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摘 要：介绍具有CAN总线功能的Allison全自动电控传动箱在石油修井机上的应用设计，分析工程用传动箱应用在修井机上存在的问题，提出工程用传动箱应用到修井机作行车用时，需要考虑设置合适的换档点，才能保证设备的正常运行。
关键词：电控传动箱 修井机 Allison CAN总线
中图分类号：TE935 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）001-046-03
石油修井机是由一台或两台动力机驱动绞车和转盘，绞车用动力机、绞车、井架等均安装在汽车载重底盘、专用底盘或牵引式底盘上的石油修井装置。修井机一般配置一台发动机和一台传动箱，通过传动箱的不同取力口，将发动机的动力传送到汽车底盘进行行车，或将发动机的动力传送到井口作业平台进行修井作业。在行车和修井作业时都要进行换档操作，为了简化操作机构及控制方便，一般都选择电控传动箱。Allison全自动电控传动箱有自动电控换档和手动电控换档两种换档模式，具有CAN总线功能，更有利于在修井机上进行远程控制。
1控制系统设计
Allison生产的3000/4000系列传动箱是公路用传动箱，修井机除了修井作业，也需要行车，在一般小吨位的修井机选用该系列的传动箱，目前，对油田50T、60T修井机选用4000系列的传动箱。Allison公司生产的5000/6000系列的传动箱是非公路用传动箱，主要应用在油田、矿山等工程机械上。对油田80T、120T修井机选用该系列的传动箱。选用卡特发动机作动力机。整个修井机的换档控制系统框图如图1所示。
1.1电气原理设计
在驾驶室安装一选择开关，对换档模式进行选择。将第一换档开关安装在驾驶室作行车换档操作，行车用全自动电控换档模式；将第二换档开关安装在作业平台供修井作业换档操作，修井作业用手动电控换档模式。电气原理如图2所示。
汽车底盘在原有的控制电路基础上，增加如下的装置：在驾驶室仪表板上增加一车速表、一只倒档指示灯、一只锁止指示灯、一只台上/台下换档指示灯，在驾驶室增加手动锁止开关及手动锁止允许开关，在进行台上/台下动力输出切换的气控回路安装一只气动开关，作为动力输出的互锁开关。对起动电路作如下修改：在作业平台增加一起动按钮，利用传动箱控制电脑V5引脚输出的信号控制一空档继电器，只有当换档开关处于空档时，空档继电器闭合，驾驶室的点火开关或作业平台上的起动按钮才能控制起动继电器，让发动机工作。整个原理如图3所示。
因为选择的卡特发动机控制系统具有CAN总线功能，所以图2中的节气门位置传感器不必安装，发动机的节气门位置由发动机控制电脑通过CAN总线传送给传动箱电脑控制器。同时，发动机的水温等信息也通过CAN总线发送给传动箱的电脑控制器。为便于观察发动机的转速，分别在驾驶室和发动机控制台安装具有CAN总线接口的转速表。整个系统CAN总线拓扑结构如图4所示。
将传动箱的电脑控制器安装在驾驶室内，第一换档开关和换档选择开关安装在驾驶室内，第二换档开关安装在修井机作业平台，整个修井机换档控制系统在汽车底盘上的线束走向及部件安装布置如图5所示。
1.2系统控制过程
驾驶室内的“换档模式选择”开关可以选择驶室操作还是修井机作业平台操作，具体过程如下：
（1）驾驶室的操作。
将驾驶室内的“换档模式选择”开关置于“台下”位置，该信号送进传动箱的控制电脑，并将传动箱的动力输出切换到汽车底盘驱动车辆。驾驶室行车可实现自动换档。
驾驶室的换档开关有倒档“R”、空档“N”、前进档“D”三个选择，在换档开关上可以设置前进档换档的范围（1-6）。档位选择信息送进传动箱的控制电脑。
在起动发动机时，将换档开关置于空档“N”，该信息送进传动箱控制电脑，图3中的空档继电器触点闭合，才能让起动继电器工作。如果换档开关未置于空档，发动机不能起动。
需要车辆前进时，换档开关选择前进档“D”，此时换档开关的显示器会显示数字“6”，表示车辆在1、2、3、4、5、6档可以自动切换；可以调节显示器上的数字，改变车辆前进中可以自动换档的范围，比如将显示器的数字设置为3，表示在行驶过程中，可以在1、2、3档进行换档。发动机的控制电脑将发动机的转速及油门位置信号通过CAN总线传送给传动箱的控制电脑，踩下油门踏板，当发动机转速达到设定的换档转速时，传动箱控制电脑会控制换档电磁阀组，档位由1档变为2档，如果发动机转速一直保持在该转速以上，则传动箱会升到设定的最高档。当松开油门踏板，发动机转速自动降下来，档位也依次可以降下来。
倒车时，将换档开关置于倒档“R”，传动箱控制电脑会控制换档电磁阀组，使传动箱处于倒档工作状态。
（2）作业平台的操作。
当修井机在井场就位后进行修井作业时，需要在作业平台进行操作。首先将驾驶室内的“换档模式选择”开关置于“台上”位置，并将传动箱的输出切换到台上。在作业平台只能实现手动换档。
在起动发动机时，需要将换档开关置于空档位置；在绞车提升大钩时，根据需要的速度及负荷，将换档开关置于相应的档位，该信号传送给传动箱控制电脑，控制电磁阀组，让传动箱工作在相应的档位；在下放大钩时，将换档开关置于倒档。
2应用中遇到的问题分析
2.1存在的问题
将该换档控制系统应用到川西钻探公司的修井机上，总体情况良好，但在使用一段时间后，两台XJ110修井机存在以下的问题：作业平台上进行修井作业时换档操作正常，但行车时，车辆有时候不能进行换档，只有一个行车档；在设备搬迁过程中，经常将作业台上的换档开关及线束一起引入驾驶室进行操作，作为行车过程中的换档，在设备就位后再将它恢复到台上进行作业。曾有一辆XJ110修井机经过这样换档开关及线束的反复改换，在台上作业时也不能进行正常换档，这严重影响了设备的正常使用和作业队的作业效率。 2.2原因分析
在作业平台上可以进行正常的换档，说明换档电磁阀组及液压回路工作正常。通过前面的系统控制过程分析可以知道，在作业平台进行换档时，传动箱是手动电控换档模式，换档开关选择不同的档位，电磁阀组会使传动箱工作在相应的档位；在行车换档时，传动箱是根据采集的各种信息，按照程序进行自动换档，需要发动机转速达到程序设定的值才能进行换档。
Allison的4000系列传动箱是公路用传动箱，是完全按照车辆行走模式进行设计，其换档点的发动机转速一般为1500rpm-1600rpm；5000/6000系列的传动箱主要应用在工程上，其换档点的发动机转速为2100rpm左右，主要考虑发动机在2100rpm左右的扭矩较低，这时传动箱换挡会比较平顺，对设备的冲击较小，有利于延长传动箱和发动机的使用寿命。XJ110修井机配置的是5000系列的传动箱，利用Allison公司提供的软件，通过CAN总线网络的诊断接口对XJ110修井机换档操作时的发动机速度进行监控检测，发现在油门到最大位置时，发动机的转速为2030rpm左右，不能达到自动换档需要的发动机转速。
CAT发动机的额定转速为2100rpm，5000/6000系列的传动箱需要发动机工作在额定转速以上才能进行自动换档。由于四川的修井机长期在山区作业，在进行设备搬迁时，行驶道路多为山路和乡村公路，弯道多，行驶难度大，司机在驾驶车辆中一般不会把发动机的油门加到最大，让发动机的转速超过额定转速，所以司机经常反映行车过程中不能换档。
另外，由于CAT发动机使用一段时间以后，有可能发动机的转速达不到2100 rpm，造成修井机在行驶过程锁定一档，无法正常使用自动换挡模式。
检查台上换档开关的线路，发现从传动箱控制电脑到作业平台换档开关的线路有断路的现象。拆下这段30余米的线束，发现线路中有焊接。当初线束短，进行了连接延长，由于这段线束安装在底盘上，又多次的将线束从作业平台引入驾驶室，使焊接点出现了断路。
2.3解决方法
（1）重新制作一副从驾驶室的传动箱控制电脑到作业平台的线束，导线足够长，中间不用进行焊接延长。保证硬件线路连接可靠。
（2）要正常使用艾里逊传动箱的自动换档，可以有两种方法：
1）可以将发动机的转速提高，让其达到传动箱的自动换档点的转速要求。但调整节气门位置提高发动机转速有限，另外，发动机工作转速太高，对发动机不利，也可能使行车过程不安全，特别是在山路上行车。
2）可以将传动箱的自动换档点的转速设定低一些，在发动机正常工作范围之内。这样一方面可以轻松的实现自动换档，另一方面可以使发动机工作在正常的转速范围，行驶更安全。
考虑实际使用情况，与Allison公司协商，将5000/6000系列的传动箱自动换档点的发动机转速修改为1900rpm。
修改后的电控系统在设备搬迁过程中行车换档正常，作业平台上操作正常。
3应用情况
目前，该控制系统应用在川西钻探公司的9台修井机，它们的配置及应用情况如表1所示。配置5000系列传动箱的修井机，将自动换档时的发动机转速设置为1900rpm，设备在各井队运行良好。
4结论
将应用全自动电控传动箱的川西钻探公司的9台修井机与应用气控传动箱的修井机相比较，它们具有以下优点：
（1）便于实现远控，省去了铺设气路管线和气动装置，简化了机械结构，工作更可靠。
（2）使用全自动电控传动箱，操作方便，让传动箱换档平顺，减少对设备的冲击，可延长发动机及传动箱的使用寿命，提高作业效率。
（3）在修井机上选用工程用全自动电控传动箱时，要考虑到修井机行车的要求，需要设置合适的换档点，可以让修井机在搬迁过程中行车更安全、高效、可靠。
建议在修井机及车载钻机这类既需要作业平台操作，又需要行车的装备上，使用全自动的电控传动箱进行动力的传送及变速。
参考文献：
[1] 中华人民共和国石油天然气行业标准 SY/T5202-2004 石油修井机[S].
[2] CEC2 SAE J1939 COMMUNICATION， Allison Transmission Datalink Communications， October 2006.
关键词：电控传动箱 修井机 Allison CAN总线
中图分类号：TE935 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）001-046-03
石油修井机是由一台或两台动力机驱动绞车和转盘，绞车用动力机、绞车、井架等均安装在汽车载重底盘、专用底盘或牵引式底盘上的石油修井装置。修井机一般配置一台发动机和一台传动箱，通过传动箱的不同取力口，将发动机的动力传送到汽车底盘进行行车，或将发动机的动力传送到井口作业平台进行修井作业。在行车和修井作业时都要进行换档操作，为了简化操作机构及控制方便，一般都选择电控传动箱。Allison全自动电控传动箱有自动电控换档和手动电控换档两种换档模式，具有CAN总线功能，更有利于在修井机上进行远程控制。
1控制系统设计
Allison生产的3000/4000系列传动箱是公路用传动箱，修井机除了修井作业，也需要行车，在一般小吨位的修井机选用该系列的传动箱，目前，对油田50T、60T修井机选用4000系列的传动箱。Allison公司生产的5000/6000系列的传动箱是非公路用传动箱，主要应用在油田、矿山等工程机械上。对油田80T、120T修井机选用该系列的传动箱。选用卡特发动机作动力机。整个修井机的换档控制系统框图如图1所示。
1.1电气原理设计
在驾驶室安装一选择开关，对换档模式进行选择。将第一换档开关安装在驾驶室作行车换档操作，行车用全自动电控换档模式；将第二换档开关安装在作业平台供修井作业换档操作，修井作业用手动电控换档模式。电气原理如图2所示。
汽车底盘在原有的控制电路基础上，增加如下的装置：在驾驶室仪表板上增加一车速表、一只倒档指示灯、一只锁止指示灯、一只台上/台下换档指示灯，在驾驶室增加手动锁止开关及手动锁止允许开关，在进行台上/台下动力输出切换的气控回路安装一只气动开关，作为动力输出的互锁开关。对起动电路作如下修改：在作业平台增加一起动按钮，利用传动箱控制电脑V5引脚输出的信号控制一空档继电器，只有当换档开关处于空档时，空档继电器闭合，驾驶室的点火开关或作业平台上的起动按钮才能控制起动继电器，让发动机工作。整个原理如图3所示。
因为选择的卡特发动机控制系统具有CAN总线功能，所以图2中的节气门位置传感器不必安装，发动机的节气门位置由发动机控制电脑通过CAN总线传送给传动箱电脑控制器。同时，发动机的水温等信息也通过CAN总线发送给传动箱的电脑控制器。为便于观察发动机的转速，分别在驾驶室和发动机控制台安装具有CAN总线接口的转速表。整个系统CAN总线拓扑结构如图4所示。
将传动箱的电脑控制器安装在驾驶室内，第一换档开关和换档选择开关安装在驾驶室内，第二换档开关安装在修井机作业平台，整个修井机换档控制系统在汽车底盘上的线束走向及部件安装布置如图5所示。
1.2系统控制过程
驾驶室内的“换档模式选择”开关可以选择驶室操作还是修井机作业平台操作，具体过程如下：
（1）驾驶室的操作。
将驾驶室内的“换档模式选择”开关置于“台下”位置，该信号送进传动箱的控制电脑，并将传动箱的动力输出切换到汽车底盘驱动车辆。驾驶室行车可实现自动换档。
驾驶室的换档开关有倒档“R”、空档“N”、前进档“D”三个选择，在换档开关上可以设置前进档换档的范围（1-6）。档位选择信息送进传动箱的控制电脑。
在起动发动机时，将换档开关置于空档“N”，该信息送进传动箱控制电脑，图3中的空档继电器触点闭合，才能让起动继电器工作。如果换档开关未置于空档，发动机不能起动。
需要车辆前进时，换档开关选择前进档“D”，此时换档开关的显示器会显示数字“6”，表示车辆在1、2、3、4、5、6档可以自动切换；可以调节显示器上的数字，改变车辆前进中可以自动换档的范围，比如将显示器的数字设置为3，表示在行驶过程中，可以在1、2、3档进行换档。发动机的控制电脑将发动机的转速及油门位置信号通过CAN总线传送给传动箱的控制电脑，踩下油门踏板，当发动机转速达到设定的换档转速时，传动箱控制电脑会控制换档电磁阀组，档位由1档变为2档，如果发动机转速一直保持在该转速以上，则传动箱会升到设定的最高档。当松开油门踏板，发动机转速自动降下来，档位也依次可以降下来。
倒车时，将换档开关置于倒档“R”，传动箱控制电脑会控制换档电磁阀组，使传动箱处于倒档工作状态。
（2）作业平台的操作。
当修井机在井场就位后进行修井作业时，需要在作业平台进行操作。首先将驾驶室内的“换档模式选择”开关置于“台上”位置，并将传动箱的输出切换到台上。在作业平台只能实现手动换档。
在起动发动机时，需要将换档开关置于空档位置；在绞车提升大钩时，根据需要的速度及负荷，将换档开关置于相应的档位，该信号传送给传动箱控制电脑，控制电磁阀组，让传动箱工作在相应的档位；在下放大钩时，将换档开关置于倒档。
2应用中遇到的问题分析
2.1存在的问题
将该换档控制系统应用到川西钻探公司的修井机上，总体情况良好，但在使用一段时间后，两台XJ110修井机存在以下的问题：作业平台上进行修井作业时换档操作正常，但行车时，车辆有时候不能进行换档，只有一个行车档；在设备搬迁过程中，经常将作业台上的换档开关及线束一起引入驾驶室进行操作，作为行车过程中的换档，在设备就位后再将它恢复到台上进行作业。曾有一辆XJ110修井机经过这样换档开关及线束的反复改换，在台上作业时也不能进行正常换档，这严重影响了设备的正常使用和作业队的作业效率。 2.2原因分析
在作业平台上可以进行正常的换档，说明换档电磁阀组及液压回路工作正常。通过前面的系统控制过程分析可以知道，在作业平台进行换档时，传动箱是手动电控换档模式，换档开关选择不同的档位，电磁阀组会使传动箱工作在相应的档位；在行车换档时，传动箱是根据采集的各种信息，按照程序进行自动换档，需要发动机转速达到程序设定的值才能进行换档。
Allison的4000系列传动箱是公路用传动箱，是完全按照车辆行走模式进行设计，其换档点的发动机转速一般为1500rpm-1600rpm；5000/6000系列的传动箱主要应用在工程上，其换档点的发动机转速为2100rpm左右，主要考虑发动机在2100rpm左右的扭矩较低，这时传动箱换挡会比较平顺，对设备的冲击较小，有利于延长传动箱和发动机的使用寿命。XJ110修井机配置的是5000系列的传动箱，利用Allison公司提供的软件，通过CAN总线网络的诊断接口对XJ110修井机换档操作时的发动机速度进行监控检测，发现在油门到最大位置时，发动机的转速为2030rpm左右，不能达到自动换档需要的发动机转速。
CAT发动机的额定转速为2100rpm，5000/6000系列的传动箱需要发动机工作在额定转速以上才能进行自动换档。由于四川的修井机长期在山区作业，在进行设备搬迁时，行驶道路多为山路和乡村公路，弯道多，行驶难度大，司机在驾驶车辆中一般不会把发动机的油门加到最大，让发动机的转速超过额定转速，所以司机经常反映行车过程中不能换档。
另外，由于CAT发动机使用一段时间以后，有可能发动机的转速达不到2100 rpm，造成修井机在行驶过程锁定一档，无法正常使用自动换挡模式。
检查台上换档开关的线路，发现从传动箱控制电脑到作业平台换档开关的线路有断路的现象。拆下这段30余米的线束，发现线路中有焊接。当初线束短，进行了连接延长，由于这段线束安装在底盘上，又多次的将线束从作业平台引入驾驶室，使焊接点出现了断路。
2.3解决方法
（1）重新制作一副从驾驶室的传动箱控制电脑到作业平台的线束，导线足够长，中间不用进行焊接延长。保证硬件线路连接可靠。
（2）要正常使用艾里逊传动箱的自动换档，可以有两种方法：
1）可以将发动机的转速提高，让其达到传动箱的自动换档点的转速要求。但调整节气门位置提高发动机转速有限，另外，发动机工作转速太高，对发动机不利，也可能使行车过程不安全，特别是在山路上行车。
2）可以将传动箱的自动换档点的转速设定低一些，在发动机正常工作范围之内。这样一方面可以轻松的实现自动换档，另一方面可以使发动机工作在正常的转速范围，行驶更安全。
考虑实际使用情况，与Allison公司协商，将5000/6000系列的传动箱自动换档点的发动机转速修改为1900rpm。
修改后的电控系统在设备搬迁过程中行车换档正常，作业平台上操作正常。
3应用情况
目前，该控制系统应用在川西钻探公司的9台修井机，它们的配置及应用情况如表1所示。配置5000系列传动箱的修井机，将自动换档时的发动机转速设置为1900rpm，设备在各井队运行良好。
4结论
将应用全自动电控传动箱的川西钻探公司的9台修井机与应用气控传动箱的修井机相比较，它们具有以下优点：
（1）便于实现远控，省去了铺设气路管线和气动装置，简化了机械结构，工作更可靠。
（2）使用全自动电控传动箱，操作方便，让传动箱换档平顺，减少对设备的冲击，可延长发动机及传动箱的使用寿命，提高作业效率。
（3）在修井机上选用工程用全自动电控传动箱时，要考虑到修井机行车的要求，需要设置合适的换档点，可以让修井机在搬迁过程中行车更安全、高效、可靠。
建议在修井机及车载钻机这类既需要作业平台操作，又需要行车的装备上，使用全自动的电控传动箱进行动力的传送及变速。
参考文献：
[1] 中华人民共和国石油天然气行业标准 SY/T5202-2004 石油修井机[S].
[2] CEC2 SAE J1939 COMMUNICATION， Allison Transmission Datalink Communications， October 2006.