DM13.7/4.5分段式动力猫道结构设计*

张开发，李旭阳，杨小亮

(1.兰州兰石石油装备工程股份有限公司，甘肃 兰州 730314；

2.机械工业油气钻采装备工程研究中心，甘肃 兰州 730314；

3.甘肃省油气钻采装备工程研究中心，甘肃 兰州 730314)

陆地钻机钻井作业中管柱处理作业包括管柱在管子堆场与钻台间的运移及放置、在钻台上接卸立根、起下钻时的钻柱上卸扣、井架内立根来回移送及排放等操作[1]。目前国内钻井行业人工操作上下钻具需要3～4名工人配合，操作效率低、工人劳动强度大、安全性差、钻具的损坏程度也很高。因此，研究先进的自动化程度高的井场钻具自动上、下钻台装置具有重要的现实意义。

随着自动化技术在工业生产领域的发展，为减轻工人劳动量，提升工人工作效率，提高操作安全性，石油钻采行业钻机配套设备研究逐渐深入，动力猫道便是其中一种自动化管柱输送设备。动力猫道的作用是将地面管子堆场区的管柱以单根的形式输送至钻台面小鼠洞(井口)位置，或反向操作[2]。按其结构形式大体分为3种：钢丝绳拉升式动力猫道、水平式动力猫道和液缸举升式动力猫道[3]。目前为满足输送较长管柱，国内动力猫道结构普遍较长，在特定地区运输较为困难。笔者对DM13.7/4.5动力猫道运移臂与坡道采用分段式设计方案进行设计分析，以期能达到有效解决这一运输难题的目标。

1.1 总体结构设计

DM13.7/4.5动力猫道主要由基座、坡道、运移臂、支撑臂、甩钻具滑车、液压系统、电控系统等组成，其中运移臂与坡道为分段式结构设计，采用耳板销轴的连接方式，拆卸运输时可将其翻折，满足特殊地区运输要求；
其结构如图1所示，翻转折叠后如图2所示。

图1 总体结构图1.基座 2.支撑臂 3.运移臂下段 4.运移臂上段 5.运移臂伸缩段 6.坡道上段 7.坡道下段

图2 折叠运输图

1.2 工作原理

文中提出的动力猫道方案适用于陆上钻机，用于完成钻杆、钻铤、套管等管柱输送作业。采用机、电、液一体化设计，通过钢丝绳拉升及滑车移动实现管柱在地面排管区与钻台区的双向输送。其实现过程主要分为以下几个步骤。

(1) 运送的管柱放置在一侧的排管架上，通过控制排管架支腿油缸的起升使排管架表面、排管架上的管柱滚动至基座定位销处停止。

(2) 控制基座翻料油缸工作，翻料机构将停放在定位销处的管柱输送至运移臂滑车内。

(3) 控制液压绞车工作，起升运移臂，使运移臂沿坡道起升，到指定位置停下后运移臂内伸缩缸工作，运移臂伸缩段伸出，到指定位置停止。

(4) 运移臂内液压马达工作，通过链条带动运移臂滑车在V型槽内运动，同时安全挡销伸出，防止管柱从高空掉落等事故发生，直至小车到达指定位置完成输送过程。

反之可将管柱从钻台面输送至地面排管区。

1.3 主要技术参数

动力猫道结构主要技术参数见表1。

表1 主要设计参数

2.1 基座结构设计

基座是动力猫道的安装基础，主要由基座主体、排管架、翻料装置等部分组成。基座采用型钢焊接而成，运移臂、支撑臂可收缩至基座内。内部设有进料机构，可以为运移臂输送钻杆；
外部与排管架铰接，工作时排管架展开，为基座运送管柱，运输时排管架收至基座两侧并用销轴固定，便于运输。

基座前端设有前搭板，与基座主体铰接；
工作时与基座主体相连接可满足运移臂输送长度，运输时前搭板拆卸，满足运输要求。其结构如图3所示。

图3 基座结构图1.前搭板 2.基座主体 3.排管架 4.翻料装置

2.2 支撑臂结构设计

支撑臂作用主要是支撑运移臂，由型钢焊接而成，前端安装有导向滚轮，当运移臂开始起升动作时可以在基座的轨道上滑移；
支撑臂外侧安装有导向耐磨板，并可通过调整垫片对宽度进行微调。支撑臂与运移臂铰接，并与基座、坡道形成连杆机构。支撑臂背侧安装管夹，可用于安装控制系统所需管线。其结构如图4所示。

图4 支撑臂结构图1.支撑臂主体 2.导向板 3.调整垫板 4.导向滚轮

2.3 运移臂结构设计

运移臂主要作用是输送钻杆，此次设计为分段式结构，主体分为三段：上段、下段以及伸缩段。运移臂上下段采用销轴耳板的连接形式，工作时上下段用销轴固定，满足长度要求；
运输时将固定销轴取出，上段向上翻折，满足运输长度要求。伸缩段通过耳板、伸缩油缸与运移臂前段相连，可在运移臂前段内自由伸缩，使运移臂整体长度满足运输管具的要求。前段内部设有检测装置，当检测装置检测到伸缩段复位时伸缩油缸停止工作，设备更加安全可靠。运移臂主体采用焊接H型钢结构，中间焊接有承载管具的V型槽。

此外，运移臂设有安全挡销机构、钻具双向翻出机构、滑车及其驱动机构。安全挡销机构用于在输送管具过程中防止管具的坠落，钻具双向翻出机构的作用是将管具甩出至左右排管架上，二者均采用液缸驱动；
滑车由主体及拖车两部分组成，拖车通过耳板销轴与主体连接，向钻台面输送钻杆时拖车拆卸，滑车主体沿运移臂滑动；
甩钻具时将拖车安装在滑车主体上，可完成“上一甩三”的输送操作。滑车由液压马达驱动链条旋转，链条带动小车做往返运动，运移臂后段还设有链条张紧机构。运移臂前端设有导向滚轮，运移臂在起升过程中，滚轮沿着坡道内的轨道向上移动，有效提高运动效率。其结构如图5所示。

图5 支撑臂结构图1.运移臂前段 2.运移臂前段 3.滑移小车 4.运移臂伸缩段 5.伸缩缸 6.翻料机构 7.液压马达 8.传动机构

2.4 坡道结构设计

坡道由上段与下段两部分组成，动力猫道工作时坡道上下两段采用耳板销轴固定的连接方式，运输时将连接销轴拆卸，坡道下段可翻折至基座上方，满足运输需求。整体结构与现有钻机坡道相似，采用型材焊接而成，其与地面基础呈55°夹角。

坡道背面安装有驱动运移臂上下运动的液压绞车，通过安装在坡道上的滑轮组成起升运移臂。为了保证作业安全，起升绞车设有护罩，且滑轮组的主轴与防坠落装置拉杆相连，若钢丝绳意外断裂，滑轮组在弹簧作用下移动位置，带动3个防坠翻板伸出卡住运移臂，以避免运移臂自由下落造成安全事故。

坡道两侧的V型板处分别设有一个甩钻滑块，通过油缸的伸缩，钢丝绳带动滑块上下移动，配合滑移小车完成多根甩钻功能。坡道底端设有高度调节装置，在场地不平的工况下可对坡道位置进行调整，保证动力猫道稳定作业。在设备故障的情况下，坡道与现有钻机的坡道功能相同，可提供人工操作方式。其结构如图6所示。

图6 坡道结构图1.坡道前段 2.坡道滑轮组 3.甩钻具装置 4.坡道后段 5.防坠落装置 6.液压绞车 7.高度调节装置

2021年12月，DM13.7/4.5分段式动力猫道结构运输至试验井场开展了功能动作试验、 载荷试验、效率试验及安全性试验等，如图7所示。验收标准为分段式结构连接稳定，运移臂伸缩段运动平稳快速、控制准确到位、带载举升及输送过程平稳，效率高。现场测试已完成不同规格钻杆、钻铤、套管的输送作业，输送单根管柱最长为12 m，运移臂与坡道分段部分连接可靠稳定，动力猫道提升时无机身晃动、结构变形等现象，运移臂伸缩段可按设计时间快速平稳伸缩。该动力猫道输送管柱作业时间为120 s左右，可承载4.5 t钻铤及24寸套管输送，运行平稳，满足设计需求。DM13.7/4.5分段式动力猫道有效降低了人工作业强度，提高了管柱输送效率与作业安全性，有效改善钻工作业环境，提升了钻井作业的自动化、智能化水平。同时通过现场拆装测试，DM13.7/4.5分段式动力猫道拆卸简单，安装方便，运移臂与坡道折叠翻转后运输长度仅为12.5 m，有效解决了动力猫道在川渝等特定地区运输难的问题。

图7 现场测试

针对目前配套大型钻机动力猫道结构普遍较长，川渝等特定地区运输难的问题，通过创新研制DM13.7/4.5分段式动力猫道，在保证功能及效率的前提下解决运输问题，满足川渝山区等特定区域现场使用要求。经现场测试得出以下结论。

(1) 本分段式动力猫道结构设计合理，整体运输长度为12.5 m，相较于一体式13.7 m动力猫道运输长度有效减少2～3 m，在满足13.7 m动力猫道功能的基础上同时满足运输需求，解决特定地区动力猫道运输困难的问题。

(2) 分段式动力猫道安全可靠，运移臂配有安全挡销，在输送管柱的过程中安全挡销弹出，防止管柱从高空掉落引发安全事故；
坡道配有防坠落装置，在起升钢丝绳断裂的情况下防坠落翻板弹出，运移臂卡在坡道上，可对下方工作人员产生有效保护。

(3) 现场试验结果来看，分段式动力猫道运行平稳，无明显冲击现象，不同工况下的实测数值符合理论设计值，满足设计要求，后续会根据其实际表现进行产品优化升级。

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