車載式電動(dòng)齒輪齒條修井機(jī)設(shè)計(jì)研究

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(1.中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.長慶油田分公司 機(jī)械制造總廠，西安 710201)

隨著我國大部分油田已進(jìn)入中后期開發(fā)階段，油田修井難度越來越大，采油工藝和油井狀況變得越來越復(fù)雜，油井故障率也變得越來越高，這些狀況使得修井任務(wù)越來越繁重、越來越復(fù)雜，對修井技術(shù)的要求也隨之提高。現(xiàn)有的修井裝備存在著自動(dòng)化程度低、工序繁瑣、工作效率低以及操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題[1-3]。

針對上述問題，提出一種新型車載式電動(dòng)齒輪齒條修井機(jī)。電動(dòng)齒輪齒條修井機(jī)從動(dòng)力來源、管柱升降、旋轉(zhuǎn)作業(yè)等方面與傳統(tǒng)修井機(jī)相比，不需要配置內(nèi)燃機(jī)、絞車、游吊系統(tǒng)、鋼絲繩等，而采用齒輪傳動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)油田修井作業(yè)管柱的升降、旋轉(zhuǎn)等功能，避免了內(nèi)燃機(jī)對環(huán)境的污染,簡化了傳動(dòng)路線,提高了傳動(dòng)效率。

1 齒輪齒條修井機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 功能要求

1) 升降作業(yè)功能。齒輪齒條修井機(jī)通過齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)提升及下放管柱的功能,其傳動(dòng)路線如圖1所示。提升及下放功能可完成對待修的抽油管柱、抽油泵等采油設(shè)備和工具提升，修理后的管柱等的下放，以及抽吸、撈砂、機(jī)械清蠟等作業(yè)[4]。

1—液壓馬達(dá)；2—聯(lián)軸器；3—擺線針輪減速器；4—聯(lián)軸器；5—升降齒輪；6—升降齒條；7—制動(dòng)帶；8—制動(dòng)器。圖1 齒輪齒條修井機(jī)升降功能傳動(dòng)路線

2) 旋轉(zhuǎn)作業(yè)功能。齒輪齒條修井機(jī)通過液壓馬達(dá)、減速器減速增扭，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)作業(yè),其傳動(dòng)路線如圖2所示。齒輪齒條修井機(jī)的旋轉(zhuǎn)功能可實(shí)現(xiàn)鉆砂堵、鉆水泥塞、擴(kuò)孔、磨削、側(cè)鉆及修補(bǔ)套管等功能[5]。

1—液壓馬達(dá)；2—聯(lián)軸器；3—擺線針輪減速器；4—聯(lián)軸器；5—齒輪減速箱；6—聯(lián)軸器；7—制動(dòng)盤；8—制動(dòng)器；9—吊卡；10—管柱。

1.2 齒輪齒條修井機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)齒輪齒條修井機(jī)升降和旋轉(zhuǎn)功能，齒輪齒條修井機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，通過液壓元件把液壓油分別輸送到液壓馬達(dá)(序號17、20、21、23)，液壓馬達(dá)通過擺線針輪減速器減速增扭驅(qū)動(dòng)升降齒輪，4對升降齒輪與齒條同時(shí)嚙合實(shí)現(xiàn)修井機(jī)的升降功能；液壓泵(序號2)輸出的液壓油通過液壓元件分別輸送到液壓馬達(dá)(序號25、26)，液壓馬達(dá)通過擺線針輪減速器和齒輪減速箱減速增扭驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)吊卡，實(shí)現(xiàn)修井機(jī)的旋轉(zhuǎn)作業(yè)功能。

1—單向閥；2—液壓泵；3—電動(dòng)機(jī)；4—過濾器；5—油位器；6—溫度計(jì)；7—二位四通電磁換向閥；8—先導(dǎo)式溢流閥；9—壓力表開關(guān)；10—壓力表；1、34—三位四通電磁換向閥；12、13、32、33—單向調(diào)速閥；14、15、16、31—分流閥；17、20、21、23、25、26—雙向液壓馬達(dá)；18、19、22、24、27、28—擺線針輪減速器；29、30—齒輪減速箱。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3.1升降和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

升降系統(tǒng)和動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)安裝在修井機(jī)井架工作臺上，如圖4所示。

1—井架；2—升降齒條；3—升降制動(dòng)帶；4—制動(dòng)器；5—升降齒輪；6—擺線針輪減速器；7—升降導(dǎo)軌；8—吊卡；9—管柱；10—旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)液壓馬達(dá)；11—旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)擺線針輪減速器；12—減速箱；13—制動(dòng)器固定板；14—升降系統(tǒng)液壓馬達(dá)；15—井架工作臺。

井架工作臺上安裝有動(dòng)力頭升降系統(tǒng)，壓力能傳遞至液壓馬達(dá)(序號14)，輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)過擺線針輪減速器減速增扭，傳給井架工作臺上的齒輪，齒輪與安裝在井架上的齒條嚙合帶動(dòng)工作臺沿著安裝在井架上的導(dǎo)軌上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)修井機(jī)的升降作業(yè)功能；為了承受大的載荷，同時(shí)考慮井架受力平衡問題，設(shè)計(jì)了同步并行的4套升降系統(tǒng)。井架工作臺上也安裝有動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，壓力能傳遞至液壓馬達(dá)(序號10)，輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)過擺線針輪減速器減速增扭，將動(dòng)力傳遞至齒輪減速箱進(jìn)一步減速增扭，將輸出的轉(zhuǎn)矩傳遞至輸出軸，輸出軸帶動(dòng)與之相連的吊卡，實(shí)現(xiàn)修井機(jī)的旋轉(zhuǎn)作業(yè)；考慮到受力平衡問題，設(shè)計(jì)了同步并行的2套旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。

1.3.2井架

井架是修井機(jī)的支撐部件，它在修井生產(chǎn)過程中，用于安放起升設(shè)備與工具，以及升降與存放油管、抽油桿等，承受提升管柱的載荷。井架移運(yùn)時(shí)平放在運(yùn)載車的前支架上。因此，井架在滿足修井過程中各種工況所需承載能力的同時(shí)，必須有足夠的剛性和穩(wěn)定性，還有盡量小的質(zhì)量和外形尺寸，并便于拆裝、移運(yùn)、維修及修井作業(yè)等。井架的安全直接關(guān)系到整個(gè)修井機(jī)的安全，井架的設(shè)計(jì)要充分考慮安全性和可靠性。所以對車載修井機(jī)井架設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮井架材料、井架形狀、斜撐形狀、井架工作臺以及井架的立起與放平等情況[6]。

井架材料決定井架安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性的重要因素，根據(jù)API spec 4F的標(biāo)準(zhǔn)，井架材料的屈服強(qiáng)度不能低于235 MPa。齒輪齒條修井機(jī)井架在工作時(shí)直立，不需要傾斜，在使用過程中不需要繃?yán)K，作業(yè)時(shí)僅僅通過支腿進(jìn)行支撐，因此需要的材料強(qiáng)度和剛度要求更高。又因井架的結(jié)構(gòu)采用焊接的方式連接，所以要求其材料的焊接性能要好。因此井架主體的材料選擇Q345B，斜撐的材料選擇Q235B。

井架依據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為K型、A型、塔型和桅型4種。桅型井架為矩形空間結(jié)構(gòu)，便于安裝升降工作臺，因此選用桅型井架。但常規(guī)的桅型井架內(nèi)部空間較小，為了方便安裝動(dòng)力頭和齒條，對傳統(tǒng)的桅型井架進(jìn)行了改進(jìn)，井架上設(shè)計(jì)有齒條和導(dǎo)向裝置，井架工作臺上安裝有導(dǎo)向滾輪，導(dǎo)向滾輪保證井架工作臺平穩(wěn)地升降。桅型井架結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.3.3修井機(jī)整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)齒輪齒條修井機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)對修井機(jī)整體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由汽車底盤、井架、工作臺、升降系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等組成[7-8]，如圖6所示。

圖6 齒輪齒條修井機(jī)整體結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵零部件有限元分析

2.1 升降系統(tǒng)齒輪齒條疲勞強(qiáng)度分析

齒輪齒條傳動(dòng)是修井機(jī)升降系統(tǒng)的關(guān)鍵，為確保所設(shè)計(jì)齒輪齒條傳動(dòng)的安全性，采用ANSYS Workbench中的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)模塊，對齒輪齒條傳動(dòng)進(jìn)行仿真分析[9]。

利用ANSYS軟件對齒輪齒條進(jìn)行強(qiáng)度分析。齒輪材料為40Cr，表面淬火處理，硬度HRC48～55；齒條材料為45鋼，經(jīng)表面淬火處理后，硬度為HRC43～50；材料彈性模量均為206 GPa，泊松比為0.3；齒輪與齒條采用摩擦接觸，摩擦因數(shù)0.2。考慮到加載情況，齒輪與升降主軸之間設(shè)置旋轉(zhuǎn)副。網(wǎng)格采用自由劃分，對齒輪齒條的齒部進(jìn)行局部細(xì)化。

仿真按照修井機(jī)滿載工況對齒輪齒條傳動(dòng)模型進(jìn)行約束和加載，最大起升載荷900 kN，轉(zhuǎn)速6.29 r/min。首先對齒條添加固定約束，再約束升降主軸只能沿著齒條方向上下移動(dòng)，給升降主軸添加250 kN的徑向載荷，方向豎直向下，齒輪可以繞著升降主軸順時(shí)針進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速0.66 rad/s， 設(shè)置好的齒輪齒條約束與加載情況如圖7所示。

圖7 齒輪齒條約束與加載

對滿載工況下齒輪齒條傳動(dòng)的仿真結(jié)果應(yīng)力云圖如圖8所示，傳動(dòng)過程最大應(yīng)力約為399 MPa。升降齒輪的應(yīng)力云圖如圖9所示，齒部應(yīng)力大多集中在200 MPa左右，最大應(yīng)力399 MPa，出現(xiàn)在齒輪的齒根處。齒輪的許用彎曲疲勞強(qiáng)度為420 MPa，最大應(yīng)力小于其許用強(qiáng)度，所以齒輪強(qiáng)度滿足要求。齒條的應(yīng)力云圖如圖10所示，齒部應(yīng)力大多集中在120 MPa左右，最大應(yīng)力330 MPa，出現(xiàn)在齒條的齒根處。齒條許用彎曲疲勞強(qiáng)度385 MPa，最大應(yīng)力小于其許用強(qiáng)度，所以齒條強(qiáng)度滿足要求，齒輪傳動(dòng)安全。

圖8 齒輪齒條應(yīng)力云圖

圖9 齒輪應(yīng)力云圖

2.2 修井機(jī)井架強(qiáng)度和剛度分析

井架是修井作業(yè)的支撐系統(tǒng)，因其高度高，受環(huán)境影響較大，為確保修井作業(yè)順利進(jìn)行，采用ANSYS Workbench中的靜力學(xué)模塊，對井架受力和變形情況進(jìn)行仿真分析[10]。

在SolidWorks中建立井架簡化幾何模型，然后導(dǎo)入Workbench中，如圖11所示。井架材料為Q345B，彈性模量206 GPa、密度7 850 kg/m3、泊松比0.3。交叉桁架與角鋼、水平板均為固定接觸，齒條與水平板也是固定接觸，4個(gè)鉸座都固定在角鋼上。網(wǎng)格采用自由劃分形式，對接觸部位網(wǎng)格進(jìn)行加密。

圖10 齒條局部應(yīng)力云圖

圖11 井架模型

滿載工況下井架的仿真變形云圖如圖13所示。最大變形約為2.1 mm，井架的升降剎車裝置、升降導(dǎo)向裝置均可正常工作；井架變形為整體彎曲變形，各齒條間距離保持不變，齒輪齒條升降機(jī)構(gòu)仍可正常作業(yè)，所以井架剛度滿足要求。

仿真按照修井機(jī)滿載工況對井架模型進(jìn)行約束和加載，井架除受自身重力和風(fēng)載以外，還要承受900 kN的工作載荷。按照大陸所遇8級大風(fēng)分析，風(fēng)速約為17～20 m/s，則風(fēng)壓，約為245 Pa。對井架底部，2個(gè)固定鉸座和2個(gè)升降鉸座均設(shè)置固定約束，井架投影最大面均施加245 Pa的壓力，井架受標(biāo)準(zhǔn)地球重力，再對4組齒條頂端各加載250 kN的力，方向豎直向下，設(shè)置好的井架約束與加載如圖12所示。

圖12 井架約束與滿載載荷加載

圖13 井架滿載變形云圖

滿載工況下井架的仿真應(yīng)力云圖如圖14所示。由圖14可以看出，最大應(yīng)力約為47.1 MPa，出現(xiàn)在井架最低端。井架的許用強(qiáng)度為118 MPa，井架最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用強(qiáng)度，井架強(qiáng)度滿足要求。

3 結(jié)論

1) 新型齒輪齒條修井機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)修井作業(yè)的升降功能和旋轉(zhuǎn)功能；通過ANSYS分析，齒輪齒條修井機(jī)能夠滿足剛性和強(qiáng)度要求。

2) 齒輪齒條修井機(jī)省去了常規(guī)修井機(jī)中的絞車、游吊系統(tǒng)、天車、鋼絲繩等，其傳動(dòng)效率比常規(guī)修井機(jī)的效率高。

3) 通過工作臺把升降裝置與旋轉(zhuǎn)裝置連接起來，在作業(yè)需要的情況下能實(shí)現(xiàn)對管柱施加上下方向的作用力和旋轉(zhuǎn)力矩,實(shí)現(xiàn)一機(jī)兩用。

圖14 井架滿載應(yīng)力云圖

4) 齒輪齒條修井機(jī)作業(yè)時(shí)井架豎直放置，從而避免了常規(guī)修井機(jī)井架要向井口傾斜一定的角度，導(dǎo)致井架的中心與型心不重合帶來的不穩(wěn)定性，穩(wěn)定性更好。

5) 該齒輪齒條修井機(jī)直接用修井現(xiàn)場的電源，省去了常規(guī)修井機(jī)車載內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力，既環(huán)保又能節(jié)省能源。