頂驅(qū)傾斜機(jī)構(gòu)的連接耳座受力分析

劉鵬騁

（大慶鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413）

0 引言

頂部鉆井驅(qū)動(dòng)裝置（以下簡(jiǎn)稱頂驅(qū)）自20世紀(jì)80年代問世以來(lái)，由于其顯著提高了石油鉆井作業(yè)的能力和效率，被譽(yù)為近代鉆井裝備的3大成果之一。國(guó)內(nèi)自2004年北京石油機(jī)械廠（現(xiàn)為北京石油機(jī)械有限公司）開始批量生產(chǎn)變頻電驅(qū)動(dòng)DQ70BS頂驅(qū)以來(lái)，北石、寶石、天意、景宏、宏華等石油裝備制造企業(yè)先后開發(fā)了多種型號(hào)頂驅(qū)[1-3]，有效地提升了頂驅(qū)的設(shè)計(jì)制造水平，滿足了國(guó)內(nèi)石油鉆井行業(yè)提速增效的需求。

頂驅(qū)傾斜機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)取送、抓放鉆具的重要機(jī)構(gòu)，是能體現(xiàn)頂驅(qū)優(yōu)勢(shì)的重要機(jī)構(gòu)。各型號(hào)頂驅(qū)的傾斜機(jī)構(gòu)組成大同小異、原理相同。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)傾斜機(jī)構(gòu)及其組成部件的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。蔡正敏等[4-5]對(duì)傾斜機(jī)構(gòu)的傾斜液壓機(jī)構(gòu)臨界載荷進(jìn)行了計(jì)算分析并進(jìn)行精確求解，可以解決設(shè)計(jì)精度問題，但在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用比較復(fù)雜，不能很好地滿足現(xiàn)場(chǎng)需求；韓文潔等[6]基于iSIGHT機(jī)-液耦合對(duì)傾斜機(jī)構(gòu)作了優(yōu)化，同樣是解決了設(shè)計(jì)過(guò)程的機(jī)構(gòu)優(yōu)化問題，不適于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)或者用在傾斜機(jī)構(gòu)問題的解決；肖文生[7]基于矩陣法對(duì)傾斜機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析，驗(yàn)證了傾斜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及不同方法的仿真結(jié)果的正確性，但對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中存在的問題不能解決。因此，需要結(jié)合頂驅(qū)傾斜機(jī)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)際情況和存在的問題，建立一個(gè)能指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和問題解決的有效的簡(jiǎn)易力學(xué)模型。

1 基本情況

頂驅(qū)傾斜機(jī)構(gòu)如圖1所示，其主要由傾斜油缸、吊環(huán)、連接耳座及回轉(zhuǎn)頭（懸掛體）等4部分組成。從圖1中可以看出，傾斜油缸及吊環(huán)懸掛于頂驅(qū)回轉(zhuǎn)頭的兩側(cè)，連接耳座通過(guò)U形卡子（或壓板）固定的吊環(huán)臂上，傾斜油缸的活塞與連接耳座連接。隨著傾斜油缸活塞的移動(dòng)，將推動(dòng)吊環(huán)以其懸掛點(diǎn)為近似圓心的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)吊環(huán)的前后傾，最終帶動(dòng)吊卡實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆具的取送抓放功能。

圖1 頂驅(qū)傾斜機(jī)構(gòu)示意圖

如圖1所示，連接耳座3是通過(guò)U形卡子4上的螺紋連接實(shí)現(xiàn)在吊環(huán)5上的固定。連接耳座作為傾斜機(jī)構(gòu)的重要連接點(diǎn)，起著連接部件、傳遞動(dòng)力的功能。在實(shí)際工況下，由于振動(dòng)、受力變形的存在，以及操作的不規(guī)范等原因，U形卡的螺紋連接會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的失效情況。隨著螺紋連接失效的反復(fù)出現(xiàn)，最終造成了U形卡對(duì)連接耳座的壓緊力不足，從而減小了連接耳座與吊環(huán)之間的摩擦力。在實(shí)際應(yīng)用中就表現(xiàn)為連接耳座沿吊環(huán)臂的上下移動(dòng)竄位，最終影響兩側(cè)吊環(huán)的同步功能，發(fā)生傾斜油缸扭轉(zhuǎn)。傾斜幅度不符合設(shè)計(jì)要求及吊卡出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的情況，進(jìn)而影響傾斜機(jī)構(gòu)抓放鉆具功能的正常使用，而且惡化傾斜油缸的工況，減少傾斜油缸的使用壽命。因此，為了能更好地解決這一問題和對(duì)傾斜機(jī)構(gòu)受力狀況有一個(gè)更加全面的認(rèn)識(shí)，有必要建立一個(gè)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、可行的力學(xué)模型。應(yīng)用此模型同時(shí)可以指導(dǎo)油缸尺寸的設(shè)計(jì)、油缸掛耳與吊環(huán)掛耳相對(duì)位置尺寸設(shè)計(jì)，以及連接耳座在吊環(huán)臂上安裝位置的確定，連接耳座固定螺栓預(yù)緊力大小的確定等方面的需求。連接耳座在傾斜機(jī)構(gòu)中起著連接主從構(gòu)件、傳遞動(dòng)力的作用，因此選擇連接耳座進(jìn)行受力分析并建立力學(xué)模型可以更好地反映整個(gè)傾斜機(jī)構(gòu)的受力狀況，從而方便進(jìn)一步確定傾斜機(jī)構(gòu)其他構(gòu)件的受力狀況。

2 連接耳座處力學(xué)模型的建立

通過(guò)分析傾斜機(jī)構(gòu)的組成及運(yùn)動(dòng)過(guò)程，可知傾斜機(jī)構(gòu)的實(shí)質(zhì)是平面四桿機(jī)構(gòu)，更進(jìn)一步分類為轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)[8]。對(duì)于此類機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律研究得較為透徹，力學(xué)分析也有一定的研究。本文則基于頂驅(qū)傾斜機(jī)構(gòu)實(shí)例，著重分析其連接耳座處隨著傾角變化時(shí)的受力情況。在分析之前，進(jìn)行以下簡(jiǎn)化及假設(shè)：忽略傾斜油缸、吊環(huán)及連接耳座的自重；不計(jì)傾斜油缸、吊環(huán)在懸掛體處的摩擦力；吊環(huán)只做圓周運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)傾斜機(jī)構(gòu)實(shí)際位置及傳動(dòng)關(guān)系，將機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化成圖2所示的平面關(guān)系。圖中O點(diǎn)、O′點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)傾斜油缸鉸接點(diǎn)和吊環(huán)上端懸掛點(diǎn)；O"處為連接耳座簡(jiǎn)化后的鉸接點(diǎn)，O0"、O1"、O2"分別對(duì)應(yīng)傾斜機(jī)構(gòu)初始、前傾及后傾角度位置。吊環(huán)下端及吊卡簡(jiǎn)化為M點(diǎn)，其初始位置、前傾及后傾角度位置分別是M0、M1、M2。OO"為簡(jiǎn)化后的傾斜油缸，OM′為簡(jiǎn)化后的吊環(huán)。

圖2 傾斜機(jī)構(gòu)位置關(guān)系簡(jiǎn)圖

以連接耳座鉸接點(diǎn)為分析對(duì)象，選擇前傾狀態(tài)受力分析如圖3所示。圖3中T為吊環(huán)所抓取管柱后綜合載荷，T1、T2為載荷T的2個(gè)分量；F為傾斜油缸活塞工作產(chǎn)生的推力，F(xiàn)1、F2為推力F的2個(gè)分量；N為回轉(zhuǎn)頭掛耳對(duì)吊環(huán)產(chǎn)生的反作用力。根據(jù)圖3所示受力分析圖，可得如下力平衡關(guān)系式：

式中：l為吊環(huán)懸掛點(diǎn)至連接耳座的距離O′O"，即連接耳座安裝位置；L為吊環(huán)O′M的長(zhǎng)度。

按圖3所示F與F1、F2，T與T1、T2的關(guān)系，以及式（1）和式（2），得：

圖3 傾斜機(jī)構(gòu)受力分析圖

式（8）中，除α外，其余各項(xiàng)對(duì)于任一已經(jīng)投入使用的頂驅(qū)，其值都是確定的。因此，通過(guò)此模型可以在給定的范圍內(nèi)，描述連接耳座處傾斜油缸推力大小，進(jìn)一步可以確定連接耳座與吊環(huán)之間的連接螺栓所需要的預(yù)緊力，以保證連接耳座不與吊環(huán)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。同時(shí)，可以根據(jù)受力情況優(yōu)化l值，即連接耳座固定在吊環(huán)臂上的安裝位置。

3 應(yīng)用

以某在用DQ40頂驅(qū)為分析對(duì)象，應(yīng)用式（8）的已知各參數(shù)值：傾斜油缸和吊環(huán)掛耳的水平距離a為0.255 m；傾斜油缸和吊環(huán)掛耳的掛耳垂直距離b為0.163 m；吊環(huán)長(zhǎng)度L為2.7 m；傾斜角度（前傾）α變化范圍為0°～60°。載荷T值取1 kN，約為100 kg。連接耳座固定在吊環(huán)臂上的位置l值分別取1.1 m、1.2 m、1.3m，然后分別計(jì)算在此位置處推力F與傾角α變化時(shí)的關(guān)系及大小。

將上述參數(shù)輸入數(shù)值計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，并繪制連接耳座在吊環(huán)臂上不同固定位置處時(shí)的推力-傾角關(guān)系圖，如圖4所示。圖4中，縱軸為推力，橫軸為傾角，自上而下分別是連接耳座固定位置1.1 m、1.2 m、1.3 m時(shí)的推力-傾角關(guān)系的曲線。

同時(shí)，在傾角α變化范圍內(nèi)取5個(gè)傾斜點(diǎn)，分別計(jì)算連接耳座固定在吊環(huán)臂上不同位置時(shí)處在不同傾角時(shí)的推力值，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

觀察圖4及分析表1中數(shù)據(jù)可以得出：在任一已經(jīng)確定的連接耳座的情況下，隨著傾角的增大，傾斜油缸的推力也逐漸增大，這與實(shí)際觀察到的液壓系統(tǒng)壓力表數(shù)值變化方向是一致；由圖4還可以明顯地發(fā)現(xiàn)，在傾角一定的情況下，隨著連接耳座在吊環(huán)臂上固定位置l的增加，油缸的所需要的推力是有減小的趨勢(shì)，尤其是在較大的傾角時(shí)，所需推力減小得更為顯著，所以安裝位置應(yīng)當(dāng)盡量放大。

表1 傾斜油缸推力隨連接耳座固定位置及傾角變化的推力值 kN

通過(guò)式（7）可以計(jì)算出傾角α為60°時(shí)，連接耳座固定在吊環(huán)臂上述位置處時(shí)的傾斜油缸與吊環(huán)之間的夾角β的值分別為12.87°、11.90°、11.06°。在設(shè)定載荷T為1 kN的條件下，傾斜油缸的推力產(chǎn)生的平行于吊環(huán)臂作用在連接耳座上的力F2分別為9.79 kN、9.70 kN、9.62 kN?？梢钥闯鰞A斜油缸的推力絕大部分作用在使連接耳座沿吊環(huán)臂滑動(dòng)的方向上。這也就要求連接耳座與吊環(huán)臂之間的靜摩擦力必須不小于上述F2值，才可能使連接耳座固定住。在實(shí)際使用中，尤其是因操作不規(guī)范的原因，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)載荷遠(yuǎn)大于1 kN的情況，這就使得F2值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通過(guò)擰緊螺栓來(lái)設(shè)定的靜摩擦力，從而造成連接耳座在吊環(huán)臂上移動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析頂驅(qū)傾斜機(jī)構(gòu)組成及傳動(dòng)關(guān)系，簡(jiǎn)化出傾斜機(jī)構(gòu)的平面結(jié)構(gòu)，通過(guò)平面結(jié)構(gòu)分析了桿件的傳動(dòng)位置關(guān)系，以及隨著傾角變化連接耳座處的受力情況，據(jù)此建立了吊環(huán)上連接耳座處傾斜油缸推力與隨傾角變化的力學(xué)模型。應(yīng)用此力學(xué)模型可以分析在用頂驅(qū)傾斜機(jī)構(gòu)連接耳座處的受力情況，優(yōu)化連接耳座在吊環(huán)臂上的安裝位置；可以輔助確定連接耳座固定螺栓預(yù)緊力大小，降低連接耳座在吊環(huán)臂上竄動(dòng)的可能；利用合適的軟件求解此力學(xué)模型，可以指導(dǎo)傾斜油缸、掛耳相對(duì)位置尺寸、連接耳座位置等優(yōu)化設(shè)計(jì)。