直升機(jī)吊裝模塊鉆機(jī)底座設(shè)計(jì)與研究

邴通林

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的提高，原油的需求出現(xiàn)供不應(yīng)求的狀況，油價(jià)不斷上漲，世界各國都在加緊尋找并開采新的油藏，其中也包括以前尋找到的、而運(yùn)輸條件不滿足無法開采的油區(qū)，比如一些偏遠(yuǎn)山區(qū)、叢林、島嶼和沙漠腹地。同時(shí)，隨著鉆井工藝技術(shù)的不斷提高，每口井的純鉆井時(shí)間占整個(gè)鉆井周期的比例不斷下降，而拆卸、移運(yùn)、安裝時(shí)間占的比例越來越大，因此要求設(shè)計(jì)出一種拆裝便捷、移運(yùn)高效的鉆機(jī)[1-3]。

由于叢林、沙漠、山區(qū)等地方的運(yùn)輸條件有限制，基本上公路條件差甚至沒有道路，所以公路運(yùn)輸井架在這些地方難以實(shí)施。所以需要研制一種可以通過空中運(yùn)輸鉆機(jī)的方法，由于空中直升飛機(jī)幾何尺寸受限，所以鉆機(jī)必須可拆裝，在對(duì)鉆機(jī)的設(shè)計(jì)，最好的方式是模塊化組合[4-5]。底座作為鉆機(jī)的重要組成部分，底座的可靠直接決定了鉆機(jī)的性能。

1 底座的設(shè)計(jì)與制造

底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的是旋升式結(jié)構(gòu)，在較低的位置進(jìn)行安裝。采用這種設(shè)計(jì)形式的底座有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：此鉆機(jī)整體設(shè)計(jì)中包含的所有臺(tái)面上的各種設(shè)備都可以在底座完成起升并且在低位實(shí)現(xiàn)安裝，并且安裝起來安全方便，當(dāng)井架豎立起來之后，利用底座的起升液虹所提供的動(dòng)力將底座的頂層和鉆臺(tái)的部分（包括井架和臺(tái)面的設(shè)備），這些都整體提升到準(zhǔn)確的工作位置；并且在起升和下放的過程中無需額外將底座拆分成各個(gè)零部件，也無需吊車等其他的起重設(shè)備去完成吊裝底座的零部件，而且在起升和下放過程所花的時(shí)間都比較短，因此這一特點(diǎn)尤為的適用于在沙漠地區(qū)對(duì)于移動(dòng)鉆機(jī)的需求；由于該類的底座中層的結(jié)構(gòu)是平行四邊形，因此還可以輕易設(shè)計(jì)成各種不同的放置高度，適合擺防噴器的需要。

底座分為后臺(tái)橇座和鉆臺(tái)，后臺(tái)橇座分為兩節(jié)橇架組成，主梁為H型鋼，兩節(jié)之間為銷軸連接，為保證橇架質(zhì)量，必須在一個(gè)焊接平臺(tái)上制作，而且采用CO2保護(hù)焊工藝，采用了一些減小變形的工藝方案及必備工裝，從而使焊后變形?。煌ㄟ^這些手段，有效地保證了橇架的制造質(zhì)量和裝配要求。鉆臺(tái)主要分為底座和前后上座幾部分組成，通過銷軸連接，要求焊接時(shí)嚴(yán)格控制變形，保證裝配時(shí)各件連接可靠、無任何干涉現(xiàn)象。由于在焊接時(shí)采用自動(dòng)焊接，在平臺(tái)上用工藝銷軸來保證連接后焊接，所以很好地保證了焊接變形和連接的可靠性，設(shè)計(jì)出的底座結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 底座結(jié)構(gòu)圖

2 底座受壓和受彎桿強(qiáng)度驗(yàn)算

底座中鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)構(gòu)造時(shí)應(yīng)該依照AISC335-89《鋼結(jié)構(gòu)建筑規(guī)范》所要求的許用應(yīng)力來完成設(shè)計(jì)部分，從而來確定設(shè)定的許用單位應(yīng)力。在對(duì)底座構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度的驗(yàn)算過程中，碰到的以軸心受壓和受彎最為普遍。對(duì)軸心受壓和彎曲兩種應(yīng)力的構(gòu)件，應(yīng)該依據(jù)有關(guān)公式對(duì)危險(xiǎn)桿件進(jìn)行校核，如下：

當(dāng)fa/Fa＜0.15時(shí)，可用式（3）代替式（2）和（1）。

上式中 Fa—軸心受到的壓力（Pa）；

Fb—彎曲力引起的壓力（Pa）；

fa—實(shí)際計(jì)算的軸心壓力（Pa）；

fb—實(shí)際計(jì)算的完全引起的壓力（Pa）；

Cm—系數(shù)。

式中 K—懸空長度（m）；

l—實(shí)際懸空長度（m）；

r一圓周半徑（m）；

Cc—細(xì)長比；

E—鋼材的彈性模量，29000；

3 底座模態(tài)分析

在井架的施工過程中底座容易受到轉(zhuǎn)盤等運(yùn)動(dòng)部件的激勵(lì)而振動(dòng)，輕微的振動(dòng)會(huì)讓鉆臺(tái)上施工的工作人員身體不適應(yīng)，當(dāng)這種振動(dòng)激勵(lì)過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致鉆機(jī)整體施工出現(xiàn)誤差，降低井架等重要部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，導(dǎo)致重要零部件失效，直接影響石油鉆機(jī)的整體施工。井架底座具體參數(shù)如表1。

表1 底座主要參數(shù)

根據(jù)圖2～5對(duì)底座的5階模態(tài)振型進(jìn)行分析可以得到，第1階振型時(shí)底座上部位移量較大，逐漸往下，位移量逐漸減小。第2階振型時(shí)底座前部位移量較大，且在前部靠上端部位尤為突出。第3階振型時(shí)底座后部的位移量較大，后部各部位位移量較均衡。第4階振型時(shí)各部分沒有明顯的振動(dòng)變形，尤其底部基本不存在變形，前3階振型在底座上存在大面積的變形，對(duì)底座存在較大影響，而4階振型在底座上基本沒大幅位移，或者自由4階時(shí)存在局部的變形，對(duì)鉆臺(tái)施工沒有影響。觀察該型號(hào)鉆機(jī)的各部分結(jié)構(gòu)，分析鉆機(jī)實(shí)際施工的工作狀態(tài)，該鉆機(jī)絞車等設(shè)備沒有安裝在底座上，所以該部分的振動(dòng)對(duì)于鉆臺(tái)沒有影響。底座上主要有電機(jī)、減速箱、輸出和輸入軸、轉(zhuǎn)盤等。所以可對(duì)底座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，改變底座的固有頻率，或者在實(shí)際的施工過程中調(diào)整轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)盤避開激勵(lì)底座的頻率。

4 鉆機(jī)負(fù)載試驗(yàn)

圖2 底座1階振型

圖3 底座2階振型

圖4 底座3階振型

圖5 底座4階振型

在大鉤負(fù)載為60～80 kN時(shí)，通過發(fā)動(dòng)機(jī)的儀表讀數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與大鉤負(fù)載之間沒有線性關(guān)系，不會(huì)隨著負(fù)載的增加而增加，大鉤負(fù)載由60 kN變?yōu)?10 kN時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有小幅度降低，當(dāng)大鉤的負(fù)載由110 kN增加到120 kN時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開始增加，當(dāng)大鉤負(fù)載大于120 kN時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著大鉤負(fù)載的增加而增加。機(jī)油壓力與轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律類似，與大鉤的負(fù)載之間不存在線性關(guān)系，機(jī)油壓力隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，轉(zhuǎn)速減小時(shí)機(jī)油壓力減小。發(fā)動(dòng)機(jī)水溫與打鉤負(fù)載之間沒有關(guān)系，當(dāng)大鉤壓力為110、120、130 kN時(shí)，水溫值相同，均為89℃，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加水溫增加，但是在大鉤負(fù)載為140 kN時(shí)，水溫存在一個(gè)降低趨勢，大鉤負(fù)載繼續(xù)增加，水溫開始回升，高于小負(fù)載的水溫。具體如表2所示。

表2 正拉發(fā)動(dòng)機(jī)讀數(shù)

5 總結(jié)

（1）對(duì)底座進(jìn)行了選用設(shè)計(jì)，底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的是旋升式結(jié)構(gòu)，在較低的位置進(jìn)行安裝。

（2）給出了底座鋼結(jié)構(gòu)的受壓和彎曲兩種應(yīng)力構(gòu)件計(jì)算方法。

（3）利用ANSYS對(duì)井架的模態(tài)進(jìn)行了分析，提出了可以對(duì)底座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，改變底座的固有頻率，或者在實(shí)際的施工過程中調(diào)整轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)盤避開底座的激勵(lì)頻率的方法。

（4）通過鉆機(jī)負(fù)載試驗(yàn)，對(duì)采用該底座的鉆機(jī)性能進(jìn)行了分析。