拖掛鉆機輪胎載荷分析與選擇研究

2018-07-30 09:05:30黃治湖侯文輝杜永軍郭軍光趙鵬畢小鈞

機械工程師 2018年7期

黃治湖，侯文輝，杜永軍，郭軍光，趙鵬，畢小鈞

（1.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心,陜西寶雞 721002；2.中國石油寶雞石油機械有限責任公司,陜西寶雞 721002）

0 引言

拖掛鉆機具有高移運性能，深受鉆機用戶的青睞，近年來其發展也是方興未艾。而輪胎是拖掛鉆機移運系統的主要部件，價值昂貴，同時又是易損件，正確選擇輪胎，能夠最大限度發揮輪胎的使用性能，延長使用壽命，提高經濟效益，具有十分重要的意義。

1 鉆機移運的工作特點和輪胎概述

1.1 鉆機移運的工作特點

石油鉆機的工作特點是在一個井場作業幾天或幾個月，再搬運至相距幾公里到上百公里的新井場作業，往往作業時，輪胎處于輕載或空載狀態，但移運時大多處于滿載，甚至短時超載狀態，對輪胎來說，屬于轉移作業，拖掛鉆機一般選用工程機械輪胎（含沙漠輪胎）。

工程機械輪胎主要針對運土、裝載、推土等作業工況，安裝在自卸車、推土機、裝載車、叉車等工程車上，其工作過程是裝載運載后，再將運載物運往它處卸載，最后空車返回，基本都屬于短距離運輸，所以工程機械輪胎參數表中都給出了最大運距要求（平地輪胎等負載相對固定的除外），最短為75 m，最長為4 km。所以拖掛鉆機選用工程機械輪胎時，不能全部采用輪胎參數表中的數據，否則就必須按照其使用要求，使用中必須有一個空載或輕載過程，使輪胎有一個充分的散熱過程。

1.2 輪胎規格、層級及花紋

規格是輪胎幾何參數與物理性能的標志數據。輪胎規格常用一組數字表示，前一個數字表示輪胎斷面寬度，后一個數字表示輪輞直徑，均以英寸為單位，如“16.00-25”，“16.00”表示名義斷面寬度代號，“-”表示結構代號，“-”為斜交輪胎，子午線輪胎用“R”代替“-”，“25”為輪輞名義直徑代號。

層級是指輪胎橡膠層內簾布的公稱層數，與實際簾布層數不完全一致，是輪胎強度的重要指標。層級用中文標志或英文標志，如12層級或12P.R。同規格的輪胎層級越高，承載能力越大。

花紋即輪胎胎面上各種縱向、橫向、斜向組成的溝槽，應根據鉆機使用地的路面狀況，選用適合的輪胎花紋，井場路況較為復雜，有沙地、泥地、黏土、巖石等，一般選用重型自卸車輪胎，其花紋分類有E-1、E-2、E-3、E-4、E-7，其中E-1、E-2、E-3花紋深度為100，E-4花紋深度為150，E-7的花紋深度只有50（Goodyear輪胎為80）。E-1、E-2不適合用于巖石路面，不推薦選用，E-3、E-4推薦在巖石、戈壁地區使用，在沙漠、泥地也可以使用，E-3花紋較E-4淺，承載面積相對較大，接地比壓小，散熱性能較E-4好，E-4花紋深，胎冠橡膠層較E-3加厚50，相對耐磨。拖掛鉆機輪胎作為掛車輪胎而不作驅動輪，一般推薦E-3花紋，但在地面承載能力較強的戈壁地區推薦使用E-4花紋。E-7花紋深度只有50，也稱為浮力型輪胎，接地面積大，對地比壓小，散熱性能好，特別適用于沙漠地區使用。

2 移運輪胎載荷分析

輪胎負荷對其使用壽命有很大的影響，有超負荷現象就會顯著地降低輪胎的使用壽命，選擇合適規格的輪胎并進行載荷分析計算是極為重要的。輪胎最大承載與移運單元的質量布局有關，通常按以下8種工況計算：1）平路勻速行駛；2）平路加速行駛；3）平路減速行駛；4）上坡；5）下坡；6）左右傾斜；7）轉彎；8）結構設計或特殊路況引起的個別輪胎承載。

2.1 平地、上下坡移運工況載荷分析

圖1為移運單元上坡工況受力分析圖，圖中各字符的含義是：β為上坡角度，（°）；A為前輪軸心距移運單元質心的距離（以牽引側為前），m；B為后輪軸心距移運單元質心距離，m；h為移運單元質心到輪胎軸心距離，m；r為輪胎半徑，m；F為牽引力，N；a為加速度，m/s2；m為移運重量，kg；μ為輪胎與地面間的滾動摩擦因數；NA為前輪總支撐力，N；NB為后輪總支撐力,N；fA為前輪滾動摩擦阻力，N；fB為后輪滾動摩擦阻力，N。

整個移運單元受到重力mg，輪胎處支撐力NA、NB，輪胎處摩擦阻力fA、fB，加速度等效為質心作用力ma，整個移運單元平衡，則有：

圖1 上坡工況受力分析

上述各式，當a取負值時，即為減速上坡工況；當a=0時，即為勻速上坡工況；隨著上坡角度β增加，牽引力F也增大，前輪總承載NA減小，后輪總承載NB增大；當β=0，a=0時，即為平地勻速行駛工況；當β=0時，即為平地加速行駛工況，隨著加速度a的增大，牽引力F也增大，前輪總承載NA減小，后輪總承載NB增大；當β=0，a取負值時，即為平地減速行駛工況，隨著負加速度a的增大，牽引力F減小，前輪總承載NA增大，后輪總承載NB減小；當β取負值時，為下坡工況；下坡角度β增大，前輪總承載NA增大，后輪總承載NB減小；勻速下坡時，存在一個臨界β=arctanμ，超過此角度，移運單元在沒有牽引的情況也會自行下坡，如果沒有配備剎車系統的情況下，不推薦超過此下坡的臨界角。

2.2 側斜路面移運工況載荷分析

圖2為移運單元側斜路面移運工況受力分析圖，圖中各字符的含義是（注：未注明字符含義同2.1節）：γ為上坡角度，（°）；C為左（注：站在牽引側面向移運單元來判別左右方向）輪軸心距移運單元質心的距離，m；D為右輪軸心距移運單元質心距離，m；μ′為輪胎與地面間的靜摩擦因數；NC為左輪總支撐力，N；ND為右輪總支撐力，N；fC為前輪靜摩擦阻力，N；fD為前輪靜摩擦阻力，N。

整個移運受到重力mg，輪胎處支撐力NC、ND，輪胎處側向靜摩擦阻力fC、fD。整個移運單元平衡，則可得：

圖2 右傾工況受力分析

由式(4)、式(5)可知，右側傾斜移運時，隨著右傾γ角的增加，右側輪胎總支撐ND增大，左側輪胎總支撐NC減小，當NC=0時，達到傾翻的臨界點，此角為不考慮輪胎是否超載的情況下的最大不傾翻角；實際的最大傾斜γ角應滿足NC、ND小于輪胎最大承載及移運單元不傾翻兩個條件。

當γ取負值時，為移運單元向左側傾斜工況。

2.3 平路面轉彎工況載荷分析

圖3 轉彎工況受力分析

由式（6）~式（8）知，轉彎速度增加，轉彎外側輪胎承載增加，內側輪胎承載減小；最大轉彎速度v為當μ′達到最大靜摩擦因數時的v值和NC、ND達到輪胎最大承載時v值的小者。

2.4 結構設計或特殊路況個別輪胎載荷分析

由于結構設計局限，或路面局部下沉，不能使所有輪胎全部承載或個別輪胎承載加大，造成部分輪胎超負荷工作。所以必須對此種情況進行分析，設計時盡可能采用平衡橋、彈性橋等，使各輪胎承載平衡。

2.5 各移運工況載荷分析對輪胎選擇的影響

一般工況4)～工況6）中的角度等由買方給出，當買方未給出時，一般沙漠戈壁上下坡按5°計算，傾斜按照3°計算，上述8種工況計算完成后，以工況1）、工況4）、工況5）、工況6）、工況8）的最大輪胎承載，作為選取輪胎承載最大值及最高移運速度的依據。移運速度低于10 km/h時，以10 km/h速度承載選取。另外工況2）、工況3）、工況7）屬于短時或瞬間工況，其短時超載不大于輪胎最大承載的140。當買方給定輪胎規格時，可以按照輪胎承載能力，計算出最大傾斜角度、最高移運速度等。

2.6 輪胎接地比壓計算

式中：q為接地比壓，N/cm2；n為車輛著地輪胎數量；b為輪胎接地寬度，cm；G為車輛軸荷，N；l為輪胎接地弦長，cm；n=1，G為單個輪胎載荷時，式（15）即為單個輪胎承載的接地比壓。

地面的接地比壓一般由鉆機買方給出，買方不能給出時，要根據鉆機使用地的具體情況選擇輪胎，常見地面承載能力可參見API 4G/（SY/T 6408-2012）的相關數據。

2.7 算例

以5000 m全拖掛鉆機主機移運單元輪胎載荷分析和選擇為例，主機移運單元可實現整體直立移運和井架底座分體移運，由于整體移運時輪胎承載比分體移運大得多，故僅對整體直立移運進行輪胎載荷分析。另買方要求鉆機滿足48 h內完成10 km整體搬家，最大行駛速度不超過10 km/h，最大牽引動力不超過4臺最大牽引功率500 hp的Kenworth 935S牽引車等條件。

移運系統采用四點支撐，每個點四胎雙橋，方案設計移運重量為680 000 kg，前后輪軸心距單元質心分別為A=10.5 m和B=14 m，左右輪軸心距單元質心分別為C=4.6 m和D=4.4 m，這樣初步計算得出平地勻速最大輪胎承載為49 651 kg。根據GB/T 2980-2009的輪胎承載數據，初步選擇輪胎規格為36.00-51，PR42；結合鉆機使用地為沙漠環境，考慮使用E-7花紋的工程輪胎，初步選擇E-7花紋36.00-51沙漠輪胎，下面按初選的輪胎進行輪胎載荷分析。

完成詳細設計后，前后輪軸心距單元質心分別為A=11.715 m和B=14.335 m，左右輪軸心距單元質心分別為C=4.749 m和D=4.251 m，輪胎中心距離單元質心為h=9.943 m，輪胎半徑為r=1.583 m，移運重量為m=708 000

專用車輪胎接地比壓按式（9）計算：

表1 36.00-51沙漠輪胎參數表[12]

由式（11）、式（12）可知，當v為最大行駛速度6.2 km/h，爬坡角β=0°，v值越小，爬坡角β越大，假設v為5 km/h時，此時，在功率限制條件下，爬坡角β=1.04°，若v為1 km/h時，則爬坡角β=11.65°。

5）勻速下坡。首先，考慮移運單元沒有配備制動系kg，滾動摩擦因數為μ=0.1，輪胎車橋為平衡橋結構，不考慮工況8），現對工況1）~工況7）進行計算，結果如下：

1）平地勻速。牽引力F=693 840 N；前軸總承載NA=3 860 280.7 N（前為坡道側）；后軸總承載NB=307 811 9.3 N（后為絞車側）。由此得，單個輪胎最大承載在左前處，NAD=509 235.4 N（注：左為司鉆對側），再對照輪胎最大承載能力可知：主機移運單元平地勻速工況的最大速度可達10 km/h。另根據4臺Kenworth 935S牽引動力條件，假設勻速行駛的速度為v（m/s），輪胎與地面的附著系數為0.4，則提供牽引力F=693840 N，牽引自重加配重載荷GT=693840/0.4=1734600，功率限制等式為

故v=1.72 m/s，約6.2 km/h，因此，結合輪胎承載情況和牽引功率限制，平地勻速工況下最大行駛速度為6.2 km/h。

2）平地勻加速。由于單元重心靠前，要確定勻加速工況的最大加速度，則要考慮后輪不超載且前輪承載不為負值。按最大行駛速度為6.2 km/h，輪胎最大承載為58 000 kg（注：不足10 km/h，按10 km/h計），則最大加速度約為4.55 m/s2；按瞬時140輪胎最大承載，即81 200 kg，則最大加速度約為10.93 m/s2，但這兩種情況都超過了4臺牽引車功率。在牽引功率限制條件下，加速工況時速度只能無限接近6.2 km/s，假設勻加速至6.12 km/s，由此可計算出最大加速度為0.0094 m/s2，加速至6.12 km/s所需時間為181 s。

3）平地勻減速。此工況的最大減速度，要考慮前輪不超載且后輪承載不可為負值即可。按輪胎的最大承載計算，則允許的最大減速度約為-1.66 m/s2，從6.2 km/h減速至靜止所需時間為1.04 s，所需的制動力為481 440 N；按瞬時140輪胎最大承載，則最大減速度約為-8.03 m/s2，從6.2 km/h減速至靜止所需時間為0.21 s，所需的制動力為4 996 688 N。因此，為防止輪胎超載，需要在鉆機的說明書中注明，勻減速的最大制動力不大于481 440 N，瞬時最大制動力不大于4 996 688 N。

4）勻速上坡。此工況的最大爬坡角，則要考慮后輪承載不超限且前輪承載不可為負值。經計算，上坡角度在[0°90°）間變化時，后輪的最大輪胎承載均不會超載，但當β=55.55°時，前輪的承載為零值，所以最大爬坡角不應超過此值，否則前輪離地會引起傾翻。另根據4臺牽引車功率限制條件，可得：統，其推薦的安全下坡的臨界β=arctan0.1=5.71°。其次，下坡角度增大，前輪承載增大，后輪承載減小，加之單元重心靠前，此工況最大下坡角，要考慮前輪不超載且后輪承載不可為負值。按輪胎最大承載計算，最大下坡角度β=11.44°，施加制動力為696 118 N。結合上述兩個因素，推薦的安全下坡的臨界β=5.71°。

6）傾斜工況（移運單元重心偏右側，因此右傾工況比較惡劣）。在不考慮輪胎承載是否超過限值的情況下，不傾翻的最大角γ=20.32°。另根據輪胎承載不超限的條件可知,最大傾斜角γ=3.07°。

7）勻速轉彎（按最小轉彎半徑R=28.5 m）。取輪胎與地面的最大靜摩擦因數（近似為附著系數）μ=0.4，則轉彎km/h。另根據輪胎不超限條件，最大轉彎速度v=3.85 m/s,約13.86 km/h；按瞬時140輪胎最大承載能力，最大轉彎速度v=8.17 m/s,約29.41 km/h。由于功率限制條件下平地最大速度為6.2 km/h，故轉彎工況下的最大速度也為6.2 km/h。

8）比壓計算（如表2）。