測井車滾子鏈?zhǔn)问椒治黾皯?yīng)用

董 義

（廊坊新賽浦特種裝備有限公司，廊坊 065001）

測井，也叫地球物理測井，是利用巖層的電化學(xué)特性、導(dǎo)電特性、聲學(xué)特性以及放射性等地球物理特性，測量地球物理參數(shù)的方法。在油氣田勘探、開發(fā)和鉆采過程中，都要對(duì)油井、氣井進(jìn)行測井，以獲得各種石油地質(zhì)及工程技術(shù)資料，作為地質(zhì)人員進(jìn)行地質(zhì)分析的依據(jù)。測井車是陸地測井的主要設(shè)備，負(fù)責(zé)完成測取地質(zhì)參數(shù)和繪制測井曲線的工作。

測井車上設(shè)有防磁滾筒，鎧裝電纜纏繞在滾筒上，并通過滾筒的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)電纜帶動(dòng)下井儀器在油（氣）井內(nèi)的上提、下放，從而實(shí)現(xiàn)測井作業(yè)過程。滾筒由液壓馬達(dá)或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，靠鏈條作為機(jī)械傳動(dòng)。因此，鏈條的選擇及強(qiáng)度成為測井車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵因素，筆者以10000m測井車鏈條故障為例，重點(diǎn)對(duì)測井車雙排滾子鏈的失效形式進(jìn)行分析，從結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和使用工況方面，開展鏈條疲勞破壞的相關(guān)研究。

1 滾子鏈?zhǔn)?shí)例

在實(shí)際應(yīng)用中，10000m測井車傳動(dòng)鏈條選用ISO 20A雙排滾子鏈，傳動(dòng)實(shí)例如圖1所示，傳動(dòng)簡圖如圖2所示，鏈條破壞部位型式主要為銷軸脫出（見圖3）、滾子開裂（見圖4）和外鏈板斷裂（見圖5）。

圖1 傳動(dòng)實(shí)例

圖2 傳動(dòng)簡圖

圖3 銷軸脫出

圖4 滾子開裂

圖5 外鏈板斷裂

2 靜強(qiáng)度校核

出現(xiàn)上述鏈條故障后，首先考慮是否存在選用不當(dāng)以致在重載時(shí)鏈條被拉壞的問題，因此，對(duì)該滾子鏈進(jìn)行極限載荷工況下的靜強(qiáng)度校核。

式中，n為靜強(qiáng)度安全系數(shù)；Q為鏈條極限拉伸載荷（抗拉載荷），N；f1為工況系數(shù)；Ft為有效圓周力，N；FC為離心力引起的拉力，N；Ff為懸垂拉力，N，在Ff′和Ff″中取最大值；np為許用安全系數(shù)，np=4～8，如以最大尖峰載荷代替f1Ft時(shí)，則np=3～6。

式中，q為鏈條質(zhì)量，kg/m；v為鏈條速度，m/s。

式中，Kf為懸垂拉力系數(shù)；a為鏈傳動(dòng)中心距，mm。

式中，θ為兩鏈輪中心連線對(duì)水平面傾角。

本例中，在低速重載工況下，滾筒中徑電纜線速度為30m/h時(shí)，可算得鏈條速度v=0.5m/s，關(guān)于雙排滾子鏈ISO 20A，可查得Q=173500N，按理論設(shè)計(jì)最大值（滾筒底徑時(shí)最大拉力100kN），即按最大尖峰載荷取代f1Ft，則計(jì)算后取f1Ft=57158N。

查q=7.6kg/m，由式（2）可得：

實(shí)例中，鏈輪中心距a=1162.6mm，θ=21.05°，下垂度取f=0.02a=23.3mm，可查得Kf=5.7，則由式（3）可得：

由式（4）可得：

取Ff′和Ff″兩者最大值，F(xiàn)f=Ff″=279N。

則由式（1）可得：

這里速度較小，作用力確定比較準(zhǔn)確，所以取np=3。

由以上靜強(qiáng)度校核可以看出，靜強(qiáng)度安全系數(shù)n大于許用安全系數(shù)np，所以排除選用不當(dāng)以致在重載時(shí)鏈條被拉壞的可能。

3 滾子鏈耐磨損工作能力計(jì)算

由于故障鏈條投產(chǎn)使用時(shí)間超過一年，工作時(shí)間約達(dá)2000h，結(jié)合10000m測井車載荷大、鏈條潤滑不良等實(shí)際工況，有必要對(duì)鏈條耐磨損工作能進(jìn)行計(jì)算。

式中，T為磨損使用壽命，h；Lp為鏈條節(jié)數(shù)，節(jié)；v為鏈條速度，m/s；z1為小鏈輪齒數(shù)；i為傳動(dòng)比；P為鏈條節(jié)距，mm；（ΔP/P）為許用磨損伸長率，按具體條件確定，一般去3﹪；d2為滾子鏈銷軸直徑，mm；C1為磨損系數(shù)；C2為節(jié)距系數(shù)；C3為齒數(shù)-速度系數(shù)；Pr為鉸鏈的壓強(qiáng)，MPa。

式中，A為鉸鏈承壓面積，mm2。

式中，d2為滾子鏈銷軸直徑，mm；b2為套筒長度，即內(nèi)鏈節(jié)外寬，mm。

本例中，對(duì)于雙排滾子鏈ISO 20A，鏈節(jié)數(shù)Lp=133，可查得d2=9.54mm，b2=54.92mm，則由式（11）可得：

z1=25，i=3.6，P=31.75mm，由式（10）可得：

查得C1=6，C2=1.23，C3=1，則由式（9）可得：

耐磨損壽命大于實(shí)際使用時(shí)間，所以滾子鏈耐磨損工作能力符合要求。

4 失效分析

對(duì)于鏈傳動(dòng)，由于鏈輪的強(qiáng)度高，使用壽命長，所以鏈傳動(dòng)的失效主要是鏈條的失效。

4.1 銷軸脫出

結(jié)合本例銷軸脫出情形，銷軸與套筒相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)不暢，導(dǎo)致套筒、銷軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使得銷軸對(duì)外鏈板的銷孔造成較大磨損，鉸鏈磨損后鏈節(jié)變長，容易引起跳齒、脫鏈、銷軸脫出。開式傳動(dòng)、環(huán)境條件惡劣或潤滑密封不良時(shí)，極易引起鉸鏈磨損，從而急劇降低鏈條的使用壽命。主要成因可能是潤滑不當(dāng)或速度過高時(shí)，銷軸和套筒的工作表面發(fā)生膠合現(xiàn)象。

4.2 滾子開裂

鏈傳動(dòng)的嚙入沖擊首先由滾子和套筒承受，在反復(fù)多次的沖擊下，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)，滾子、套筒會(huì)發(fā)生沖擊疲勞破壞。尤其在本例中，野外井場的工作環(huán)境，載荷及速度變化大且變換頻繁，加之鏈條的潤滑及密封又不是很好，也加速了滾子的疲勞破壞。

4.3 外鏈板斷裂

由鏈板疲勞破壞引起，鏈在松邊拉力和緊邊拉力的反復(fù)作用下，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)，鏈板會(huì)發(fā)生疲勞破壞。疲勞強(qiáng)度是限定鏈傳動(dòng)承載能力的主要因素。另外，兩鏈輪因安裝誤差或使用過程中造成不在同一直線上，造成鏈條別勁以致偏置受力，容易造成鏈板斷裂。

實(shí)踐研究表明，在大量中低速閉式鏈傳動(dòng)中，盡管潤滑和密封良好，但由于鏈條在循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)中受較大的緊邊張力和較小的松邊張力的作用，并且這種不均勻受力狀態(tài)是反復(fù)的、交變的，經(jīng)過一定得循環(huán)次數(shù)，就會(huì)在鏈板孔兩側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生疲勞破壞，這種破壞即為鏈條的主要失效形式[1]。

5 改進(jìn)措施及應(yīng)用

本例中，對(duì)滾子鏈的靜強(qiáng)度校核及耐磨損工作能力計(jì)算是以理論設(shè)計(jì)最大值（即尖峰載荷）為基礎(chǔ)，是測井車工作時(shí)鏈條拉力的理論極限情況，而不是發(fā)生疲勞破壞時(shí)的實(shí)際情況。因此，下面結(jié)合滾子鏈的使用情況及影響疲勞強(qiáng)度的因素，從提高滾子鏈的疲勞強(qiáng)度和避免實(shí)際使用過程中達(dá)到疲勞極限兩方面，對(duì)該工況下滾子鏈的選型、使用、保養(yǎng)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

5.1 提高鏈號(hào)規(guī)格

由靜強(qiáng)度校核計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)滾子鏈處于極限載荷時(shí)，所選用滾子鏈的安全系數(shù)僅略微大于許用安全系數(shù)的最小值。如果按這種極限工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以考慮選用更高規(guī)格的滾子鏈，以降低惡劣工況下鏈條破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

5.2 定期檢查，及時(shí)更換鏈條

通過本例對(duì)滾子鏈耐磨損工作能力計(jì)算，在極限工況下，滾子鏈耐磨損壽命時(shí)間約為4500h。因此，在工作過程中，使用者定期檢查鏈傳動(dòng)情況，調(diào)整鏈輪使之處于同一直線上，保證鏈條松緊度合適，發(fā)現(xiàn)鏈條有損傷或達(dá)到耐磨損壽命時(shí)間，要及時(shí)更換鏈條。

5.3 減少?zèng)_擊載荷

無論是試驗(yàn)還是實(shí)例，都表明反復(fù)多次的沖擊載荷對(duì)滾子鏈破壞極大。因此，要求使用者操作測井車車滾筒時(shí)輕起輕放、調(diào)整扭矩時(shí)逐步穩(wěn)定加減，避免沖擊載荷。

5.4 設(shè)置防護(hù)，增強(qiáng)潤滑

潤滑利于緩沖、減小摩擦、降低磨損，潤滑是否良好對(duì)滾子鏈承載能力與壽命大有影響。必要的封閉護(hù)罩能達(dá)到安全、環(huán)境清潔、防塵、減小噪音和保持良好潤滑的目的。本例中鏈條潤滑劑已呈黑色污泥狀，明顯潤滑效果不良，必然要改善潤滑條件。鏈在完全運(yùn)轉(zhuǎn)的速度時(shí)，使用同步的、自動(dòng)的鏈條加油器是很有用的，對(duì)鏈進(jìn)行油脂潤滑通常推薦使用4m/s的運(yùn)行速度。在較多粉塵的條件下，鏈應(yīng)當(dāng)使用干燥的薄膜潤滑劑，如石墨、鉬二硫化物或者聚四氟乙烯。油壺長與滴油潤滑、噴射、氣霧劑、毛刷、油槽或油盤配套使用，確保潤滑油對(duì)準(zhǔn)內(nèi)外連接處，更適宜于用鏈條進(jìn)入鏈齒輪處注油以減緩滾子鏈碰撞時(shí)沖擊動(dòng)能[2]。

5.5 改變材質(zhì)與工藝

鏈板材料的選用對(duì)滾子鏈的疲勞可靠性有很大影響，如選用45Mn比選用40Mn的疲勞強(qiáng)度約提高42%[3]。鏈板孔加工方法中的擠孔工藝較一次沖孔工藝提高疲勞強(qiáng)度38%，較沖孔后修孔工藝提高疲勞強(qiáng)度13%。因此，制造高品質(zhì)鏈條宜優(yōu)先采用沖孔-熱處理-擠孔工藝[4-5]。

6 結(jié)語

鏈傳動(dòng)在不同工況下表現(xiàn)的破壞形式各有不同，但失效形式無外乎疲勞破壞、鉸鏈磨損、多次沖擊破斷、鉸鏈膠合以及過載拉斷等，通過合理潤滑、定期調(diào)整保養(yǎng)、注意操作和減少?zèng)_擊等能有效降低鏈傳動(dòng)故障率，延長使用壽命。實(shí)際案例中，改進(jìn)和優(yōu)化后的滾子鏈傳動(dòng)性能穩(wěn)定，使用效果大優(yōu)于以前。