式(3)得：

則多功能測(cè)井車不發(fā)生側(cè)翻的橫向坡度角滿足的條件為：

(4)

式中：B=1 830 mm(底盤廠提供)；H=1 771 mm(重心高度)；e=1 mm(左右偏心距絕對(duì)值)。

將數(shù)值代數(shù)式(4)中，求得發(fā)生橫向側(cè)傾的臨界角：α=27.3°

橫向穩(wěn)定角α>15°，符合SY/T5534-2019《油氣田專用車通用技術(shù)規(guī)范》6.6.4條款要求以及GB7258-2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》要求。

1.5.4 最大爬坡度數(shù)計(jì)算

(1) 建立整車行駛平衡方程

最大爬坡度是指測(cè)井車在滿載狀況下，以Ⅰ檔勻速行駛所能爬上的最大坡度。建立如圖5所示的縱向爬坡受力圖，多功能測(cè)井車在爬坡行駛過程中受到驅(qū)動(dòng)力，滾動(dòng)阻力、坡道阻力、空氣阻力、加速阻力。建立車輛行駛平衡方程式，利用受力關(guān)系，就可以確定汽車最大爬坡角度β。

圖5 多功能測(cè)井車爬坡行駛受力圖

測(cè)井車行駛平衡方程式為：

Ft=Fi+Ff+Fw+Fj

(5)

式中：Ft為測(cè)井車驅(qū)動(dòng)力；Fi為多功能測(cè)井車坡道阻力；Ff為多功能測(cè)井車滾動(dòng)阻力；Fw為空氣阻力；Fj為多功能測(cè)井車的加速阻力。

測(cè)井車在Ⅰ檔勻速行駛爬坡狀態(tài)，不考慮空氣阻力和加速阻力，那么測(cè)井車行駛平衡方程式(5)可以簡(jiǎn)化為：

Ft=Fi+Ff

(6)

按照?qǐng)D1～3多功能測(cè)井車縱坡行駛受力圖分析得：

Fi=mgsinβ

(7)

Ff=μmgcosβ

(8)

式中：m為整車總質(zhì)量(kg)；g為重力加速度9.8 m/s2；μ為輪胎滾動(dòng)摩擦系數(shù)，見表2所列。

(2) 計(jì)算多功能測(cè)井車驅(qū)動(dòng)力

多功能測(cè)井車驅(qū)動(dòng)力是底盤發(fā)動(dòng)機(jī)將轉(zhuǎn)矩依次通過離合、變速箱、傳動(dòng)軸、后橋主減速器、半軸傳遞到車輪作用于地面產(chǎn)生的力。則有：

(9)

Tt=Ttqioisηw

(10)

式中：Tt為驅(qū)動(dòng)輪軸上的轉(zhuǎn)矩(N·m)；d為車輪動(dòng)態(tài)半徑(m)；Ttq為底盤發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩(N·m)；io為后橋主減速比；is為變速器傳動(dòng)比；ηw為底盤傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率。

多功能測(cè)井車選用ZZ5357TXFV464ME5底盤功率為265 kW，最大扭矩1 800 N·m，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速1000～1400 r/min，輪胎規(guī)格是12.00R20，后橋主減速比io=4.77，變速箱前進(jìn)擋各檔速比依次為is=[14.36 10.66 7.88 5.82 4.38 3.28 2.44 1.80 1.33 1.00]，底盤傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率ηw取0.83，多功能測(cè)井車整車總質(zhì)量m=32 760 kg。

將發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)帶入式(8)計(jì)算得：

Tt=102 335 N·m

(3) 計(jì)算測(cè)井車車輪動(dòng)態(tài)半徑

車輪動(dòng)態(tài)半徑d是指車輪受到垂直載荷以及轉(zhuǎn)矩時(shí)的半徑，在硬化路面上約等于僅受垂直作用力時(shí)的車輪半徑，按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

(11)

式中：D為輪輞直徑；b為輪胎寬度；λ為輪胎徑向變形系數(shù)。λ取值：b≤10，λ=0；1013，λ=0.1。

底盤廠家提供數(shù)據(jù)，輪胎規(guī)格是12.00R20，則λ取0.05。

將各參數(shù)帶入式(9)計(jì)算得d=0.54 m

(4) 計(jì)算測(cè)井車縱向爬坡角度

將式(6)～(8)聯(lián)立可得：

Ft=mg(sinβ+μcosβ)

(12)

由輔助角三角函數(shù)關(guān)系可得：

(13)

聯(lián)立式(12)、(13)得多功能測(cè)井車最大爬坡角度為：

(14)

最大爬坡角度還要滿足車輛輪胎不發(fā)生打滑，發(fā)生滑移臨界狀態(tài)時(shí)整車重力沿著斜坡的分力等于滑動(dòng)摩擦力，則有：

μsmgcosβ=mgsinβ

(15)

推導(dǎo)得多功能測(cè)井車不發(fā)生滑移的坡度角為：

β≤arctanμs

(16)

式中：μs為輪胎滑動(dòng)摩擦系數(shù)見表2所列。

表2 輪胎滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦系數(shù)表

實(shí)際測(cè)井車在作業(yè)時(shí)井場(chǎng)狀況都是壓實(shí)路面，按照新輪胎計(jì)算，滾動(dòng)摩擦系數(shù)μ取0.035，滑動(dòng)摩擦系數(shù)μs取0.50，將各參數(shù)帶入式(14)計(jì)算得到最大扭矩條件下整車最大爬坡角度為34°；將各參數(shù)帶入式(16)計(jì)算得到整車發(fā)生滑移狀態(tài)時(shí)的最大爬坡角度為26.6°，兩者取其最小值。所以多功能測(cè)井車最大爬坡角度為26.6°。

1.6 舉升裝置操作控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.6.1 舉升裝置操作控制系統(tǒng)綜述

舉升裝置的桅桿起升和回收需要整車支腿油缸，舉升裝置變幅液壓缸、桅桿支腿油缸的配合操作，最初設(shè)計(jì)采用手動(dòng)操作，但是極易造成操作失誤。為便于現(xiàn)場(chǎng)操作，該車增加了橫向角度傳感器、縱向向角度傳感器、液壓傳感器，采用PLC邏輯控制，自動(dòng)匹配整車支腿油缸、變幅液缸和桅桿支腿液壓缸的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)了桅桿舉升和桅桿回收的自動(dòng)化操作[9-10]，最大程度的減小了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和操作失誤性，提高了設(shè)備操作的便捷和安全性。

1.6.2 舉升裝置操作控制系統(tǒng)

1.6.2.1 輸 入

(1) 輸入模擬量有3個(gè)，分別是：液壓傳感器值，車輛橫向角度傳感器值，車輛縱向角度傳感器值。

(2) 輸入開關(guān)量有11個(gè)，分別是：桅桿前支架限位器Ⅰ，桅桿極限位置限位器Ⅱ，桅桿支腿限位器Ⅲ，大鉤極限位置限位器Ⅳ，急停和復(fù)位按鈕，桅桿舉升按鈕，桅桿回收按鈕，二級(jí)桅桿伸按鈕，二級(jí)桅桿縮按鈕，大鉤提升按鈕，大鉤下放按鈕。

1.6.2.2 輸 出

(1) 輸出模擬量是由PVG32-6負(fù)載敏感電控比例閥控制的6個(gè)模擬量，分別是：車輛左側(cè)支腿液缸伸或縮，車輛右側(cè)支腿液缸伸或縮，變幅液缸舉升或回收，桅桿支腿液缸伸或縮，大鉤升或降，二級(jí)桅桿伸或縮。

(2) 輸出的開關(guān)量是報(bào)警信號(hào)。

1.6.2.3 控制邏輯

(1) 傳感器，限位開關(guān)分布圖如圖6所示。

圖6 傳感器、限位開關(guān)分布圖

(2) 舉升裝置舉升邏輯控制流程如圖7所示。

圖7 舉升裝置舉升邏輯控制流程圖

(3) 舉升裝置回收邏輯控制流程如圖8所示。

圖8 舉升裝置回收邏輯控制流程圖

圖中:HJD為車輛橫向角度傳感器值；P為液壓傳感器值；ZJD0為車輛縱向角度初始值；FJD為桅桿翻轉(zhuǎn)角度值。

(4) 操作過程中，隨時(shí)判斷角度傳感器、限位器工作是否正常，當(dāng)角度傳感器或限位器故障時(shí)，立即執(zhí)行停止程序并報(bào)警。

(5) 當(dāng)程序處于舉升狀態(tài)時(shí)，按壓回收按鈕和大鉤動(dòng)作按鈕無效，當(dāng)程序處于回收狀態(tài)時(shí)，按壓舉升按鈕大鉤動(dòng)作按鈕無效，解除舉升或回收狀態(tài)，須按壓停止按鈕。

1.7 測(cè)井車對(duì)比效果

(1) LC5350TCJ多功能測(cè)井車是筆者所在公司根據(jù)國(guó)內(nèi)油田的生產(chǎn)實(shí)際需求，自行研制的一種新型多功能測(cè)井車。多功能測(cè)井車在傳統(tǒng)測(cè)井車基礎(chǔ)上結(jié)合了舉升裝置。在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)無需額外的汽車起重機(jī)，為測(cè)井作業(yè)節(jié)約了1臺(tái)吊車的作業(yè)成本。

(2) LC5350TCJ多功能測(cè)井車采用雙排座底盤，駕駛室可以乘坐6人，在實(shí)際作業(yè)時(shí)可以減少一輛人員運(yùn)輸車。

2 試驗(yàn)情況

(1) 初步液壓試驗(yàn)，該試驗(yàn)階段位于底盤進(jìn)場(chǎng)安裝完副車架和舉升裝置之后進(jìn)行，采用獨(dú)立液壓站來檢測(cè)舉升裝置能否完成舉升動(dòng)作，立柱轉(zhuǎn)軸是否存在不同心或者干涉。試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

(2) 該車研制成果后按照國(guó)家特種車輛改裝政策在國(guó)家機(jī)動(dòng)車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行了產(chǎn)品鑒定(整車定型)試驗(yàn)。同時(shí)委托國(guó)家工程機(jī)械監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)桅桿舉升裝置進(jìn)行了型式試驗(yàn)，試驗(yàn)由第三方檢測(cè)認(rèn)證人員到場(chǎng)試驗(yàn)，該試驗(yàn)有針對(duì)性的證明了舉升裝置以及舉升裝置操作系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)驗(yàn)證了舉升裝置的參數(shù)：額定提升重量6 000 kg，井口距車尾8.5～10 m，提升高度18.5 m。而這些參數(shù)能滿足油田客戶的生產(chǎn)測(cè)井作業(yè)要求。

(3) 井場(chǎng)作業(yè)試驗(yàn)

在2019年11月這輛車在長(zhǎng)慶油田慶陽(yáng)地區(qū)和遼河油田盤錦地區(qū)進(jìn)行井場(chǎng)作業(yè)試驗(yàn)，在長(zhǎng)慶油田進(jìn)行了3口井的測(cè)井作業(yè)試驗(yàn)，在遼河油田進(jìn)行了2口井測(cè)井作業(yè)試驗(yàn)。在試井作業(yè)時(shí)，既能發(fā)揮測(cè)井車基本作用，舉升裝置還能起吊起天滑輪，從而為測(cè)井作業(yè)節(jié)省一臺(tái)起重機(jī)。減少了測(cè)井作業(yè)成本。

3 結(jié) 論

LC5350TCJ多功能測(cè)井車是根據(jù)測(cè)井作業(yè)現(xiàn)狀而自主研發(fā)的新產(chǎn)品，此產(chǎn)品針對(duì)測(cè)井作業(yè)時(shí)需要的測(cè)井車隊(duì)龐大的問題，本著節(jié)省資源，降低測(cè)井作業(yè)成本的原則，提出了多功能測(cè)井車設(shè)計(jì)方案。本產(chǎn)品提高了整車?yán)眯?，能為測(cè)井作業(yè)節(jié)約作業(yè)成本，可能是未來油田測(cè)井裝備發(fā)展的一種趨勢(shì)。LC5350TCJ多功能測(cè)井車的主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下。

(1) 雙桅桿翻轉(zhuǎn)式舉升裝置與傳統(tǒng)測(cè)井車的完美結(jié)合，在傳統(tǒng)測(cè)井車的功能基礎(chǔ)上增加了專用吊裝功能。

(2) 舉升裝置結(jié)構(gòu)新穎，既便于絞車排繩和操作人員觀察井口，又不破壞車輛左右重心平衡。

(3) 雙桅桿增加了落地式雙支腿，在桅桿工作狀態(tài)雙支腿支撐地面，增加了整車安全性。

(4) 舉升裝置采用了自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了舉升裝置的一鍵舉升和一鍵回收功能，增加了操作便利性。