全旋轉(zhuǎn)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具懸架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫 鵬，白儒林，孫龍歡，侯香港

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

全旋轉(zhuǎn)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具是用于垂直鉆井的一種相對(duì)比較前沿的鉆井工具［1-3］，可以在工作時(shí)實(shí)時(shí)對(duì)井斜角進(jìn)行監(jiān)控和校正，達(dá)到垂直鉆井的目的，其所鉆出井眼的垂直度是衡量垂直鉆井工具精度的一個(gè)重要指標(biāo)，越是先進(jìn)的垂直鉆井工具鉆出來的井眼垂直度越高，井眼質(zhì)量也越好［4］。

振動(dòng)是影響垂直鉆井工具工作精度的一個(gè)非常重要的因素［5］，振動(dòng)會(huì)使得工具的測(cè)量精度大大降低，工具本身也易產(chǎn)生疲勞強(qiáng)度降低、聯(lián)結(jié)失效，使工具壽命降低、影響鉆井的精度，并最終會(huì)影響井身質(zhì)量。

自動(dòng)垂直鉆井工具減振研究的趨勢(shì)為盡可能降低電子倉(cāng)電子元件所受到的振動(dòng)，來自于外殼的振動(dòng)會(huì)通過懸架機(jī)構(gòu)傳遞到穩(wěn)定平臺(tái)上，進(jìn)而傳遞到內(nèi)筒［6］，內(nèi)筒內(nèi)部一般設(shè)置有減振墊片或者減振彈簧，這些常規(guī)的減振措施目前研究的已經(jīng)很深入了，未來的發(fā)展方向一定是想辦法在振動(dòng)傳遞的過程中降低振動(dòng)給工具所帶來的影響。

目前出現(xiàn)的懸架機(jī)構(gòu)都是通過剛性連接將外殼與內(nèi)筒連接起來，沒有考慮在振動(dòng)傳遞的這個(gè)過程中實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的抑制［1，7］。本文設(shè)計(jì)了一種用于全旋轉(zhuǎn)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具的懸架機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有減振裝置，可以有效抑制振動(dòng)向著電子倉(cāng)傳遞，進(jìn)而保證電子倉(cāng)電子元件的測(cè)量精度。通過對(duì)傳統(tǒng)懸架機(jī)構(gòu)的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)在懸架機(jī)構(gòu)上減振，采用在外殼與內(nèi)筒之間添加彈簧，通過動(dòng)力吸振的原理和方法使得來自外殼的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢(shì)能，降低振幅。

1 全旋轉(zhuǎn)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具結(jié)構(gòu)及工作原理

全旋轉(zhuǎn)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具主要由外筒、全密封懸架支撐單元、渦輪發(fā)電機(jī)單元、測(cè)控與存儲(chǔ)單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元、液壓分配單元等組成。工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示［8］。

圖1 全旋轉(zhuǎn)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具結(jié)構(gòu)圖

工具外筒1 通過螺紋連接于鉆桿上，全密封支撐單元2、6 將工具內(nèi)筒懸掛起來，并且通過螺釘與外筒相連接，上渦輪發(fā)電機(jī)3 主要用于發(fā)電，為測(cè)控與存儲(chǔ)單元4 提供電力，下渦輪發(fā)電機(jī)5 有兩個(gè)作用：一是為測(cè)控與存儲(chǔ)單元4 提供電力，二是作為扭矩發(fā)生器，為液壓分配單元提供所需的扭矩。執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元?jiǎng)t是完成測(cè)控與存儲(chǔ)單元4 發(fā)出的指令，對(duì)井斜角實(shí)時(shí)控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源為鉆井液，而流入執(zhí)行機(jī)構(gòu)矩形推力板10 的液壓腔室中的流量大小主要由液壓分配單元控制。

全旋轉(zhuǎn)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具屬于動(dòng)態(tài)推靠式垂直鉆井工具［9］，在鉆進(jìn)過程中，通過三個(gè)矩形推力板擊打井壁來對(duì)井斜角進(jìn)行調(diào)整。三個(gè)矩形推力板沿著工具外壁呈120 °分布，并且分別由三個(gè)執(zhí)行活塞控制。在工具下井之前，將計(jì)算機(jī)編好的程序輸入測(cè)控與存儲(chǔ)單元，整個(gè)工具連接在鉆桿上并由轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)隨著鉆柱一塊旋轉(zhuǎn)［10］。

當(dāng)測(cè)控與存儲(chǔ)單元的傳感器檢測(cè)到井斜角超出一定的范圍后，井下小閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)控制鉆井液向著井眼高邊方向流動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)井眼高邊方向的執(zhí)行活塞，使得矩形推力板在轉(zhuǎn)動(dòng)到井眼高邊方向時(shí)伸出，此時(shí)，鉆柱會(huì)發(fā)生傾斜，鉆頭會(huì)向著井眼低邊方向切削，達(dá)到糾斜的目的［11］。

當(dāng)井斜沒有超出設(shè)定的范圍時(shí)，在井下小閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制下［12］，鉆井液依次均勻的流入三個(gè)執(zhí)行活塞所在的腔室，三個(gè)矩形推力板交替推靠井壁，從而達(dá)到一個(gè)穩(wěn)斜的目的［13］。

2 懸架系統(tǒng)主要作用

懸架系統(tǒng)是全旋轉(zhuǎn)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具中不可缺少的一個(gè)結(jié)構(gòu)，它支撐著整個(gè)穩(wěn)定平臺(tái)，同時(shí)也為控制軸的旋轉(zhuǎn)提供自由度，全密封懸架支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就本質(zhì)是一個(gè)軸承保護(hù)器，它將主軸承組完全密封起來，保證主軸承組不受鉆井液的侵蝕，降低了主軸承組的磨損，提高了主軸承的使用壽命，因?yàn)橹鬏S承組是整個(gè)工具中比較容易損壞的零件，同時(shí)，主軸承組的磨損會(huì)降低控制軸的旋轉(zhuǎn)精度，影響井眼質(zhì)量，因此，將主軸承組密封起來，做成這種全密封懸架支撐可以提高軸承的使用壽命，進(jìn)而提升整個(gè)工具的使用壽命［8］。

3 懸架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 控制軸的設(shè)計(jì)

控制軸將懸架機(jī)構(gòu)的各個(gè)零件串聯(lián)起來，上控制軸主要是為渦輪發(fā)電機(jī)提供旋轉(zhuǎn)自由度，下控制軸則主要是為了傳遞扭矩，將下渦輪大電機(jī)的扭矩傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)時(shí)對(duì)井斜角進(jìn)行修正。整個(gè)零件的振動(dòng)最終都要傳遞到控制軸上，因此對(duì)控制軸進(jìn)行設(shè)計(jì)的主要依據(jù)就是根據(jù)最大動(dòng)載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制軸承受的主要載荷為軸向振動(dòng)載荷，控制軸的最小直徑D 滿足抗拉強(qiáng)度公式：

式中：D為控制軸的直徑，；F 為控制軸的軸向動(dòng)載荷，N；d為控制軸內(nèi)孔直徑，mm；［n］為安全系數(shù)；σb為控制軸的抗拉剛度，MPa。

圖2 為控制軸的三維模型結(jié)構(gòu)圖，中間的孔主要是為了通訊線路以及導(dǎo)線的鋪設(shè)。

圖2 控制軸結(jié)構(gòu)圖

3.2 軸承組裝配設(shè)計(jì)

全旋轉(zhuǎn)自動(dòng)垂直鉆井工具懸架機(jī)構(gòu)控制軸除了主要承受軸向的拉力或者壓力之外，還應(yīng)該可以承受一定的徑向載荷，因此在進(jìn)行軸承組的選擇時(shí)應(yīng)該考慮以承受軸向載荷為主，同時(shí)可以承受少量的徑向載荷，因此選擇軸承組由三個(gè)軸承組成，分別為兩個(gè)推力球軸承和一個(gè)深溝球軸承［14］。其軸承組的裝配結(jié)構(gòu)半剖圖如圖3所示。

圖3 軸承組裝配設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)半剖視圖

整個(gè)軸承組處于一個(gè)完全密封的環(huán)境之中，上面通過護(hù)帽、鎖緊螺母、壓蓋等裝置實(shí)現(xiàn)軸承組上端的密封。在深溝球軸承的下方設(shè)置有壓力腔室，主要有兩個(gè)作用，第一是實(shí)現(xiàn)軸承組的下端密封，其二，主要是平衡整個(gè)懸架機(jī)構(gòu)內(nèi)部與井底的壓力，在工作時(shí)，壓力彈簧會(huì)隨著井深的增加而不斷被壓縮，從而保證整個(gè)機(jī)構(gòu)內(nèi)部的壓力時(shí)刻保持與井底壓力的平衡。

3.3 減震系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)工具所受到的振動(dòng)首先會(huì)傳遞到工具的外殼上面，進(jìn)一步通過外殼與內(nèi)筒之間的連接螺釘傳遞到工具穩(wěn)定平臺(tái)，影響電子倉(cāng)內(nèi)部電子元件的正常運(yùn)行，因此，在振動(dòng)的傳播鏈中設(shè)計(jì)減振結(jié)構(gòu)可以有效降低骨架所受到的振動(dòng)，提高工具運(yùn)行的穩(wěn)定性和測(cè)控的準(zhǔn)確性。

本文所設(shè)計(jì)的工具減震系統(tǒng)采用動(dòng)力吸振的原理及方法，假設(shè)工具所受到的載荷為一定頻率的恒定交變載荷時(shí)，以工具外殼為參考對(duì)象，也就是將鉆柱作為主系統(tǒng)，穩(wěn)定平臺(tái)作為吸振器的質(zhì)量源，只需要在外殼與穩(wěn)定平臺(tái)之間加裝彈簧即可構(gòu)成一個(gè)完整的動(dòng)力吸振結(jié)構(gòu)。

假設(shè)外殼所受到的激勵(lì)為，穩(wěn)定平臺(tái)的重量為，鉆柱作用于外殼與內(nèi)筒連接螺釘?shù)挠行з|(zhì)量為，作用于工具外殼的彈性系數(shù)為，所安裝彈簧的彈性系數(shù)為，為工具外殼的位移，為穩(wěn)定平臺(tái)的位移，則根據(jù)動(dòng)力吸振的原理有：

在實(shí)驗(yàn)?zāi)M階段通過激振的方法人為制造振動(dòng)，模擬井下各種工作狀況，進(jìn)而通過式求出不同的鉆井工況下所安裝彈簧的彈性系數(shù)，在求出減振彈簧的彈性系數(shù)之后就可以選擇合適的彈簧，從而盡可能降低振動(dòng)向著內(nèi)筒傳遞。圖4 為本文所設(shè)計(jì)的一種減振結(jié)構(gòu)，其工作的基本原理是將外界的振動(dòng)載荷轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢(shì)能，減少工具電子倉(cāng)所受到的振動(dòng)。振動(dòng)從外殼1 通過螺釘6 傳遞到減振連接塊4 上，進(jìn)而通過減振推桿2 傳遞到減振彈簧5 上，實(shí)現(xiàn)振源本身強(qiáng)度的降低，使得來自于外筒的振動(dòng)載荷盡可能少的傳遞到穩(wěn)定平臺(tái)上。

圖4 減振機(jī)構(gòu)示意圖

3.4 三維結(jié)構(gòu)示意圖

懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由控制軸4、軸承組、軸承壓蓋3、鎖緊螺母2、護(hù)帽1、活塞12、預(yù)壓彈簧15、懸架外殼10、油塞等部件組成。穩(wěn)定平臺(tái)通過控制軸懸掛起來，軸承組則為控制軸提供旋轉(zhuǎn)自由度，軸承組下部固定在軸肩上，上部則使用軸承壓蓋壓住，并通過鎖緊螺母將其與控制軸使用螺紋相連接，最后蓋上護(hù)帽防止雜質(zhì)進(jìn)入，軸承組下部設(shè)置壓力腔室，通過活塞和預(yù)壓彈簧保證軸承組內(nèi)部的壓力在設(shè)定的數(shù)值。整個(gè)懸架機(jī)構(gòu)的密封方式選用靜密封。懸架機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示。

圖5 懸架機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)示意圖

全旋轉(zhuǎn)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具有兩個(gè)懸架機(jī)構(gòu)，上懸架和下懸架機(jī)構(gòu)，兩個(gè)懸架機(jī)構(gòu)將穩(wěn)定平臺(tái)支撐起來，一般分為下壓式和上掛式兩種裝配方式，圖6 為上懸架機(jī)構(gòu)零件裝配示意圖。

圖6 懸架機(jī)構(gòu)零件裝配示意圖

上、下懸架機(jī)構(gòu)將穩(wěn)定平臺(tái)懸掛起來，此時(shí)由于減震機(jī)構(gòu)的存在，內(nèi)筒會(huì)隨著外部振動(dòng)的變化而處于一個(gè)受壓或者受拉的狀態(tài)。傳統(tǒng)的懸架機(jī)構(gòu)內(nèi)筒受力狀態(tài)自設(shè)計(jì)好之后基本就固定了，而裝有減震機(jī)構(gòu)的懸架機(jī)構(gòu)可以通過彈簧抑制內(nèi)筒的振動(dòng)，降低振幅，提高整個(gè)垂直鉆井工具的工作精度。

3.5 控制軸強(qiáng)度校核

使用Ansys對(duì)控制軸進(jìn)行強(qiáng)度校核［15，16］，控制軸主要承受的載荷為軸向振動(dòng)載荷，在這里取軸向最大振動(dòng)載荷為14 G，其中G 表示穩(wěn)定平臺(tái)的質(zhì)量（忽略控制軸的質(zhì)量）。表1為某推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具結(jié)構(gòu)參數(shù)

利用SolidWorks對(duì)控制軸進(jìn)行建模，并導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行靜力學(xué)仿真，選定控制軸的材料為40CrNiMo（抗拉強(qiáng)度），將控制軸上端固定，下端施加軸向拉力40 659 N，計(jì)算結(jié)果如圖7，得出控制軸的的最大等效應(yīng)力為140.41 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

圖7 控制軸應(yīng)力云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從減振的角度出發(fā)，在傳統(tǒng)懸架機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了一種用于自動(dòng)垂直鉆井的全密封懸架機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)內(nèi)部充滿潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油處于壓力腔室之中，可以有效避免雜質(zhì)進(jìn)入軸承組，最大程度地保護(hù)了軸承組，為軸承組提供了良好的工作環(huán)境，提高了軸承組的使用壽命，也保證了主軸的旋轉(zhuǎn)精度。另外，該裝置還設(shè)計(jì)有減振裝置，采用動(dòng)力吸振的原理有效地隔絕來自于外殼的振動(dòng)，降低骨架上面電子元件所受到的振動(dòng)。最后，本文針對(duì)一種具體的鉆井工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)利用ANSYS對(duì)控制軸進(jìn)行強(qiáng)度校核，結(jié)果表明所受到的最大等效應(yīng)力為140.41 MPa，滿足強(qiáng)度要求。