4臺液壓馬達驅動的海洋鉆井支撐轉盤研制*

楊西萍，魏孔財

(蘭州蘭石國民油井石油工程有限公司，甘肅 蘭州 730050)

1 引言

由于海洋鉆井大功率頂驅的使用，已不需要轉盤按鉆井工況設計轉速，在下隔水管、懸持鉆具、活動鉆具時，要求轉盤具有較大的支撐能力和通孔直徑，較高的扭矩和較低的轉速。另外，常規機械驅動轉盤和電驅動轉盤傳動鏈長、整機質量大，扭矩小，鉆井效率低，而液壓驅動支撐轉盤則不同，具有較大支撐能力和通孔直徑，較高的扭矩。目前，德國WIRTH公司有RTSSXX-H系列液壓驅動支撐轉盤，美國NATIONAL OILWELL VARCD公司有RST系列液壓驅動支撐轉盤［1］。兩種系列的轉盤無論是在結構上，還是在液壓系統及控制形式上都各不相同。國內其他幾個有能力的制造商近幾年也設計了高速馬達和減速器安裝在常規轉盤輸入軸端的轉盤，筆者的公司也在直升機吊裝鉆機上曾經開發使用過。但國內還沒有廠家設計與常規轉盤不一樣的液壓驅動支撐轉盤。經過大量的調研和論證，確定此種產品具有廣泛的市場前景，屬于可開發項目。

2 液壓驅動支撐轉盤常規用途

(1)與頂驅一同使用，配套液壓卡瓦，上卸扣時可產生120 000英尺/磅(163 200 N·m)的扭矩;

(2)使用頂驅鉆井時，液壓支撐轉盤可緩慢地定位鉆頭到任一方向進行定位鉆井(0～5 r/min);

(3)下套管時緩慢旋轉避免卡鉆，卡鉆保持在5～15 r/min［2］。

3 主要技術參數

(1)轉盤機械部分 通孔直徑為1 257.3 mm(49.5 in);最大靜載荷為9 000 kN;最大工作扭矩為62 560 N·m;最高轉速:25 r/min;齒輪傳動比:6.75。單排四點接觸球式回轉支承(外齒式)。

(2)液壓系統 液壓馬達型號:119～1 043(伊頓);馬達排量:940 cm3/r(57.4 in3/r);連續流量:170×4=680 LPM(45×4=180 GPM);扭矩(最高)為:2 700 N·m(23 910 ib-in);扭矩(連續):1 625 N·m(14 400 ib-in);最高轉速:173 r/min;最高壓力:21 MPa(3000 Psi);最高轉速:784 r/min;安裝型式:四孔法蘭。

4 結構特點及工作原理

液壓驅動支撐轉盤(見附圖)，主要由機座、轉臺(主補心裝置)、回轉支承(主軸承)、液壓驅動快速軸總成、液壓聯鎖制動裝置(旋轉制動和線制動)、集液環(配套使用液壓卡瓦)、上蓋等零部件組成。轉盤是通過四個液壓馬達齒輪驅動回轉支承大齒圈來實現鉆桿的旋轉工作。為提高大齒圈的承載能力，采用模數較大的漸開線圓柱直齒齒輪。齒輪及軸承均采用脂潤滑潤滑(管線接入，集中潤滑)。

液壓驅動支撐轉盤是采用先進的閉式液壓控制系統和PLC遠程來控制的。轉盤的機座是板焊組合件，其機座主要是用做支承和齒輪與軸承的閉式防塵。轉臺是用4個液壓馬達齒輪驅動大齒圈來轉動的，轉臺與機座間采用迷宮結構，并在轉臺圓周有一整體集液環，以防止泥漿進入機座內。轉盤的通孔直徑、主補心的有關配合尺寸均符合API 7K規范的要求。轉盤的主補心內部1∶3的錐面直通頂面，這樣長、短卡瓦均能使用。其配套補心等附件均能與常規轉盤通用。

配備的PLC遠程控制系統，可對驅動轉盤的四個液壓馬達進行同步控制。還可與液壓卡瓦配套使用，保證卡瓦的穩定性，傳遞較大的扭矩，且易于實現過載保護，提高安全性能，更好的滿足海洋鉆井工藝的實際需要。

圖1 轉盤機械部分結構簡圖

5 機械部分主要承載件的選擇

5.1 回轉支承(轉盤軸承)的選擇

軸承的選擇首先應能滿足產品結構和使用性能的需要，其次也要考慮到軸承的設計和供貨條件。在滿足產品結構和使用性能的前提下盡量選用已生產過的現有的軸承模式，這樣軸承的質量比較可靠，成本低，交貨期易保證。

但此次軸承的選擇不光要考慮以上問題，還跟以往常規轉盤用石油機械行業的軸承不同，屬于跨行業計算選型。

依據JB/T10839-2008《建筑施工機械與設備-單排球式回轉支承》;選型計算方法附錄A:最大靜載荷C0=f0×d20×sinα。

當α=50°時，C0=14 586.6 kN＞13 500 kN;單排球式回轉支承選型應滿足下式要求:C0/Cp≥fs。

5.1.1 回轉支承承載特點

回轉支承是一種能夠同時承受較大的軸向負荷、徑向負荷和傾覆力矩等綜合載荷的大型特殊結構軸承。通常，自身帶有安裝孔，潤滑油孔和密封裝置，可以滿足各種不同工況條件下各類主機的不同需求。轉盤軸承本身具有結構緊湊、引導旋轉方便、安裝簡便和維護容易等特點。

此次選用的回轉支承是單排4點接觸球式軸承。4點接觸球轉盤軸承具有較高的動負荷能力。軸承的內圈與轉盤機座的承載座圈用螺栓連接，承受鉆桿柱和套管柱的全部負荷，軸承外圈為齒輪，用螺栓連接轉臺裝置，被液壓馬達所帶動的4個小齒輪驅動。

5.1.2 回轉支承的潤滑

回轉支承在重載低速的工況條件下工作，采用充填潤滑脂的潤滑型式對軸承施以潤滑，潤滑脂是鋰基潤滑脂。軸承的內圈對稱部位有四個潤滑油杯，定期遠程對油杯進行注油，以潤滑鋼球軌道。

5.1.3 回轉支承的密封

回轉支承的密封是為了防止已充填的潤滑脂向外泄漏，同時也防止外界的塵埃、雜質及水份侵入軸承內部而影響正常工作。由于回轉支承處于重載低速下工作，故軸承的密封型式采用橡膠密封圈密封和迷宮式密封兩種結構。

5.2 液壓聯鎖制動裝置的設計

在轉盤的底部裝有制動大齒圈向左和向右方向轉動的液壓聯鎖制動裝置。當制動轉臺時，左右掣子之一被液壓控制的操縱桿送入齒圈的任意齒位中的一個。這樣在制動時就可配套使用液壓卡瓦。

5.3 回轉支承大齒圈和小齒輪的選擇

考慮到此次轉盤傳遞最大扭矩為62 560 N·m。回轉支承齒圈、小齒輪的傳扭能力要能滿足設備需要。通過多種選擇參數計算及論證，最后采用大模數、小齒輪選擇正0.5的變位系數、提高齒面調質淬火硬度等方法，以提高齒面接觸強度及齒根彎曲強度，保證傳扭能力及使用壽命。

對于大小齒輪的變位系數，通過閱讀相關資料，變位系數對大齒輪(回轉支承齒輪)的強度影響較小;對小齒輪的影響較大。故在保證所需重合度和齒頂厚的前提下使小齒輪選擇盡可能大的變位系數。

5.4 液壓馬達小齒輪輸入軸軸承的選擇

選用是單面帶密封的深溝球軸承，其軸承在裝配時，填入適量的潤滑劑，在安裝使用時不用清洗和添加潤滑劑。其型號為6212RZ。這種軸承在結構和使用性能方面均能滿足設備要求。

6 轉盤主要受力零件的強度計算

6.1 大齒輪和小齒輪

(1)大齒圈材料為42CrMo，調質淬火處理HRC55，模數14，齒數135。

根據計算:齒面接觸強度安全系數為1.852;齒根彎曲強度的安全系數為2.603。

精度等級:8-7-7GJ，GB10095-88;新精度等級為:8Fp、7(fpt、Fα、Fβ)GB/T10095.1，8Fr GB/T10095.2，8Fw GB/T10095.2。

(2)小齒輪輸入軸材料為40CrNi2MoA，齒輪部分需要調質淬火處理HRC55，齒輪模數14，齒數20。

根據計算:齒面接觸強度安全系數為1.701;齒根彎曲強度的安全系數為4.139。

精度等級:8-7-7GJ，GB10095-88。新精度等級為:8 Fp、7(fpt、Fα、Fβ)GB/T10095.1，8Fr GB/T10095.2，8Fw GB/T10095.2。

6.2 板焊機座

支撐轉盤涉及的安全系數及設計驗證均應符合API規范要求。板焊機座在最大靜負荷9 000 kN的工況下，校核危險截面的安全系數為2.11(API 7k要求對主載荷途徑中結構件的最小安全系數為1.67)。

6.3 轉臺與回轉支承大齒圈螺栓組受轉矩的聯接強度校核

依據JB/T10839-2008《建筑施工機械與設備-單排球式回轉支承》選型計算方法附錄A:預緊扭矩:

聯接螺栓采用1 1/4”-7UNC英制螺栓或8.8級M32雙頭螺柱。

6.4 回轉支承套圈與機座之間螺栓組受轉矩的聯接強度校核

回轉支承套圈材料為50 Mn，機座材料為Q345E。同6.3計算方法，聯接螺栓采用1 1/4″-7UNC英制螺栓或8.8級M32雙頭螺柱。

7 結論

(1)此次液壓轉盤的研制，解決了在常規轉盤機座外還有附加的輸入軸總成所帶來的部件多、外形尺寸大、整機質量重且安裝布置不方便和傳動效率低等問題。

(2)采用4臺液壓馬達和大型回轉支承，解決了海洋鉆井工藝要求大扭矩低轉速的問題。

(3)常規轉盤傳動需要加工一對格里森等高螺旋傘齒輪，對于開口直徑達φ1 257.3 mm的轉盤，通常大齒圈直徑大于φ1 930 mm，此種齒輪需要刀盤名義直徑大于40英寸，國內已很少有廠家能加工出來。而此次研制的液壓馬達驅動的轉盤，大小齒輪均為漸開線圓柱直齒齒輪，各制作商技術成熟，加工難度小，整體經濟性好。

［1］ 王學義，黃悅華，賴笑輝.海洋鉆井用液壓驅動支撐轉盤液壓傳動設計［J］.石油礦場機械，2011，40(5):53-56.

［2］ 美國NATIONAL OILWELL VARCD公司.液壓支撐轉盤50004900調試維護使用手冊［Z］.2008.