新型輪軌式鉆機(jī)平移及底座頂升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高 搏　王浚璞　劉 炯　張 潔　劉迅超

(1. 川慶鉆探工程公司安檢院， 四川 廣漢 618300； 2. 川慶鉆探工程公司設(shè)備處， 成都 610051)

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新型輪軌式鉆機(jī)平移及底座頂升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高 搏1王浚璞2劉 炯1張 潔1劉迅超1

(1. 川慶鉆探工程公司安檢院， 四川 廣漢 618300； 2. 川慶鉆探工程公司設(shè)備處， 成都 610051)

針對(duì)輪軌式鉆機(jī)平移系統(tǒng)需要在低溫、沼澤、沙漠等惡劣環(huán)境下進(jìn)行叢式井鉆井作業(yè)的特點(diǎn)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、平穩(wěn)、快速、安全可靠等因素，研發(fā)設(shè)計(jì)了新型輪軌式鉆機(jī)平移及底座頂升系統(tǒng)。新型輪軌式鉆機(jī)平移系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，操作簡(jiǎn)單可靠，具有良好的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、通用性和安全性。其中，頂升油缸的設(shè)計(jì)中，底座的支撐結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔，底座調(diào)平和起放操作更方便。

叢式井； 輪軌式； 鉆機(jī)平移； 頂升系統(tǒng)； 平移系統(tǒng)

輪軌式鉆機(jī)平移系統(tǒng)能在低溫、沼澤、沙漠等惡劣環(huán)境下進(jìn)行叢式井鉆井作業(yè)，具有經(jīng)濟(jì)、平穩(wěn)、快速、安全可靠的特點(diǎn)，是國(guó)外較惡劣環(huán)境下的叢式井鉆機(jī)普遍采用的配置[1-3]。本次研究針對(duì)輪軌式鉆機(jī)平移系統(tǒng)的更高要求，研發(fā)并設(shè)計(jì)平移及底座頂升調(diào)平系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于，將控制原件集中布置在一個(gè)操作箱內(nèi)，可以通用于其他類(lèi)似鉆機(jī)的頂升平移裝置，且新型頂升油缸的設(shè)計(jì)使底座的支撐結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔，底座調(diào)平和起放操作更加方便[4-8]。

1　系統(tǒng)組成

1.1系統(tǒng)構(gòu)造

系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)圖如圖1。為了方便快速地安裝、運(yùn)輸及操作維護(hù)，將系統(tǒng)構(gòu)造分成了3個(gè)部分：執(zhí)行元件、操作箱和液壓站。

圖1　系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)圖

執(zhí)行元件包括2根平移油缸和4根底座頂升油缸；液壓站主要由油箱、柱塞泵、加油泵、過(guò)濾器、多路閥組和電控箱等裝置組成；操作箱主要元器件包括1組五片多路閥、1組四聯(lián)同步馬達(dá)、5個(gè)單向節(jié)流閥和2個(gè)三通球閥等。頂升油缸上有4個(gè)鎖緊螺母，當(dāng)?shù)鬃斏轿徊⒄{(diào)平以后，將鎖緊螺母旋轉(zhuǎn)至缸筒端面鎖緊，以支撐底座。

1.2頂升和平移系統(tǒng)

圖2所示為頂升和平移系統(tǒng)原理圖。底座頂升的液壓系統(tǒng)中，液壓站提供液壓動(dòng)力油，操作5片多路閥組的第1片閥；壓力油經(jīng)過(guò)四聯(lián)同步馬達(dá)等量分流后，依次供給4個(gè)底座油缸7-1、7-2、7-3、7-4，使其同步伸縮，當(dāng)油缸之間的位移同步誤差超過(guò)允許值時(shí)，分別操作多路閥組的其他4片閥，可對(duì)油缸進(jìn)行單獨(dú)伸縮控制，從而保證底座的同步起放。

當(dāng)鉆機(jī)平移時(shí)，應(yīng)將三通球閥5-1、5-2切換到另一個(gè)工位，再拔掉油缸7-1、7-2的管線，將其連接到平移油缸6-1、6-2上。液壓站提供液壓動(dòng)力油，操作5片多路閥組中的第1片閥，壓力油經(jīng)過(guò)四聯(lián)同步馬達(dá)實(shí)現(xiàn)等量分流。由于平移油缸僅有2只，為了共用同步馬達(dá)，使四聯(lián)馬達(dá)a、c并聯(lián)供給平移油缸6-1，四聯(lián)同步馬達(dá)b、d并聯(lián)供給平移油缸6-2，平移油缸6-1、6-2并同步伸縮。當(dāng)兩油缸之間的位移同步誤差超過(guò)允許值時(shí)，分別操作多路閥組的第2、第3片閥，可對(duì)油缸進(jìn)行單獨(dú)伸縮控制，從而保證其平移同步。

1 — 控制閥組；2 — 壓力表；3 — 單向節(jié)流閥；4 — 四聯(lián)同步馬達(dá)；5 — 三通球閥；6 — 平移油缸；7—底座頂升油缸

1.3同步控制系統(tǒng)

常規(guī)同步回路中普遍采用的是節(jié)流同步回路，同步精度受油溫和負(fù)載的影響較大，同步性能較差。本系統(tǒng)采用容積式同步回路，4個(gè)液壓馬達(dá)通過(guò)同一根軸實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接，以同一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，將相同的流量送入4個(gè)液壓缸，從而實(shí)現(xiàn)4缸同步。容積式同步回路的同步精度取決于液壓馬達(dá)的容積效率，便載所造成的壓差不影響送入油缸的流量，只影響微量的壓縮和泄漏[9]。

底座頂升時(shí)液壓油經(jīng)同步馬達(dá)一分為四，以等流量控制4只油缸的伸縮；鉆機(jī)平移時(shí)液壓油經(jīng)同步馬達(dá)一分為二，以等流量控制2只油缸的伸縮。當(dāng)測(cè)量到伸縮誤差超過(guò)允許值時(shí)，手動(dòng)操作補(bǔ)償閥，可消除位移誤差。

2　液壓系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算

液壓泵的額定工作壓力，主要根據(jù)液壓系統(tǒng)壓力、壓力損失和壓力儲(chǔ)備系數(shù)等因素來(lái)綜合計(jì)算。液壓站平時(shí)主要工況的作用是為鉆臺(tái)的機(jī)具提供動(dòng)力源[10]。根據(jù)主要液壓機(jī)具 —— 鉆桿動(dòng)力鉗的參數(shù)要求，確定系統(tǒng)的壓力和流量：鉆桿動(dòng)力鉗的額定流量114Lmin；鉆桿動(dòng)力鉗的額定壓力16.6MPa。

液壓泵的額定工作壓力按式(1)計(jì)算：

pB=K(p+∑Δp)

(1)

式中：pB—— 液壓泵的額定工作壓力，MPa；

K —— 液壓泵壓力儲(chǔ)備系數(shù)，K=1.1；

p —— 液壓系統(tǒng)工作壓力，p=16.6MPa;

∑Δp —— 系統(tǒng)的總壓力損失，包括管路沿程阻力損失和液壓元件局部阻力損失，0.5MPa。

計(jì)算得到PB為18.8MPa，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圓取整為19MPa。

液壓泵的額定工作流量按式(2)計(jì)算：

QB=KQ大鉗

(2)

式中：QB—— 液壓泵的額定工作流量，m3s；

K —— 漏損系數(shù)，K=1.1；

計(jì)算得到QB為2.09×10-3m3s。由此計(jì)算出泵的排量；此處預(yù)估泵的額定轉(zhuǎn)速n為1 480rmin。于是算得q為84.7cm3/r。

液壓泵的理論驅(qū)動(dòng)功率：

(3)

式中：ψ —— 轉(zhuǎn)換系數(shù)，這里取ψ=1；

ηB—— 液壓泵的總效率，取ηB=0.90。

計(jì)算得到NB=44.12kW,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圓取整為45kW。

根據(jù)泵的PB、q、n參數(shù)選擇液壓泵，使其滿足輪軌式鉆機(jī)的耐低溫要求。

3　頂升油缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算

3.1頂升油缸的結(jié)構(gòu)

圖3所示為頂升油缸安裝示意圖。當(dāng)?shù)鬃煌巾斏轿缓螅謩?dòng)操作單片閥對(duì)單只油缸進(jìn)行伸縮調(diào)整，很容易調(diào)節(jié)底座水平，再旋緊機(jī)械鎖緊螺母，4根油缸和4個(gè)千斤頂作為底座的支腿支撐底座工作，省去了常規(guī)輪軌式平移系統(tǒng)須用到的12個(gè)千斤頂，避免了繁瑣的水平調(diào)節(jié)步驟。這樣的設(shè)計(jì)對(duì)頂升油缸提出了較高的設(shè)計(jì)條件：(1)油缸雙作用，桿端帶機(jī)械鎖緊螺母；(2)工作壓力為16MPa，耐壓為24MPa； (3)推力為1 500kN;(4)行程≥500mm。

要跳出循環(huán)的怪圈，“蘇聯(lián)人”首先要“學(xué)習(xí)不再依靠偉大思想活下去”。但這是非常困難的?！岸謺r(shí)間”的出現(xiàn)恰恰顯現(xiàn)出“蘇聯(lián)人”對(duì)舊價(jià)值無(wú)法自控的依賴和新價(jià)值重建的艱難。

圖3　油缸安裝示意圖

根據(jù)以上條件，將頂升油缸設(shè)計(jì)成如圖4所示的結(jié)構(gòu)形式?？紤]到桿端帶機(jī)械鎖緊螺母，且頂升油缸主要承受推力，拉力作用主要是收縮油缸時(shí)克服油缸自重，拉力較??；因此，將圖中的1、2、4個(gè)端面都設(shè)計(jì)成油缸推力的液力作用面，拉力的液力作用面為圖中的端面3。這樣設(shè)計(jì)，可使油缸的結(jié)構(gòu)非常緊湊，大大縮小了缸筒的直徑。

圖4　頂升油缸結(jié)構(gòu)圖

普通的頂升油缸一般設(shè)置有雙向液壓鎖，用于起升時(shí)防止系統(tǒng)出現(xiàn)故障而導(dǎo)致的油缸下滑和平移時(shí)的活塞桿下滑。如果按圖4所示的結(jié)構(gòu)加雙向液壓鎖，當(dāng)空載試驗(yàn)油缸，無(wú)桿腔進(jìn)油，有桿腔出油的液壓鎖需要無(wú)桿腔進(jìn)油管線一定的壓力才能打開(kāi)，且開(kāi)和關(guān)之間不穩(wěn)定。這樣就容易造成缸筒和活塞桿成為一體，桿腔無(wú)進(jìn)油就會(huì)拉壞防拉螺母。因此，僅在無(wú)桿腔設(shè)置了液壓鎖，防止系統(tǒng)出現(xiàn)故障而使油缸下滑；在平移時(shí)，旋緊鎖緊螺母，再擰好保險(xiǎn)螺栓，活塞也不會(huì)下滑。

3.2頂升油缸的計(jì)算

3.2.1油缸推力的驗(yàn)算

F=(A1p-A2p0)ηm

(4)

式中：F —— 活塞桿的實(shí)際推力，kN；

A1—— 液壓缸活塞的有效作用面積，包括圖4所示的1、2、4端面；

A2—— 液壓缸有桿腔的有效作用面積，包括圖4所示的端面3；

p —— 液壓缸的工作壓力，16MPa；

p0—— 液壓缸的回油背壓力，0.5MPa；

ηm—— 液壓缸的機(jī)械效率，0.95。

在此，F(xiàn)計(jì)算結(jié)果為1 556kN，符合油缸的推力設(shè)計(jì)要求。

3.2.2缸筒壁厚的計(jì)算

(5)

式中：δ —— 缸筒壁厚，最大標(biāo)準(zhǔn)為28.5mm;

D —— 缸筒內(nèi)徑，mm；

pmax—— 最高許用壓力，24MPa；

σs—— 缸筒材料的屈服強(qiáng)度，缸筒選用低溫材料Q345E，選取σs為325MPa；

N —— 安全系數(shù)，這里取2.0。

在此計(jì)算出δ為23.9mm，符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.3活塞桿穩(wěn)定性的計(jì)算

活塞桿的彎曲穩(wěn)定性可以根據(jù)式(6)(歐拉公式)計(jì)算：

(6)

式中：FK—— 活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界載荷；

E —— 活塞桿材料的彈性模數(shù)，0.21TPa;

J —— 活塞桿橫截面慣性力矩，3×10-4N·m;

F —— 活塞桿的最大工作負(fù)載,單缸負(fù)載壓力為1 500kN；

R —— 安裝及導(dǎo)向系數(shù)，0.5；

LB—— 安裝距，400mm；

nK—— 安全系數(shù)，一般取3.5。

在此計(jì)算出，F(xiàn)K=15.5GN，F(xiàn)KnK=4.4GN；，符合穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求。

4　結(jié)　語(yǔ)

新型輪軌式鉆機(jī)平移及底座頂升系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案綜合考慮了各方面的因素，使輪軌式平移鉆機(jī)在低溫、沼澤、沙漠等惡劣環(huán)境下更能有效地實(shí)施叢井鉆井作業(yè)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于搬遷，操作簡(jiǎn)便。在進(jìn)行頂升工況和平移工況的切換時(shí)，只需切換操作箱面板上的球閥和油缸上的管線，頂升和平移時(shí)都可進(jìn)行同步和單缸補(bǔ)償?shù)牟僮?。新型頂升油缸的設(shè)計(jì)使底座的支撐結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔，底座調(diào)平和起放操作更方便。此系統(tǒng)具備良好的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、通用性和安全性。

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TheNewWheel-TrackRigSkiddingandJackingSystemDesign

GAO Bo1WANG Junpu2LIU Jiong1ZHANG Jie1LIU Xunchao1

(1.Safety and Environment Quality Surveillance Research Institute, CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co.Ltd.,GuanghanSichuan618300,China; 2.FacilityDivisionofCNPCChuanqingDrillingEngineeringCo.Ltd.,Chengdu610051,China)

Theclusterwelloperationofrigskiddingsystemshouldadapttosevereenvironmentssuchaslowtemperature,swamp,desertandetc.,soanewtypewheel-trackrigskiddingandjackingsystemisdesignedinthispaper,consideringvariousfactorswhichincludecost,stability,speed,safetyandsoon.Thenewdesignfocusesondesignandcheckofhydraulicsystemandjackupcylinder,whichiseasytooperateandfeaturingeconomy,reliability,versatilityandsafety.Thedesignofthejackingcylindersimplifiesthesupportingstructureofsubstructure,andfacilitatesthelevelingandthejackingofsubstructure.

clusterwell;wheel-track;rigskiddingsystem;jackingsystem;movingsystem

2016-01-05

國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目“深水鉆機(jī)與管柱自動(dòng)化處理關(guān)鍵技術(shù)研究”(2012AA09A203)

高搏(1979 — )，男，工程師，西南石油大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槭豌@機(jī)監(jiān)理、檢驗(yàn)及評(píng)估。

TH137.9

A

1673-1980(2016)04-0085-04