石油修井機發動機油底殼開裂故障分析及解決

劉煒，母小平，牛增強，孫巖波

（渤海石油裝備中成裝備制造公司天津大港油田，天津 300280）

石油修井機是修井、試油等井下作業最主要、最基本的施工設備。發動機是車載石油修井機核心部件，為載車運移及修井作業提供動力。制造廠家在進行發動機選型時，大多對性能匹配、控制形式、安裝布局進行確認，極少對發動機主體部件結構提出具體要求。我公司產品在使用過程中出現油底殼批量開裂，機油滲漏故障，為了查明故障原因，需要從安裝形式、油底殼材料、受力情況等方面進行測試分析。

1 原因分析

1.1 問題特征描述

同批次生產的19臺修井機中，有8臺在投產使用4個月左右，陸續出現油底殼開裂故障，且更換全新油底殼后，故障仍舊重復出現。經現場查看，所有故障油底殼開裂位置基本相同，裂縫長度在3～8cm之間。

對油底殼開裂部位進行抽樣檢測分析。油底殼由2mm板材，經多次沖壓工藝成型，裂縫處厚度在1．79～1．82mm之間，厚度減薄率符合沖壓工藝要求。油底殼材質為Q235B，其元素含量、力學性能檢測結果符合標準要求。開裂處取樣進行電鏡掃描，斷口呈現疲勞貝紋，初步斷定為機械應力性質的疲勞開裂，應力來源為分析重點。

1.2 發動機定位受力分析

發動機與變矩器剛性聯接，采用三點懸置方式固定在專用底盤H型鋼車架大梁上，兩側大梁之間焊有多條方箱橫撐，形成框架，整體結構抗扭性能較強，安裝基礎穩固。懸置點結合處均安裝減震膠墊，符合安裝規范。通過測量懸置點位置（圖1），計算發動機殼體后端彎矩：

圖1 動力單元受力模型圖

得出發動機殼體后端靜態彎矩Mx=1035 N·m，小于發動機設計限值1356N·m，發動機與變速箱匹配安裝符合要求。可排除因發動機安裝不當，機體受外力影響，產生機械應力集中，最終導致薄弱點疲勞開裂這一狀況。

1.3 振動及應力測試分析

測試方法：

在全新同型號油底殼外側，垂直裂紋方向貼應變片共計14處。在油底殼易產生裂紋位置平面處，在發動機飛輪殼頂端及兩側，在底盤車車架上平面處，分別粘貼共計6顆振動傳感器，接入數據采集儀，通過電腦讀取應變、振動信號以及發動機轉速等參數。

測試工況：

發動機初始怠速狀態控制油門加速，修井機提升管柱到作業高度后剎車，同時松開油門，發動機恢復至怠速，為一個測試周期。此過程中，發動機轉速短時間內達到最高，持續10s左右降至怠速。

測試數據分析：

一是從振動測試數據可以看出，工作時發動機主體在垂直方向的振幅是車架振幅的1．83倍左右，發動機安裝隔震率符合要求。發動機安裝懸置減震膠墊，有效的削弱了發動機振動傳遞，排除車架與發動機產生共振情況。

二是從油底殼測試點采集到的頻率瀑布圖可以看出，發動機轉速在1850r/min左右時，存在約93Hz的共振頻率（圖2）。經反復測試，無論空載還是重載荷，在任何檔位下，發動機轉速升至1850r/min左右時，共振情況隨即出現。

圖2 油底殼振動頻率瀑布圖

三是較大應力出現在修井機高轉速作業時（圖3），怠速狀態下，測點應力值僅為40MPa左右。隨著轉速增加，發動機的負荷增加，氣缸的爆發力也增大，激勵越大應變幅值越大。開裂區域應力最大（如表1），已超過Q235B鋼板屈服強度。

圖3 測點應變時域圖

綜合上述分析，可以確定發動機轉速在1850r/min左右時，因發動機點火激勵頻率與油底殼固有頻率相接近而產生共振。結合修井機起下作業工況，操作手會頻繁調整發動機轉速，每間隔120秒左右，發動機轉速會達到1850r/min一次。發動機長時間處于共振狀態且油底殼剛性不足是造成油底殼開裂故障的主要原因。

表1 沖壓底殼測試點應力記錄表

2 改進方案及效果

改進方案需要解決的主要問題，是在發動機工作轉速范圍內，避免油底殼產生共振。可通過提高油底殼剛度或改變油底殼材質來實現。

基于這一原則，先后采取了在油底殼與缸體之間加裝加強板；在油底殼內部焊接加強筋等改進措施，經現場實際測試，效果均不理想。后與發動機廠家結合，選用鑄鋁油底殼5313780，替換沖壓油底殼，經現場測試，原沖壓油底殼開裂位置，附近壓力得到大幅改善，測得最大應變約為514uε，在工作轉速范圍內再無共振情況出現。