双折线开槽滚筒的设计

姚引婧，胡军旺，吴东霞

（1．兰州理工大学技术工程学院，兰州730050；2．兰州兰石石油装备工程有限公司，兰州730043）①

双折线开槽滚筒的设计

姚引婧1，胡军旺2，吴东霞1

（1．兰州理工大学技术工程学院，兰州730050；2．兰州兰石石油装备工程有限公司，兰州730043）①

双折线开槽滚筒因可以有效降低钢丝绳的磨损而被广泛应用在石油钻井绞车和重型起重机械中。以工程实践为基础，介绍了双折线滚筒的设计原理与原则；分析了不同结构形式下滚筒爬坡段的绳槽结构，推导出该段主要结构参数的计算公式，实现了双折线滚筒的全参数化设计。

双折线；滚筒；设计

滚筒被广泛使用在石油钻井绞车和大型起重机械中。其主要功能是缠绕钢丝绳，通过动、静滑轮组将滚筒的旋转运动转化为执行机构的上升或下降运动。因受结构、强度以及经济成本等因素的影响，滚筒的长度有限，通常用来缠绕多层钢丝绳。钢丝绳多层缠绕时，虽然比单层缠绕大幅节省了空间，减少了设备的外形尺寸，但也带来了钢丝绳排列不整齐、夹绳、乱绳等影响滚筒使用寿命的问题。为了避免这些缺点，双折线开槽滚筒被广泛使用。它能克服传统光滚筒及螺旋槽滚筒在多层缠绕方面的缺点，有效地延长钢丝绳的使用寿命，提高设备的安全性能。

1　双折线滚筒的特征

双折线滚筒的每一圈绳槽由两段直线绳槽和两段折线绳槽组成；其中两段直线绳槽所对应的圆周角一般为135°，折线绳槽对应的圆周角为45°，直线段绳槽和折线段绳槽连续、相间布置［1］。当钢丝绳缠绕时有75%的上层钢丝绳落在下层钢丝绳两相邻绳圈形成的绳槽内，同时交叉跨越区域被固定在折线段，钢丝绳排列整齐。绳圈之间的接触与光滚筒及螺旋槽滚筒相比显著改善，可以有效减少钢丝绳的磨损。双折线滚筒每段折线绳槽的轴向导向为半个绳槽节距，钢丝绳在滚筒上缠绕一周，在滚筒轴向方向上刚好前进1个节距。滚筒两侧设有特殊的导向垫块，可以使钢丝绳缠满底层后反向进入下一层缠绕。

双折线滚筒的结构和滚筒展开图如图1～2所示。钢丝绳正常缠绕时，第1层缠绕在双折线绳槽内，从第2层开始，直线段钢丝绳规则的缠绕在下层钢丝绳形成的绳槽内。折线段钢丝绳与下层绳的绕向相反，上下层钢丝绳呈交叉排列，沿轴向的移动靠前一圈的推挤实现。在滚筒末端，即入绳口对侧的折线段，由于前一圈钢丝绳和滚筒侧挡板之间的间距逐渐减小，缠绕时钢丝绳不断被抬高，在第2段折线的终点被抬高至下一层。因此，将滚筒末端的折线段称为跃层爬升段或爬坡段。

双折线滚筒能够避免光滚筒和其他折线滚筒容易夹绳、跳绳等的缺点，同时将2个折线过渡段对称布置在滚筒圆周上，可以保证在钢丝绳缠绕过程中滚筒的动平衡性，避免因过渡段钢丝绳的缠绕半径大于同层钢丝绳的缠绕半径而破坏整个滚筒的平衡性并引起振动。双折线滚筒在钢丝绳多层缠绕时具有很多优点，但双折线绳槽的节距、半径以及过渡段爬升垫块的结构参数等都会影响滚筒缠绳的效果。不合理的设计结构也会造成夹绳、乱绳等现象，影响滚筒的使用性能。

图1　双折线滚筒结构

图2　双折线滚筒展开图

2　双折线滚筒的设计

双折线滚筒的设计关键在于滚筒结构形式的选择、各主要参数的确定和滚筒爬坡段的结构设计等方面。目前常见的双折线开槽滚筒通常有两种结构：即整体加工成形结构和拼装式结构。如图3～ 4。整体加工型滚筒利用专用机床在铸造后焊接的光滚筒表面加工出绳槽；拼装型滚筒由两瓣或四瓣开槽环筒拼焊或用螺钉拼装在光滚筒表面。

整体加工型滚筒通常由左、右轮毂和中间筒体3部分组焊后，进行整体开槽。这种滚筒绳槽和两侧法兰面为一个整体，法兰面间距能够准确控制在确定的公差范围内，钢丝绳的缠绕精度高，和两侧法兰面的贴合情况好。拼装式滚筒的筒体和绳槽分别制造，当绳槽磨损严重或损坏时，可以单独更换开槽环筒；在满足强度要求的前提下，环筒和滚筒体可以选用不同的材料制造，可以降低滚筒的制造和维修成本。

图3　整体加工型滚筒

图4　拼装型滚筒

2．1 双折线滚筒的设计原则

滚筒的绳槽和所使用的钢丝绳需相互匹配，通常在设计滚筒的绳槽时应遵循以下原则。

1） 滚筒直径。滚筒的直径不小于钢丝绳公称直径的20倍［2］，较大的滚筒直径可以延长钢丝绳的使用寿命，然而过大的滚筒直径会影响整个设备的结构和经济性。所以应综合多种因素去选择滚筒的直径，但通常最小值应不小于钢丝绳直径的20倍，最大不超过钢丝绳直径的100倍。

2） 滚筒的长度。滚筒长度的选择依赖于设备的结构尺寸和钢丝绳在滚筒边缘时钢丝绳的偏角，通常应保证钢丝绳的偏角为0．25～1．50°。当偏角过大时，需增加排绳装置。

3） 绳槽节距。多层缠绕滚筒，两绳槽中心线的间距应等于钢丝绳名义直径加上钢丝绳规定正偏差的一半。通常钢丝绳的允许偏差为正偏差，这一原则充分考虑了钢丝绳的偏差和缠绕过程中的压缩量。当钢丝绳的偏差为下差时，不会使钢丝绳之间的空隙较大；钢丝绳偏差为上差，直径较大时，在合理的压缩范围内能够整齐排列钢丝绳。此外还有一种计算方式是取绳槽节距为钢丝绳直径加上2～4 mm［3］。这种方式未能充分考虑不同钢丝绳拥有不同的偏差这一事实，随意性较大。

4） 绳槽曲率半径。应等于钢丝绳公称直径的0．53～0．55倍［24］。这一原则保证钢丝绳和绳槽之间拥有较大的贴合度，又不会因绳槽直径过小而增加钢丝绳的磨损。

5） 槽深。槽深约为钢丝绳公称直径的30%。槽深过小或过大均会影响滚筒缠绳，大量的应用实践证明，当槽深等于钢丝绳公称直径的30%时，有利于绳的缠绕。

2．2 滚筒绳槽爬坡段设计

多层缠绕滚筒的钢丝绳在滚筒末端的折线部分要被抬升一层，如果没有钢丝绳爬升垫块，钢丝绳必然会被挤在前一圈钢丝绳和滚筒侧壁挡板之间不断缩小的空间中引起挤压磨损。所以多层缠绕滚筒需设计钢丝绳爬升段以减少对绳的挤压。爬升段起始于折线的起始处，终止折线的终点。

爬升段对钢丝绳的抬升高度必须合适，高度过低，滚筒体与钢丝绳不接触，钢丝绳会被挤压；高度过高，会将钢丝绳抬离前一圈钢丝绳，使处在爬升过程中的钢丝绳不能靠前一圈钢丝绳和侧壁来定位，在滚筒轴向上容易窜动。由于受绳槽加工因素的影响，爬升段的结构因滚筒的结构形式不同也略有不同。

2．2．1 整体加工型滚筒绳槽爬坡段设计

为了便于加工，国内通常将整体加工型滚筒爬坡段结构设计为凹槽形式，槽的半径等于正常缠绕段绳槽的半径。其结构如图5所示。

图5　整体加工型滚筒绳槽爬升段

图5中展示了钢丝绳在起始位置和爬升时与前一圈钢丝绳的位置关系，双点划线的圆为爬升开始时的状态。在设计过程中通常以钢丝绳的公称直径为依据进行设计，钢丝绳截面的中心与绳槽的中心在同一条线上。假设钢丝绳处于理想的排列状态，被抬升的钢丝绳的截面形心会沿着直线OO1向上运动。图中O1、O2均为钢丝绳截面的圆心，由于绳槽的半径大于绳的公称半径，所以绳槽的圆心O′1、O′2位置相对高出0．03～0．05的公称直径。在直角三角形OO1O2中，斜边O1O2是两相切圆的中心连线，其长度等于钢丝绳的公称直径d。由几何关系可求得被抬升的钢丝绳的截面形心与第1层钢丝绳的截面形心之间的距离为

式中：t为为折线段钢丝绳的轴向移动距离，其值最小为0，最大等于P。

在这种结构中，2段折线段均为爬坡段，t随着钢丝绳在滚筒上的缠绕逐渐增大，所以可将t看作是角度的参数。变量就是“滚筒爬坡段”任意点与爬坡起始点之间圆周所对应的圆心角α。则：

式中：P为绳槽节距；α为滚筒爬坡段任意点与起始点之间圆周所对应的圆心角，rad，分2段爬坡，第2段上的点计算时应减去中间直段部分对应的圆心角的值。

爬升段任意点绳槽的中心到滚筒中心距离为

式中：D 0为滚筒槽底直径；R cao为绳槽半径，R cao＝（0．53～0．55）d。

这种方法完全模拟了钢丝绳的缠绕过程，由此设计的爬坡结构不会导致绳被夹住或被抬高，具有较好的缠绕性能。

通常钢丝绳的公差采用正偏差，且为百分比公差。对于大部分起重设备来说，其使用的起重钢丝绳一般为直径大于8mm的股绞钢芯钢丝绳，这类钢丝绳的测量直径公差应为公称直径的0～5%［5］。在式（3）中取则钢丝绳的升高高度为：

式中：R1为非爬坡段绳槽中心到滚筒中心的距离。

以上分析说明在第1次爬坡结束时，钢丝绳有93．2%的部分已高出第1层钢丝绳，而且这完全由钢丝绳在折线部分缠绕时的自然规律所致。

2．2．2 拼装型滚筒绳槽爬坡段设计

拼装型滚筒的绳槽部分和滚筒本体是独立加工的。带槽环形筒的开槽难度要大于整体型滚筒，若采用与前者爬坡段相同的结构，则爬坡段要高出非爬坡段绳槽很多，而且高出部分的宽度很窄，这就会对环形筒坯料的选择、制造以及后期的装配等产生较大影响。所以在设计此类滚筒时，采用不同的爬坡结构。

从前述分析可知，钢丝绳在爬坡时，随着前一圈绳和滚筒侧壁之间空隙的缩小，钢丝绳会被逐渐抬高，当第1次爬坡结束时钢丝绳有占公称直径93．2%的部分已脱离底层钢丝绳。基于此，在设计拼装式滚筒爬坡段时，只设计一段爬坡段。这必然会使钢丝绳在第2段折线段时与支撑垫块之间存在空隙，但由于空隙的尺寸相对较小，所以不会引起夹绳的现象。滚筒结构如下图所示。

图6　拼装型滚筒开槽环筒

图7　拼装型滚筒绳槽爬升段

拼装式滚筒的展开结构基本和图2的结构相同。滚筒边缘的导向垫块部分，除爬坡段设计为凹槽外，其余均为带圆弧的凸台。爬坡段绳槽中心到滚筒中心的距离用式（3）确定。不同之处就在于爬坡结束后圆弧形凸台部分的结构设计，也就是圆弧半径及圆心位置的确定。为了便于设计和加工，让该圆心位于滚筒体外端面上，同时保证该圆心到滚筒中心的距离等于其余非爬坡段绳槽中心到滚筒中心的距离。这样就可以很容易计算出圆弧的凸台的半径。爬坡结束时上层绳的中心与底层绳槽中心之间的距离e为

则根据几何关系，求得圆弧形凸台的半径r为

该方法设计的爬坡段及过度段在钢丝绳缠绕过程中不会抬高钢丝绳，可以有效避免在滚筒爬坡段乱绳。在第2段折线段钢丝绳和支撑垫块之间存的空隙，会使钢丝绳在缠绕时受到较大一点的挤压力，但由于压缩量相对较小，并不会对钢丝绳产生过大的影响。

3　结论

1） 采用多层缠绕滚筒时，上层钢丝绳必须跨越下层钢丝绳，处在跨越区域的钢丝绳容易加剧磨损和挤压。与螺旋槽滚筒相比，双折线滚筒的交叉区域显著缩小，有利于减轻钢丝绳在该区域的损坏。

2） 取决于设计和加工工艺的要求，整体开槽型滚筒可以采用拼装型滚筒的爬坡形式。无论采用何种形式的结构，爬坡段的设计应符合钢丝绳缠绕的规律。

［1］ 朱绍曾．美国钻井绞车的设计介绍［J］．石油矿场机械，1985，14（5）：27－36．

［2］ API RP 9B—2002，油田钢丝绳的应用、保养和使用的推荐方法（中文版）［S］．

［3］ 杨海滨．钻井绳索与井场吊运安全操作［M］．北京：石油工业出版社，2004．

［4］ GB／T 24811．1—2009，起重机和起重机械，钢丝绳选择（第一部分）［S］．

［5］ API RP 9A—2004，钢丝绳规范（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，甘肃天水人，讲师，主要从事机械专业的教学与研究。