CN104976322B - 容许绳索偏角的槽轮 - Google Patents

Abstract

一种槽轮可以包括具有圆形周边且限定了中心平面的主体部分，还包括延伸通过主体部分的内孔，该内孔设置成用于容纳轴并容许主体部分在中心平面中旋转，以及位于圆形周边上的绳索凹槽，该凹槽包括具有第一端和第二端的辐射式底部以及一对相对的侧壁，每个侧壁从第一端和第二端中的一个直接地且以切向方向延伸，该侧壁具有弧形轮廓。

Description

容许绳索偏角的槽轮

技术领域

本发明涉及一种用于在操纵线绳、绳索、缆绳或者其他柔性的细长抗拉元件时使用的槽轮。更特别地，本发明申请涉及一种槽轮，它在操纵这样的线绳、绳索、或者缆绳时可以以相对更加灵活的方式进行使用。更特别地，本发明涉及一种用于滑车组装置的槽轮，它适于当动滑轮位于定滑轮下方或者不与定滑轮对齐的情况，该情况在操纵线绳和槽轮的平面之间产生绳索偏角。

背景技术

诸如在起重机和其他材料处理系统上能找到的起重总成可以包括定滑轮和动滑轮。通常来说，定滑轮相对于支撑结构静止，该支撑结构可以是起重机吊臂、井架、桥架、行车或者其他方面的材料处理系统。相比之下，动滑轮通常可以通过松开或者绞入缆绳或者绳索而相对于定滑轮上下移动。定滑轮和动滑轮中的每个可以包括一个或者多个槽轮，且钢丝绳可以在定滑轮和动滑轮之间穿绕过槽轮以产生滑车组装置。滑轮中的槽轮上可以具有凹槽，用于在钢丝绳与槽轮接合时控制钢丝绳的定位。

在钻机的情况下，比如石油钻机，定滑轮可以由井架来支撑，动滑轮可以吊挂于定滑轮的下方并用于提升和/或支撑井身中的钻杆。卷扬机或者绞车可以与钢丝绳的一端进行连接，并可以用于升高和降低动滑轮。在一些操作中，比如当钻杆的新的部分被提升到位，举例来说，动滑轮可以水平地直接从定滑轮下方拉出。这就可能在钢丝绳与动滑轮和定滑轮中任一或者两个的槽轮的平面之间产生了绳索偏角。可以理解的是，这个绳索偏角可能引起钢丝绳在进入槽轮时被挂在槽轮的凸缘或者唇缘上，使得钢丝绳间歇地滑进凹槽而不是持续地进给入凹槽内。这种吊挂和滑动可能引起槽轮和/或绳索的磨损，导致过早的损坏和更换的成本。

发明内容

下文将对本发明公开的一个或者多个实施方式进行简要概括，用以对这些实施方式提供基本的理解。这个概要并非是对于所有预期的实施方式的详尽纵览，且既非旨在指认出所有实施方式的关键或重要元素，又非旨在限定任何或者所有实施方式的保护范围。

在一些实施方式中，槽轮可以包括主体部分，其具有圆形周边并限定有中心平面。该槽轮可以包括延伸通过主体部分的内孔，该内孔可以设置成为能容纳轴，并还可以设置成为能容许主体部分在中心平面中旋转。该槽轮还可以包括位于圆形周边上的绳索凹槽。该绳索凹槽可以包括具有第一端和第二端的辐射式底部。该绳索凹槽还可以包括一对相对的侧壁，每个侧壁从第一端和第二端中的一个直接地且以切向方向地进行延伸，且侧壁具有弧形轮廓。

在另一实施方式中，提供了用于滑车组装置的滑轮。该滑轮可以包括主体部分，且槽轮可以位于主体部分中用于进行大体上自由的旋转。该槽轮可以限定中心平面，且可具有沿着槽轮圆周布置的凹槽。该凹槽可以包括具有第一端和第二端的辐射式底部。该绳索凹槽还可以包括一对相对的侧壁，每个侧壁从第一端和第二端中的一个直接地且以切向方向地进行延伸，且侧壁具有弧形轮廓。

虽然公开了多个实施方式，后文的详细描述示出并描述了本发明示意性的实施方式，从这些描述来看本发明其他的实施方式对于本领域技术人员是显而易见的。应认识到的是，本发明的各种实施方式能够在多种明显的方面进行修改，都不会偏离本发明的精神及本发明的保护范围。因此，附图和详细说明将视为本质上为说明性的而非限制性的。

附图说明

本说明书之后的权利要求特别指出并清楚要求保护的主题，视为形成了本发明的多种实施方式，相信从后文的说明结合附图可以更好地对本发明进行理解，其中：

图1为根据一些实施方式的包括了滑车组装置的材料处理系统的立体图。

图2为根据一些实施方式的图1所示的滑轮中的槽轮的侧视图。

图3为根据一些实施方式的图3中的槽轮的边缘的视图。

图4为根据一些实施方式的图2和图3中槽轮的凹槽的近距离视图。

具体实施方式

在一些实施方式中，本发明涉及了采用了定滑轮和/或动滑轮的材料处理系统，这些定滑轮和/或动滑轮包括容许绳索偏角的槽轮。该定滑轮和动滑轮可以为滑车组装置的一部分，其中定滑轮和动滑轮通过钢丝绳的一个或多个返回部分进行相互连接。即，钢丝绳可以从卷扬机或者绞车延伸至定滑轮，向下延伸至动滑轮，再向上返回至定滑轮。当钢丝绳通过每个滑轮时，它在每次通过滑轮时可以穿绕过单独的槽轮。滑轮中的槽轮可以具有特定形状的槽轮凹槽。该槽轮凹槽的形状可为适于相对于高和/或时常发生的绳索偏角，而该绳索偏角可能引起钢丝绳被吊挂于槽轮的凸缘并间歇地落入凹槽内。没有这个公开的凹槽的话，当动滑轮行进且钢丝绳滑动时，工作人员通常能听到这种吊挂和滑动。即，当绳索滑动，且槽轮略微掉落并且以凹槽的底部与绳索再次接合的时候，可以听到这种冲击以及所导致的绳索的拉紧。这种不希望发生的在凹槽的凸缘和侧壁上的摩擦和/或磨损会导致槽轮和/或钢丝绳的过早磨损和更换。

在石油行业中，对于槽轮的形状和特征有一些规定和限制，比如美国石油学会(API)的8A和8C所规定的。在一些实施方式中，目前公开的特征设计了一种槽轮，它能够在符合API的8A和8C的同时适于较高的绳索偏角。

如图1所示，示出了与绞车102进行连接的滑车组装置的简化系统100。如图所示，钢丝绳的一部分或者其他提升线绳104可以从绞车102延伸至定滑轮106。定滑轮106可以由井架108或者其他支撑结构进行支撑。提升线绳104可以穿过定滑轮106并向下延伸至动滑轮110。在单个线绳的设置中，提升线绳104可以在动滑轮110处为闭端。在所示的其他的实施方式中，提升线绳104可以通过槽轮112穿绕过动滑轮110，并可返回至定滑轮106。每次提升线绳通过动滑轮110或者定滑轮106时，提升线绳104可以通过槽轮112，该槽轮用于在通过绞入或者松开提升线绳104来相应地提升和/或降低动滑轮110时，导引线绳104通过滑轮并容许线绳104移动通过滑轮。取决于从动滑轮110返回的次数，可以使用不同的穿绕样式。在当前实施方式中，使用了12根线绳，包括6根线绳从定滑轮向下延伸至动滑轮，以及6根线绳返回至定滑轮。在其他的实施方式中，取决于系统预期的承受量，可以使用14或者16根线绳，或者可以使用其他数量的线绳。在一些实施方式中，定滑轮可以轻微偏斜或者定滑轮中的槽轮可以轻微偏斜，以适应于每根线绳在从动滑轮返回至定滑轮并与线绳先前通过的槽轮所相邻的槽轮接合时的横向移动。

如图1所示，在一些情况下，动滑轮110可以从定滑轮106下方拉出。举例来说，在某些情况下，动滑轮110可以与和钻井中心成一条直线的钻杆相邻进行提升或者下降，用以将动滑轮放置在位以进行下次预期操作。如图所示，当将动滑轮110从定滑轮106下方拉出时，提升线绳10会随着它们从动滑轮110离开而变得有角度(即绳索偏角)，使得提升线绳104与滑轮110中槽轮112上的凹槽的外唇缘进行接合，造成线绳104沿着凹槽的唇缘并间歇地下落至凹槽中。在一些情况下，由于渐增的绳索偏角，动滑轮110和定滑轮106都可能经受磨损，然而在其他的实施方式中，动滑轮和定滑轮中的一个或者另一个可能经受磨损。

现参阅图2，示出了图1中的定滑轮106和/或动滑轮110中的一个的槽轮112。该槽轮112可以包括主体部分或腹板114，转轴接合部分或轮毂116以及绳索接合部分或凸缘118。如上所述，槽轮112可以设置成将线绳104导引通过定滑轮106或者动滑轮110。特别地，当线绳通过滑轮时，槽轮112可以适用于将线绳104保持于基本恒定的张紧状态，还可以适用于使线绳104中的扭结或者突然的弯曲减少或者最小化，这些扭结或者突然的弯曲会导致高应力集中并可能在线绳104上产生疲劳或者磨损区域。

槽轮112的主体部分或腹板114可以包括大体上刚性的结构，该结构设置成将拉伸载荷从钢丝绳104通过并传递到槽轮112的转轴接合部分116，再传递至槽轮112的转轴或者支撑结构。在槽轮112的绳索接合部分118大体上为圆形的地方，钢丝绳104中的拉伸载荷可以沿着槽轮112的绳索接合部分118传递基本上均匀的且为径向方向的作用力。取决于绳索接合部分118的刚性相对于主体部分114的刚性，主体部分114可以将基本上均匀的且为径向方向的作用力基本上直接地向内传递至转轴。在其他的实施方式中，主体部分114更类似于辐条结构(要么是因为主体部分相对薄或者因为实际是为辐条结构)，绳索接合部分118的刚性的作用更类似于压紧的带钢。在这个实施方式中，带钢在线绳104载荷下的偏斜可能在与载荷方向相反的主体部分114的一侧处在主体部分114中产生拉伸，从而引起主体部分114将载荷传递至转轴接合部分116。

在一些实施方式中，主体部分114可以为基本上环形的基本平面结构，这样，绳索接合部分118可以基本上位于与主体部分114相邻的位置，并紧接着从主体部分114沿径向伸出。主体部分114可以基本上为具有基本恒定厚度的板状。在其他的实施方式中，举例来说，主体部分114在靠近槽轮112的中心的部分和绕着转轴接合部分116的厚度可以厚些。主体部分114可以具有一个或多个布置在其表面上的肋条，肋条基本上从主体部分114的中心延伸至主体部分114的外边缘。

槽轮112的该转轴接合部分或轮毂116可以定位成紧邻于主体部分114的内部径向边缘。槽轮112的转轴接合部分116可以包括延伸通过槽轮112的厚度方向的加厚的轴环，并限定了基本上圆柱形的内孔120，在内孔中可以放置并固定轴承或者其他减磨元件。内孔120的尺寸可设置成为能容纳这样一个轴承并容许转轴或者其他轴、杆、销或者支撑结构穿过该轴承。

槽轮112的该绳索接合部分或凸缘118可以沿主体部分114的与转轴接合部分116相对的外边缘布置。绳索接合部分118可以适于使得提升线绳或者绳索104在绕过槽轮112的周边时按照经选择的形状(即放射状弧形)。这样且如图2所示的，从一侧看槽轮112时，该线绳接合部分118可以包括大致为圆形的形状。槽轮112的直径且由此线绳接合部分118的直径可取决于若干因素，包括绳索直径、设计载荷、滑轮尺寸以及若干其他因素。在一些实施方式中，绳索接合部分118的直径(在外部进行测量的或最大直径)的范围可以从大致20英寸到大致114英寸，或者从大致40英寸到大致100英寸，或者从大致60英寸到大致80英寸。

绳索接合部分118还可以构造成使得绳索104在绕过槽轮112的时候保持与槽轮112的中心平面122对齐。这可能特别有用，因为在绳索接合部分118的侧壁于绳索绕过槽轮112时将绳索大致保持于槽轮112的中心位置的地方，绳索偏角124增加。如图3所示，当从截面看时，举例来说，绳索接合部分118可以包括大致鞍座或者凹槽的形状。该绳索接合部分118可由绕着主体部分114的外边缘延伸的底座部分126来限定。底座部分126可以是围绕着槽轮112的主体部分114的加厚区域，或者底座部分126可以具有与主体部分114相似或者相同的厚度。在后一种情况下，举例来说，绳索接合部分118的底座部分126可以是主体部分114的外环部分。如图2所示的实施方式，底座部分126与前一种情况相一致，其中底座部分126包括了沿着主体部分114的外边缘的加厚区域。加厚的区域可以具有足以容纳凹槽的径向高度128，该凹槽的尺寸和形状可以为能容纳经由选择的绳索的直径或直径范围。举例来说，在一些实施方式中，底座部分126的径向高度128的范围可以大致从2又3/8英寸到大致5英寸。当从横截面看时，该加厚的区域可以具有一定宽度130，用于容纳绳索的直径并提供了沿着绳索的侧面的侧壁。举例来说，在一些实施方式中，该宽度130的范围可以大致从2又3/8英寸到大致4又1/2英寸。

现在转到图4，示出了绳索接合部分的横截面的近距离视图。如图所示，底座部分126可以包括凹槽132，其特别地构造成能容纳圆形直径的绳索，并在绳索置于槽轮112的外周表面时可以为绳索提供基座。特别地，凹槽132可以由底面134和一对相对的侧壁136来限定，每个侧壁由底面134向上延伸至各唇缘138。

当绳索压靠于槽轮112时，凹槽132的底面134可适于与提升线绳或者钢丝绳104嵌套接合。因此，底面134可以是在一对上端140之间延伸的凹面。在钢丝绳104的横截面塑形之后，该凹面可以具有特别适配以及成型的曲率。特别地，底面134可以具有与钢丝绳104外表面曲率相匹配的曲率，或者底面134的曲率可以基于比钢丝绳104的半径略大些的半径。举例来说，在底面曲率太小的地方，绳索104可能无法充分与底面134接合，而是可能挂在凹槽132的侧壁136上，造成侧壁136上的过度磨损以及线绳104被夹住，这可能导致绳索104状态恶化。在底面曲率太大的地方，绳索104在通过槽轮112的时候可能具有变平的趋势，这也可能使得绳索104更快地恶化。这样，底面曲率可以与钢丝绳104的外表面的曲率相似。在一些实施方式中，通过绳索直径乘以范围从大致1.01到1.2的因数所得的半径来限定该曲率。在一些实施方式中，其中槽轮的凹槽设计成了符合API的规范，该因数的范围可以从1.06到1.1。

底面134可以形成夹角142，该夹角限定了底面134与钢丝绳的表面接触程度的大小。在一些实施方式中，底面134可以具有范围从大致0度到大致60度，或者从大致20度到大致40度的夹角，或者夹角142可能大致为30度。在一些实施方式中，其中槽轮112设计成符合美国石油学会(API)的规范(举例来说，API的8A和8C)，该夹角142可以大致为30度，或者上端140所对的角度144可以大致为150度。取决于所提供的绳索或者提升线绳的形状、尺寸和类型，还可以规定其他的夹角142。在上述任一情况中，相对于底面134的上端140的水平面的角度146可以大致为180度的1/2，小于夹角142。举例来说，即为在夹角为30度的情况下，底面134的上端140可以与水平大致呈75度地向上进行延伸。此外，如图所示，凹槽的底面可以关于槽轮的中心线对称，这样，夹角142可以由所示的两个半角143组成。

凹槽132的侧壁136可以相邻于和/或紧邻于底面134的上端140，并可以从底面134的上端140向上进行延伸。如图所示，侧壁136可以一开始相切于或者对齐于底面134的上端140，这样，一开始侧壁136以与底面134的上端140相同的角度从水平面向上延伸。在其他的实施方式中，侧壁136可能不是切向的，而是相对于底面134的上端140以更浅的或者更直立的角度进行延伸。在槽轮设计成符合API的规范的情况下，如图所示，侧壁136可以一开始从底面的上端140切向地进行延伸。

如图4所示，侧壁136可以为弧形的或者波形的侧壁。即，与凹槽的轮廓不同，其中侧壁为平面的且从底面134沿切向向上延伸，图4的侧壁136不为平面，而是为弧形的表面。如图所示，虽然侧壁136可能一开始与底面134的上端140的相切，不过侧壁136可以具有由半径147限定的曲率。该曲率通常可为相对于凹槽空间132的凸曲率，这样，可使得在侧壁136向上延伸时，侧壁136逐渐从凹槽空间132向外岔开。即，虽然平坦的侧壁可被认为在向上延伸时岔开，但现有的侧壁是由于曲率的原因而逐渐岔开。弧形的侧壁136的半径线可以基本上垂直于底面134的上端140上的切点进行延伸，并可以具有由半径147的长度限定的中心点148。即，对于大致为30度的夹角142以及R英寸的侧壁曲率半径，辐射式侧壁136的中心点148可以以R英寸向下，并以大致15度的角度位于右侧上部侧壁的上端的右侧。尽管在其他的实施方式中已经对辐射式侧壁进行了描述，该曲率举例来说可以为其它的抛物线、椭圆曲线或者螺旋形状。侧壁136的曲率的大小可以取决于各种因素，包括绳索直径、槽轮直径以及预期适用的绳索偏角。

在一些实施方式中，取决于绳索直径、槽轮直径以及预期的绳索偏角，侧壁的半径的范围可以从大致3英寸到大致30英寸，或者大致从4英寸到大致25英寸，或者大致从5英寸到大致21英寸。在所提及的范围内的任一特定值可能具有特别的优点并可进行选用。还可以提供该范围外或者范围内的其他半径。在一示例模型中，对于7度的绳索偏角的设计，确定了以下的侧壁半径：

此外，举例来说，对于60英寸的槽轮直径，可以使用范围为大致5又5/8英寸到大致16又3/4英寸的侧壁半径。举例来说，在槽轮直径为60英寸且绳索直径为1又1/8英寸的情况下，5又5/8英寸的侧壁半径可以用于7度的绳索偏角。

应理解的是，侧壁半径会使凹槽的宽度在槽轮的外周边缘处增加。通过限制绳索与槽轮凹槽的唇缘的接合，这种增加的凹槽宽度可适应于绳索偏角，这可以减少或者防止绳索被吊挂在槽轮凹槽并间歇地滑入凹槽内。这样，可以进行更平滑的操作，且槽轮和绳索的寿命可以增加。

侧壁136可以沿着凹槽空间向上延伸至顶部边缘150。举例来说，侧壁136可以基本上延伸底面134上方的凹槽132的整个剩余高度。举例来说，在凹槽132的整体高度从槽轮的外周表面测量到底面134的底部的情形中，侧壁可以延伸凹槽132的高度的大致50％到80％，或者大致60％到75％，或者大致67％。凹槽的剩余高度可以由底面134和上部唇缘138来提供。

在凹槽132的每一侧上的上部唇缘138与侧壁的上端150相切。在其他的实施方式中，上部唇缘138可以以不同于侧壁136的上端角度的角度进行延伸。上部唇缘138可以包括曲面，该曲面具有比侧壁136的曲率大的曲率，并可以具有限定了槽轮112的最外周面的平坦顶面。在一些实施方式中，这个最外周面可以不是平坦，而是可以是弧形的，唇缘138可以以曲线远离侧壁136并延续至槽轮112的绳索接合部分118的底座部分126的外侧表面。唇缘138的曲面部分可以具有范围从大致1/8英寸到大致1/2英寸、或者从大致3/16英寸到大致3/8英寸的半径，或者该唇缘的曲面部分具有大致1/4英寸的半径。还可以提供其他的该范围外或者范围内的半径。

在上述的描述中，已经提出了本发明的多种实施方式，用以进行阐释和说明。它们不旨在进行穷举或者将本发明限定为所公开的精确形式。在上述的教导下可以进行明显修改或者变化。选择和描述了各种实施方式用以提供本发明的原理的最佳阐释以及它们的实际应用，并使本领域普通技术人员能够利用具有各种修改的多种实施方式，来适用于预期的特定用途。所有这些修改和变换都落入所确定的本发明的保护范围，本发明由所附的权利要求来确定，当根据该范围进行解释时，它们将公平地、合法地以及公正地进行授权。

Claims (6)

1.一种槽轮，包括:

主体部分，所述主体部分具有圆形周边且限定了中心平面；

内孔，所述内孔延伸通过所述主体部分并构造成用于容纳轴且容许所述主体部分在中心平面内旋转；以及

绳索凹槽，所述绳索凹槽布置在所述圆形周边上，并包括：

具有第一端和第二端且相对于所述内孔呈凹陷的辐射式底部，所述辐射式底部限定有从20度到40度的夹角；以及

一对相对的侧壁，每个所述侧壁离开所述辐射式底部且离开所述第一端和所述第二端中的一个直接地且以切向方向延伸到相应的上端，且每个所述侧壁具有第一弧形轮廓，所述第一弧形轮廓具有第一曲率，所述第一弧形轮廓是由范围从4英寸到25英寸的半径所限定的辐射式轮廓，所述第一弧形轮廓还在与所述辐射式底部相反的方向上呈凹形；以及

一对上部唇缘，每个所述上部唇缘从所述侧壁的相应的所述上端直接且以切向方向延伸，并且向上并延伸到所述槽轮的最外周面，所述一对上部唇缘具有第二弧形轮廓，所述上部唇缘的所述第二弧形轮廓具有大于所述第一曲率的第二曲率，且在与所述辐射式底部相反的方向上呈凹形；

其中，所述辐射式底部、所述侧壁和所述上部唇缘限定出所述绳索凹槽的高度，且所述侧壁包括所述高度的50％至80％。

2.根据权利要求1所述的槽轮，其特征在于，所述第一弧形轮廓造成每个所述侧壁从所述中心平面随着每个所述侧壁朝着相应的所述上端延伸而渐增地岔开。

3.根据权利要求1所述的槽轮，其特征在于，所述辐射式轮廓由范围从5英寸到21英寸的半径限定。

4.一种用于滑车组装置的滑轮，所述滑轮包括：

主体部分；以及

槽轮，所述槽轮具有内孔且被布置在所述主体部分中，用于进行基本上自由的旋转，所述槽轮限定中心平面且具有沿着所述槽轮的圆周布置的凹槽，所述凹槽包括：

具有第一端和第二端且相对于所述内孔呈凹出的辐射式底部，所述辐射式底部限定有从20度到40度的夹角；以及

一对相对的侧壁，每个所述侧壁离开所述辐射式底部且离开所述第一端和所述第二端中的一个直接地且以切向方向地延伸到相应的上端，且所述侧壁具有第一弧形轮廓，所述第一弧形轮廓具有第一曲率，所述第一弧形轮廓是由范围从4英寸到25英寸的半径所限定的辐射式轮廓，所述第一弧形轮廓还在与所述辐射式底部相反的方向上呈凹形；以及

一对上部唇缘，每个所述上部唇缘从所述侧壁的相应的所述上端直接且以切向方向延伸，并且向上并延伸到所述槽轮的最外周面，所述一对上部唇缘具有第二弧形轮廓，所述上部唇缘的第二所述弧形轮廓具有大于所述第一曲率的第二曲率，且在与所述辐射式底部相反的方向上呈凹形；

其中，所述辐射式底部、所述侧壁和所述上部唇缘限定出所述凹槽的高度，且所述侧壁包括所述高度的50％至80％。

5.根据权利要求4所述的滑轮，其特征在于，所述第一弧形轮廓造成每个所述侧壁从所述中心平面随着每个所述侧壁朝着相应的所述上端延伸而渐增地岔开。

6.根据权利要求4所述的滑轮，其特征在于，所述辐射式轮廓由范围从5英寸到21英寸的半径限定。

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