姚引婧，胡軍旺，吳東霞

（1．蘭州理工大學(xué)技術(shù)工程學(xué)院，蘭州730050；2．蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，蘭州730043）①

雙折線開槽滾筒的設(shè)計(jì)

姚引婧1，胡軍旺2，吳東霞1

（1．蘭州理工大學(xué)技術(shù)工程學(xué)院，蘭州730050；2．蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，蘭州730043）①

雙折線開槽滾筒因可以有效降低鋼絲繩的磨損而被廣泛應(yīng)用在石油鉆井絞車和重型起重機(jī)械中。以工程實(shí)踐為基礎(chǔ)，介紹了雙折線滾筒的設(shè)計(jì)原理與原則；分析了不同結(jié)構(gòu)形式下滾筒爬坡段的繩槽結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)出該段主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)了雙折線滾筒的全參數(shù)化設(shè)計(jì)。

雙折線；滾筒；設(shè)計(jì)

滾筒被廣泛使用在石油鉆井絞車和大型起重機(jī)械中。其主要功能是纏繞鋼絲繩，通過動、靜滑輪組將滾筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的上升或下降運(yùn)動。因受結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度以及經(jīng)濟(jì)成本等因素的影響，滾筒的長度有限，通常用來纏繞多層鋼絲繩。鋼絲繩多層纏繞時，雖然比單層纏繞大幅節(jié)省了空間，減少了設(shè)備的外形尺寸，但也帶來了鋼絲繩排列不整齊、夾繩、亂繩等影響滾筒使用壽命的問題。為了避免這些缺點(diǎn)，雙折線開槽滾筒被廣泛使用。它能克服傳統(tǒng)光滾筒及螺旋槽滾筒在多層纏繞方面的缺點(diǎn)，有效地延長鋼絲繩的使用壽命，提高設(shè)備的安全性能。

1　雙折線滾筒的特征

雙折線滾筒的每一圈繩槽由兩段直線繩槽和兩段折線繩槽組成；其中兩段直線繩槽所對應(yīng)的圓周角一般為135°，折線繩槽對應(yīng)的圓周角為45°，直線段繩槽和折線段繩槽連續(xù)、相間布置［1］。當(dāng)鋼絲繩纏繞時有75%的上層鋼絲繩落在下層鋼絲繩兩相鄰繩圈形成的繩槽內(nèi)，同時交叉跨越區(qū)域被固定在折線段，鋼絲繩排列整齊。繩圈之間的接觸與光滾筒及螺旋槽滾筒相比顯著改善，可以有效減少鋼絲繩的磨損。雙折線滾筒每段折線繩槽的軸向?qū)驗(yàn)榘雮€繩槽節(jié)距，鋼絲繩在滾筒上纏繞一周，在滾筒軸向方向上剛好前進(jìn)1個節(jié)距。滾筒兩側(cè)設(shè)有特殊的導(dǎo)向墊塊，可以使鋼絲繩纏滿底層后反向進(jìn)入下一層纏繞。

雙折線滾筒的結(jié)構(gòu)和滾筒展開圖如圖1～2所示。鋼絲繩正常纏繞時，第1層纏繞在雙折線繩槽內(nèi)，從第2層開始，直線段鋼絲繩規(guī)則的纏繞在下層鋼絲繩形成的繩槽內(nèi)。折線段鋼絲繩與下層繩的繞向相反，上下層鋼絲繩呈交叉排列，沿軸向的移動靠前一圈的推擠實(shí)現(xiàn)。在滾筒末端，即入繩口對側(cè)的折線段，由于前一圈鋼絲繩和滾筒側(cè)擋板之間的間距逐漸減小，纏繞時鋼絲繩不斷被抬高，在第2段折線的終點(diǎn)被抬高至下一層。因此，將滾筒末端的折線段稱為躍層爬升段或爬坡段。

雙折線滾筒能夠避免光滾筒和其他折線滾筒容易夾繩、跳繩等的缺點(diǎn)，同時將2個折線過渡段對稱布置在滾筒圓周上，可以保證在鋼絲繩纏繞過程中滾筒的動平衡性，避免因過渡段鋼絲繩的纏繞半徑大于同層鋼絲繩的纏繞半徑而破壞整個滾筒的平衡性并引起振動。雙折線滾筒在鋼絲繩多層纏繞時具有很多優(yōu)點(diǎn)，但雙折線繩槽的節(jié)距、半徑以及過渡段爬升墊塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)等都會影響滾筒纏繩的效果。不合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也會造成夾繩、亂繩等現(xiàn)象，影響滾筒的使用性能。

圖1　雙折線滾筒結(jié)構(gòu)

圖2　雙折線滾筒展開圖

2　雙折線滾筒的設(shè)計(jì)

雙折線滾筒的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于滾筒結(jié)構(gòu)形式的選擇、各主要參數(shù)的確定和滾筒爬坡段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面。目前常見的雙折線開槽滾筒通常有兩種結(jié)構(gòu)：即整體加工成形結(jié)構(gòu)和拼裝式結(jié)構(gòu)。如圖3～ 4。整體加工型滾筒利用專用機(jī)床在鑄造后焊接的光滾筒表面加工出繩槽；拼裝型滾筒由兩瓣或四瓣開槽環(huán)筒拼焊或用螺釘拼裝在光滾筒表面。

整體加工型滾筒通常由左、右輪轂和中間筒體3部分組焊后，進(jìn)行整體開槽。這種滾筒繩槽和兩側(cè)法蘭面為一個整體，法蘭面間距能夠準(zhǔn)確控制在確定的公差范圍內(nèi)，鋼絲繩的纏繞精度高，和兩側(cè)法蘭面的貼合情況好。拼裝式滾筒的筒體和繩槽分別制造，當(dāng)繩槽磨損嚴(yán)重或損壞時，可以單獨(dú)更換開槽環(huán)筒；在滿足強(qiáng)度要求的前提下，環(huán)筒和滾筒體可以選用不同的材料制造，可以降低滾筒的制造和維修成本。

圖3　整體加工型滾筒

圖4　拼裝型滾筒

2．1 雙折線滾筒的設(shè)計(jì)原則

滾筒的繩槽和所使用的鋼絲繩需相互匹配，通常在設(shè)計(jì)滾筒的繩槽時應(yīng)遵循以下原則。

1） 滾筒直徑。滾筒的直徑不小于鋼絲繩公稱直徑的20倍［2］，較大的滾筒直徑可以延長鋼絲繩的使用壽命，然而過大的滾筒直徑會影響整個設(shè)備的結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)性。所以應(yīng)綜合多種因素去選擇滾筒的直徑，但通常最小值應(yīng)不小于鋼絲繩直徑的20倍，最大不超過鋼絲繩直徑的100倍。

2） 滾筒的長度。滾筒長度的選擇依賴于設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸和鋼絲繩在滾筒邊緣時鋼絲繩的偏角，通常應(yīng)保證鋼絲繩的偏角為0．25～1．50°。當(dāng)偏角過大時，需增加排繩裝置。

3） 繩槽節(jié)距。多層纏繞滾筒，兩繩槽中心線的間距應(yīng)等于鋼絲繩名義直徑加上鋼絲繩規(guī)定正偏差的一半。通常鋼絲繩的允許偏差為正偏差，這一原則充分考慮了鋼絲繩的偏差和纏繞過程中的壓縮量。當(dāng)鋼絲繩的偏差為下差時，不會使鋼絲繩之間的空隙較大；鋼絲繩偏差為上差，直徑較大時，在合理的壓縮范圍內(nèi)能夠整齊排列鋼絲繩。此外還有一種計(jì)算方式是取繩槽節(jié)距為鋼絲繩直徑加上2～4 mm［3］。這種方式未能充分考慮不同鋼絲繩擁有不同的偏差這一事實(shí)，隨意性較大。

4） 繩槽曲率半徑。應(yīng)等于鋼絲繩公稱直徑的0．53～0．55倍［24］。這一原則保證鋼絲繩和繩槽之間擁有較大的貼合度，又不會因繩槽直徑過小而增加鋼絲繩的磨損。

5） 槽深。槽深約為鋼絲繩公稱直徑的30%。槽深過小或過大均會影響滾筒纏繩，大量的應(yīng)用實(shí)踐證明，當(dāng)槽深等于鋼絲繩公稱直徑的30%時，有利于繩的纏繞。

2．2 滾筒繩槽爬坡段設(shè)計(jì)

多層纏繞滾筒的鋼絲繩在滾筒末端的折線部分要被抬升一層，如果沒有鋼絲繩爬升墊塊，鋼絲繩必然會被擠在前一圈鋼絲繩和滾筒側(cè)壁擋板之間不斷縮小的空間中引起擠壓磨損。所以多層纏繞滾筒需設(shè)計(jì)鋼絲繩爬升段以減少對繩的擠壓。爬升段起始于折線的起始處，終止折線的終點(diǎn)。

爬升段對鋼絲繩的抬升高度必須合適，高度過低，滾筒體與鋼絲繩不接觸，鋼絲繩會被擠壓；高度過高，會將鋼絲繩抬離前一圈鋼絲繩，使處在爬升過程中的鋼絲繩不能靠前一圈鋼絲繩和側(cè)壁來定位，在滾筒軸向上容易竄動。由于受繩槽加工因素的影響，爬升段的結(jié)構(gòu)因滾筒的結(jié)構(gòu)形式不同也略有不同。

2．2．1 整體加工型滾筒繩槽爬坡段設(shè)計(jì)

為了便于加工，國內(nèi)通常將整體加工型滾筒爬坡段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為凹槽形式，槽的半徑等于正常纏繞段繩槽的半徑。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　整體加工型滾筒繩槽爬升段

圖5中展示了鋼絲繩在起始位置和爬升時與前一圈鋼絲繩的位置關(guān)系，雙點(diǎn)劃線的圓為爬升開始時的狀態(tài)。在設(shè)計(jì)過程中通常以鋼絲繩的公稱直徑為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，鋼絲繩截面的中心與繩槽的中心在同一條線上。假設(shè)鋼絲繩處于理想的排列狀態(tài)，被抬升的鋼絲繩的截面形心會沿著直線OO1向上運(yùn)動。圖中O1、O2均為鋼絲繩截面的圓心，由于繩槽的半徑大于繩的公稱半徑，所以繩槽的圓心O′1、O′2位置相對高出0．03～0．05的公稱直徑。在直角三角形OO1O2中，斜邊O1O2是兩相切圓的中心連線，其長度等于鋼絲繩的公稱直徑d。由幾何關(guān)系可求得被抬升的鋼絲繩的截面形心與第1層鋼絲繩的截面形心之間的距離為

式中：t為為折線段鋼絲繩的軸向移動距離，其值最小為0，最大等于P。

在這種結(jié)構(gòu)中，2段折線段均為爬坡段，t隨著鋼絲繩在滾筒上的纏繞逐漸增大，所以可將t看作是角度的參數(shù)。變量就是“滾筒爬坡段”任意點(diǎn)與爬坡起始點(diǎn)之間圓周所對應(yīng)的圓心角α。則：

式中：P為繩槽節(jié)距；α為滾筒爬坡段任意點(diǎn)與起始點(diǎn)之間圓周所對應(yīng)的圓心角，rad，分2段爬坡，第2段上的點(diǎn)計(jì)算時應(yīng)減去中間直段部分對應(yīng)的圓心角的值。

爬升段任意點(diǎn)繩槽的中心到滾筒中心距離為

式中：D 0為滾筒槽底直徑；R cao為繩槽半徑，R cao＝（0．53～0．55）d。

這種方法完全模擬了鋼絲繩的纏繞過程，由此設(shè)計(jì)的爬坡結(jié)構(gòu)不會導(dǎo)致繩被夾住或被抬高，具有較好的纏繞性能。

通常鋼絲繩的公差采用正偏差，且為百分比公差。對于大部分起重設(shè)備來說，其使用的起重鋼絲繩一般為直徑大于8mm的股絞鋼芯鋼絲繩，這類鋼絲繩的測量直徑公差應(yīng)為公稱直徑的0～5%［5］。在式（3）中取則鋼絲繩的升高高度為：

式中：R1為非爬坡段繩槽中心到滾筒中心的距離。

以上分析說明在第1次爬坡結(jié)束時，鋼絲繩有93．2%的部分已高出第1層鋼絲繩，而且這完全由鋼絲繩在折線部分纏繞時的自然規(guī)律所致。

2．2．2 拼裝型滾筒繩槽爬坡段設(shè)計(jì)

拼裝型滾筒的繩槽部分和滾筒本體是獨(dú)立加工的。帶槽環(huán)形筒的開槽難度要大于整體型滾筒，若采用與前者爬坡段相同的結(jié)構(gòu)，則爬坡段要高出非爬坡段繩槽很多，而且高出部分的寬度很窄，這就會對環(huán)形筒坯料的選擇、制造以及后期的裝配等產(chǎn)生較大影響。所以在設(shè)計(jì)此類滾筒時，采用不同的爬坡結(jié)構(gòu)。

從前述分析可知，鋼絲繩在爬坡時，隨著前一圈繩和滾筒側(cè)壁之間空隙的縮小，鋼絲繩會被逐漸抬高，當(dāng)?shù)?次爬坡結(jié)束時鋼絲繩有占公稱直徑93．2%的部分已脫離底層鋼絲繩。基于此，在設(shè)計(jì)拼裝式滾筒爬坡段時，只設(shè)計(jì)一段爬坡段。這必然會使鋼絲繩在第2段折線段時與支撐墊塊之間存在空隙，但由于空隙的尺寸相對較小，所以不會引起夾繩的現(xiàn)象。滾筒結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖6　拼裝型滾筒開槽環(huán)筒

圖7　拼裝型滾筒繩槽爬升段

拼裝式滾筒的展開結(jié)構(gòu)基本和圖2的結(jié)構(gòu)相同。滾筒邊緣的導(dǎo)向墊塊部分，除爬坡段設(shè)計(jì)為凹槽外，其余均為帶圓弧的凸臺。爬坡段繩槽中心到滾筒中心的距離用式（3）確定。不同之處就在于爬坡結(jié)束后圓弧形凸臺部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也就是圓弧半徑及圓心位置的確定。為了便于設(shè)計(jì)和加工，讓該圓心位于滾筒體外端面上，同時保證該圓心到滾筒中心的距離等于其余非爬坡段繩槽中心到滾筒中心的距離。這樣就可以很容易計(jì)算出圓弧的凸臺的半徑。爬坡結(jié)束時上層繩的中心與底層繩槽中心之間的距離e為

則根據(jù)幾何關(guān)系，求得圓弧形凸臺的半徑r為

該方法設(shè)計(jì)的爬坡段及過度段在鋼絲繩纏繞過程中不會抬高鋼絲繩，可以有效避免在滾筒爬坡段亂繩。在第2段折線段鋼絲繩和支撐墊塊之間存的空隙，會使鋼絲繩在纏繞時受到較大一點(diǎn)的擠壓力，但由于壓縮量相對較小，并不會對鋼絲繩產(chǎn)生過大的影響。

3　結(jié)論

1） 采用多層纏繞滾筒時，上層鋼絲繩必須跨越下層鋼絲繩，處在跨越區(qū)域的鋼絲繩容易加劇磨損和擠壓。與螺旋槽滾筒相比，雙折線滾筒的交叉區(qū)域顯著縮小，有利于減輕鋼絲繩在該區(qū)域的損壞。

2） 取決于設(shè)計(jì)和加工工藝的要求，整體開槽型滾筒可以采用拼裝型滾筒的爬坡形式。無論采用何種形式的結(jié)構(gòu)，爬坡段的設(shè)計(jì)應(yīng)符合鋼絲繩纏繞的規(guī)律。

［1］ 朱紹曾．美國鉆井絞車的設(shè)計(jì)介紹［J］．石油礦場機(jī)械，1985，14（5）：27－36．

［2］ API RP 9B—2002，油田鋼絲繩的應(yīng)用、保養(yǎng)和使用的推薦方法（中文版）［S］．

［3］ 楊海濱．鉆井繩索與井場吊運(yùn)安全操作［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2004．

［4］ GB／T 24811．1—2009，起重機(jī)和起重機(jī)械，鋼絲繩選擇（第一部分）［S］．

［5］ API RP 9A—2004，鋼絲繩規(guī)范（中文版）［S］．

Design of Double Broken-line Drum

YAO Yinjing1，HU Junwang2，WU Dongxia1
（1．College of Technology and Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2．Lanzhou LS Petroleum Equipment Engineering Co．，Ltd．，Lanzhou 730043，China）

The drumwith a parallel groove and two crossover points can effectively reduce the rope wear in multilayer spooling，and is widely used in oil field and heavy lifting equipment．Based on engineering practice，the principles of double brokenline drum are introduced and the different structure of cross over portion of different drum and derived the formula for calculation of main parameters are analyzed．

double brokenline；drum；design

TE923

B

10．3969／j．issn．1001－3842．2015．09．006

1001－3482（2015）09－0022－04

①2015－03－20

姚引婧（1984-），女，甘肅天水人，講師，主要從事機(jī)械專業(yè)的教學(xué)與研究。