液壓貓道翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工程破壞實(shí)例分析及優(yōu)化

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(吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130022)①

在深孔鉆探作業(yè)中需要對數(shù)百乃至上千根鉆桿、套管進(jìn)行頻繁的排放作業(yè)。目前鉆桿上下鉆臺(tái)主要是以人力作業(yè)為主，需要4～5人配合完成。這種鉆桿運(yùn)移方式，作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高、易發(fā)生人身傷亡事故。使用自動(dòng)貓道可以解決這一問題，實(shí)現(xiàn)鉆桿運(yùn)移過程的機(jī)械化、自動(dòng)化[1]。近年來，國內(nèi)關(guān)于貓道的研究也有了快速發(fā)展，而翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是完成鉆桿從鉆桿支架到貓道平臺(tái)之間的運(yùn)移工作的關(guān)鍵部件，具有十分重要的作用[2-3]。

1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作原理

全液壓自動(dòng)貓道每側(cè)有3個(gè)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如圖1所示。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由翻板體、液壓缸1、液壓缸2和支撐板組成。其工作原理是：當(dāng)鉆桿從鉆桿支架向貓道平臺(tái)滾動(dòng)時(shí)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動(dòng)，靠近舉升滑道側(cè)的全液壓缸2保持壓力不動(dòng)，起到旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)的作用，控制靠近外側(cè)的液壓缸1，將翻板繞著液壓缸2的支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。通過控制液壓缸1的流量，控制翻板的翻轉(zhuǎn)角度，使鉆桿通過翻板的速度保持穩(wěn)定，減緩進(jìn)入平臺(tái)內(nèi)的沖擊。卸鉆桿過程是做相反動(dòng)作[4]。

a 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在貓道中的布置位置

b 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)破壞描述

在現(xiàn)場試驗(yàn)中，當(dāng)鉆桿運(yùn)移時(shí)，發(fā)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的支撐板發(fā)生破壞，如圖2所示。有的支撐板位置1上的固定螺栓不見了，有的支撐板位置2的固定螺栓被剪斷，有的支撐板的位置3處發(fā)生撕裂。由于翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)失效會(huì)影響貓道的正常運(yùn)行，應(yīng)該給予充分的重視。通過分析可知，支撐架呈現(xiàn)不同程度的破壞是由于啟動(dòng)時(shí)間短和不同翻板機(jī)構(gòu)間支撐架受力不均勻造成的。

a 位置1、位置1副

b 位置2、3破壞形式

3 支撐板的試驗(yàn)分析

選取支撐板上位置1掉落的螺栓作為樣品1，位置2上被剪斷的螺栓作為樣品2，位置3上被撕裂的部位作為樣本3，對其進(jìn)行微機(jī)構(gòu)分析、力學(xué)性能測試、材料的化學(xué)成分分析[5]。

3.1 探傷檢測

對樣本1、樣本2和樣本3分別進(jìn)行探傷檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)沒有明顯的缺陷、裂紋等，這表明支撐架在測試前是完好的。

3.2 拉伸測試

根據(jù)力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T2975—1998，對樣本1、樣本2和樣本3分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 材料的力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)

由表1可看出：

1) 固定螺栓的力學(xué)性能滿足其國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32.1—1988要求。

2) 支撐板的力學(xué)性能滿足其執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1591—2008要求。

3.3 化學(xué)成分分析

對樣本3的化學(xué)成分作測試，其結(jié)果如表2所示。由表2可看出，支撐板材料(Q345b)的化學(xué)成分滿足國家標(biāo)準(zhǔn)B/T1591—2008要求。

表2 支撐板材料的的化學(xué)成分檢測結(jié)果 wB%

4 翻板與支撐板的動(dòng)態(tài)受力分析

4.1 翻板機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)分析

鉆桿沿著翻板面向下滾動(dòng)的過程中，3個(gè)支撐架通過協(xié)同調(diào)節(jié)其液壓缸桿的伸長來控制翻板體的抬升角度。由于工作環(huán)境較為惡劣，3個(gè)液壓缸動(dòng)作的協(xié)調(diào)性大幅下降，極容易導(dǎo)致每個(gè)液壓缸的支撐架受力不均勻[6]。設(shè)定載荷系數(shù)kw，取kw=1.6。在支撐架的受力分析中，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)本身的質(zhì)量遠(yuǎn)小于鉆(套)桿的質(zhì)量，為了方便計(jì)算，先用鉆(套)桿的質(zhì)量計(jì)算支撐板的受力，引入應(yīng)力系數(shù)對其修正，取k1=1.1。

4.2 構(gòu)建翻板的數(shù)學(xué)模型

觀察翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可知，支撐板的受力來自于2個(gè)液壓缸，液壓缸在機(jī)構(gòu)中為鉸連接，故其為二力桿結(jié)構(gòu)[6-7]。將翻板簡化，近似看作線形結(jié)構(gòu)，如簡圖3所示。其中，總長L=950 mm，L1=495 mm，L2= 268 mm，L3=187 mm。常用鉆(套)桿的質(zhì)量約為2 000 kg，每次抬升鉆桿的升起動(dòng)作由3個(gè)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同時(shí)協(xié)作完成，重力加速度為9.8 m/s2。設(shè)鉆桿在翻板上走過的路程為x，則可得：

圖3 翻板的受力

(1)

(2)

(3)

式中：G為單個(gè)翻版機(jī)構(gòu)承受鉆桿重力；F1為液壓缸1的軸向受力；F2為液壓缸2的軸向受力。

根據(jù)F1和F2的公式，可以作出F1和F2的變化線圖，如圖4所示。

a F1 的變化線圖

b F2的變化線圖

4.3 支撐板的動(dòng)態(tài)受力分析

結(jié)合鉆桿現(xiàn)場運(yùn)動(dòng)狀況，分析歸納：

1) 在裝載鉆桿的時(shí)候，鉆桿沿著翻板面向下滾動(dòng)，此時(shí)液壓缸1抬起，液壓缸2的高度保持不變，且始終與翻板兩側(cè)的平臺(tái)齊高，由此可知：鉆桿在翻板上走的路程最大為x=L1+L2。此后鉆桿將滾到翻板兩側(cè)的平臺(tái)上。

2) 觀察F1和F2的變化線(如圖4)，結(jié)合圖5中發(fā)現(xiàn)：鉆桿在翻板上滾動(dòng)的過程中，當(dāng)鉆桿位于x=L1+L2點(diǎn)時(shí)，支撐板上位置4處受的壓力最大。由此可以推斷：當(dāng)鉆桿位于x=L1+L2點(diǎn)時(shí)，如果支撐架不發(fā)生破壞，那么支撐板在鉆桿位于x∈(L1,L1+L2)中都將不發(fā)生破壞。

圖5 支撐架機(jī)構(gòu)

當(dāng)x=L1+L2時(shí)有如下關(guān)系：

(4)

由上式可得：每側(cè)支撐板的受力狀態(tài)：

(5)

由此可知：此時(shí)每側(cè)支撐板在液壓缸1的支撐點(diǎn)實(shí)際受力為0，在液壓缸2的支撐點(diǎn)上受力最大為5 750 N，方向豎直向下。

3) 支撐架的額定安全系數(shù)確定。

有一種相當(dāng)流行的部分系數(shù)法，它將各個(gè)對安全系數(shù)有影響的因素分別用一個(gè)分系數(shù)S1、S2、…來表示，這些分系數(shù)的乘積即為安全系數(shù)[8]：

S=S1·S2·S3·S4…

(6)

在本例中，考慮到支撐板的撕裂會(huì)造成安全事故，定義S1=1.3；考慮到應(yīng)力集中的影響，定義S2=1.5；考慮到所用材料的可靠性，定義S3=1.05；最后可得，支撐架的安全系數(shù)為：

S=S1·S2·S3=1.3×1.5×1.05≈2

(7)

4) 在鉆桿滾動(dòng)的過程中，由于按固定規(guī)律變化，固定鉆桿所受的為變載荷，因此考察固定螺栓的抗剪強(qiáng)度時(shí)，選用公式

(8)

5 支撐板靜態(tài)受力分析

觀察翻板機(jī)構(gòu)的支撐板的現(xiàn)場破壞圖2，發(fā)現(xiàn)支撐板的破壞應(yīng)該有3個(gè)階段。首先是支撐板上位置1處的的固定螺栓被卡掉或者被剪斷，接著位置2處固定螺栓被剪斷，最后支撐板上位置3部位被撕裂。當(dāng)鉆桿在x=L1+L2時(shí)，通過Ansys Workbench建立支撐板的有限元模型，對其受力狀態(tài)進(jìn)行分析[9-10]。

5.1 建立支撐板的有限元模型

首先，給支撐板設(shè)置材料Q345B、合適的網(wǎng)格，接著對該模型分別施加3個(gè)階段中相應(yīng)的約束和外力，最后得到這3個(gè)階段有限元模型的應(yīng)力狀態(tài)。

5.2 查看應(yīng)力狀態(tài)

從圖6可知，第1階段中位置1處所受的應(yīng)力τmax1最大，約為352 MPa；從圖7可知，第2階段中位置2 處所受的應(yīng)力τmax2最大，約為642 MPa；從圖8可知，第3階段中位置3處所受的應(yīng)力最大，約為860 MPa。

圖6 支撐板的應(yīng)力狀態(tài)1

圖7 支撐板的應(yīng)力狀態(tài)2

圖8 支撐板的應(yīng)力狀態(tài)3

5.3 應(yīng)力狀態(tài)分析

1) 在第1階段中，求位置1 處所受實(shí)際應(yīng)力，可計(jì)算得：

τ1=τmax1=352 MPa>τp=160 MPa

(9)

由此可知，在翻板工作過程中支撐板位置1上的螺栓處容易被剪斷，這很符合圖2中位置1處不見固定螺栓的現(xiàn)象。

2) 在第2階段，求位置2所受實(shí)際應(yīng)力 ，可計(jì)算得：

τ2=τmax2=642 MPa>τp=160 MPa

(10)

由此可知，在翻板工作過程中，支撐板位置1處的固定螺栓被卡掉后，位置2處的固定螺栓很容易被剪斷。

3) 在第3階段，求翻板機(jī)構(gòu)的實(shí)際安全系數(shù)為Ss，額定的安全系數(shù)Se，可計(jì)算得：

(11)

Ss<1

(12)

由此可知，在翻板工作過程中，當(dāng)位置1處的螺栓在工作中被剪斷后，位置3的支撐板部位必緊接著被拉裂。

6 支撐板失效分析

由第5節(jié)建立的有限元模型受力分析可知：

1) 在這3個(gè)情景下，翻板機(jī)構(gòu)很可能會(huì)發(fā)生現(xiàn)場工作中圖2所示的破壞。

2) 從支撐板的受力計(jì)算公式(5)中，發(fā)現(xiàn)載荷系數(shù)對其受力影響很大，由此可看出：復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境對翻板機(jī)構(gòu)的可靠性有極大的影響。

3) 從圖6～8看出，支撐架上位置1、位置2、位置3處所受應(yīng)力都很大的原因是由于U型口的存在，使支撐板的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在很大的應(yīng)力集中。

7 改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對支撐架設(shè)計(jì)新的結(jié)構(gòu)，如圖9。

圖9 改進(jìn)后的支撐架結(jié)構(gòu)

在該結(jié)構(gòu)中，U型口開在了支撐板的下面，大幅緩解了應(yīng)力集中，使液壓缸1的支撐部位應(yīng)力集中減小，增加了支撐板的剛度。該結(jié)構(gòu)已經(jīng)安裝到全液壓自動(dòng)貓道結(jié)構(gòu)中，該貓道裝置已經(jīng)在松科二井運(yùn)行，工作性能穩(wěn)定可靠。

8 結(jié)論

1) 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)支撐架失效的主要原因是螺栓承受的應(yīng)力超過許用剪切強(qiáng)度極限，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同位置承受剪切力值選擇不同的螺栓。

2) 原設(shè)計(jì)存在應(yīng)力集中，工作時(shí)容易斷裂。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，減弱了應(yīng)力集中效果。

3) 經(jīng)過對翻板機(jī)構(gòu)的分析，對支承板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了新的思路。此種新結(jié)構(gòu)已在工程上應(yīng)用。這一設(shè)計(jì)方法也可以給其他支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

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[1] Kaiser M J，Yu Y. Drilling and Completion Cost in the Louisiana Haynesville Shale, 2007-2012[J]. Natural Resources Research, 2015, 24(1):5-31.

[2] 譚志松, 于萍, 張春鵬,等. 全液壓自動(dòng)貓道舉升系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J]. 石油礦場機(jī)械, 2015，44(7):24-27.

[3] 趙淑蘭, 李文彪, 聶永晉,等. 動(dòng)力貓道技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 石油礦場機(jī)械, 2010,39(2):13-15.

[4] 李艷嬌, 于萍, 譚志松,等. 全液壓自動(dòng)貓道翻板機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析[J]. 機(jī)械制造, 2014,52(6):43-44.

[5] Yao Z, Wang G, Song L, et al. Failure investigation of the pulverizing fan of ventilation mill[J]. Engineering Failure Analysis, 2015, 49(49):11-19.

[6] 張鵬. 全液壓自動(dòng)貓道鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)研究[D].長春：吉林大學(xué), 2014.

[7] 靳恩朝. 自動(dòng)貓道舉升機(jī)構(gòu)位姿控制研究[D].長春：吉林大學(xué), 2017.

[8] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊:第五版[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2010.

[9] 北京兆迪科技. ANSYS WORKBENCH 14.0結(jié)構(gòu)分析快速入門.進(jìn)階與精通(2DVD)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2014.

[10] 李勝利, 歐進(jìn)萍. 大跨徑懸索橋貓道非線性靜風(fēng)穩(wěn)定性分析[J].中國鐵道科學(xué), 2009,30(6):19-26.