直升機吊裝模塊鉆機底座設計與研究

邴通林

0 引言

隨著現代工業的發展和人們生活水平的提高，原油的需求出現供不應求的狀況，油價不斷上漲，世界各國都在加緊尋找并開采新的油藏，其中也包括以前尋找到的、而運輸條件不滿足無法開采的油區，比如一些偏遠山區、叢林、島嶼和沙漠腹地。同時，隨著鉆井工藝技術的不斷提高，每口井的純鉆井時間占整個鉆井周期的比例不斷下降，而拆卸、移運、安裝時間占的比例越來越大，因此要求設計出一種拆裝便捷、移運高效的鉆機[1-3]。

由于叢林、沙漠、山區等地方的運輸條件有限制，基本上公路條件差甚至沒有道路，所以公路運輸井架在這些地方難以實施。所以需要研制一種可以通過空中運輸鉆機的方法，由于空中直升飛機幾何尺寸受限，所以鉆機必須可拆裝，在對鉆機的設計，最好的方式是模塊化組合[4-5]。底座作為鉆機的重要組成部分，底座的可靠直接決定了鉆機的性能。

1 底座的設計與制造

底座的結構設計的是旋升式結構，在較低的位置進行安裝。采用這種設計形式的底座有以下幾方面的優點：此鉆機整體設計中包含的所有臺面上的各種設備都可以在底座完成起升并且在低位實現安裝，并且安裝起來安全方便，當井架豎立起來之后，利用底座的起升液虹所提供的動力將底座的頂層和鉆臺的部分（包括井架和臺面的設備），這些都整體提升到準確的工作位置；并且在起升和下放的過程中無需額外將底座拆分成各個零部件，也無需吊車等其他的起重設備去完成吊裝底座的零部件，而且在起升和下放過程所花的時間都比較短，因此這一特點尤為的適用于在沙漠地區對于移動鉆機的需求；由于該類的底座中層的結構是平行四邊形，因此還可以輕易設計成各種不同的放置高度，適合擺防噴器的需要。

底座分為后臺橇座和鉆臺，后臺橇座分為兩節橇架組成，主梁為H型鋼，兩節之間為銷軸連接，為保證橇架質量，必須在一個焊接平臺上制作，而且采用CO2保護焊工藝，采用了一些減小變形的工藝方案及必備工裝，從而使焊后變形小；通過這些手段，有效地保證了橇架的制造質量和裝配要求。鉆臺主要分為底座和前后上座幾部分組成，通過銷軸連接，要求焊接時嚴格控制變形，保證裝配時各件連接可靠、無任何干涉現象。由于在焊接時采用自動焊接，在平臺上用工藝銷軸來保證連接后焊接，所以很好地保證了焊接變形和連接的可靠性，設計出的底座結構如圖1所示。

圖1 底座結構圖

2 底座受壓和受彎桿強度驗算

底座中鋼結構在設計構造時應該依照AISC335-89《鋼結構建筑規范》所要求的許用應力來完成設計部分，從而來確定設定的許用單位應力。在對底座構件進行強度的驗算過程中，碰到的以軸心受壓和受彎最為普遍。對軸心受壓和彎曲兩種應力的構件，應該依據有關公式對危險桿件進行校核，如下：

當fa/Fa＜0.15時，可用式（3）代替式（2）和（1）。

上式中 Fa—軸心受到的壓力（Pa）；

Fb—彎曲力引起的壓力（Pa）；

fa—實際計算的軸心壓力（Pa）；

fb—實際計算的完全引起的壓力（Pa）；

Cm—系數。

式中 K—懸空長度（m）；

l—實際懸空長度（m）；

r一圓周半徑（m）；

Cc—細長比；

E—鋼材的彈性模量，29000；

3 底座模態分析

在井架的施工過程中底座容易受到轉盤等運動部件的激勵而振動，輕微的振動會讓鉆臺上施工的工作人員身體不適應，當這種振動激勵過大時會導致鉆機整體施工出現誤差，降低井架等重要部件的結構強度，導致重要零部件失效，直接影響石油鉆機的整體施工。井架底座具體參數如表1。

表1 底座主要參數

根據圖2～5對底座的5階模態振型進行分析可以得到，第1階振型時底座上部位移量較大，逐漸往下，位移量逐漸減小。第2階振型時底座前部位移量較大，且在前部靠上端部位尤為突出。第3階振型時底座后部的位移量較大，后部各部位位移量較均衡。第4階振型時各部分沒有明顯的振動變形，尤其底部基本不存在變形，前3階振型在底座上存在大面積的變形，對底座存在較大影響，而4階振型在底座上基本沒大幅位移，或者自由4階時存在局部的變形，對鉆臺施工沒有影響。觀察該型號鉆機的各部分結構，分析鉆機實際施工的工作狀態，該鉆機絞車等設備沒有安裝在底座上，所以該部分的振動對于鉆臺沒有影響。底座上主要有電機、減速箱、輸出和輸入軸、轉盤等。所以可對底座的結構進行優化，改變底座的固有頻率，或者在實際的施工過程中調整轉盤的轉速，使轉盤避開激勵底座的頻率。

4 鉆機負載試驗

圖2 底座1階振型

圖3 底座2階振型

圖4 底座3階振型

圖5 底座4階振型

在大鉤負載為60～80 kN時，通過發動機的儀表讀數可以發現，發動機轉速與大鉤負載之間沒有線性關系，不會隨著負載的增加而增加，大鉤負載由60 kN變為110 kN時，發動機轉速有小幅度降低，當大鉤的負載由110 kN增加到120 kN時，發動機轉速開始增加，當大鉤負載大于120 kN時，發動機的轉速隨著大鉤負載的增加而增加。機油壓力與轉速的變化規律類似，與大鉤的負載之間不存在線性關系，機油壓力隨著轉速的增加而增加，轉速減小時機油壓力減小。發動機水溫與打鉤負載之間沒有關系，當大鉤壓力為110、120、130 kN時，水溫值相同，均為89℃，隨著發動機轉速的增加水溫增加，但是在大鉤負載為140 kN時，水溫存在一個降低趨勢，大鉤負載繼續增加，水溫開始回升，高于小負載的水溫。具體如表2所示。

表2 正拉發動機讀數

5 總結

（1）對底座進行了選用設計，底座的結構設計的是旋升式結構，在較低的位置進行安裝。

（2）給出了底座鋼結構的受壓和彎曲兩種應力構件計算方法。

（3）利用ANSYS對井架的模態進行了分析，提出了可以對底座的結構進行優化，改變底座的固有頻率，或者在實際的施工過程中調整轉盤的轉速，使轉盤避開底座的激勵頻率的方法。

（4）通過鉆機負載試驗，對采用該底座的鉆機性能進行了分析。