吊環(huán)防彈助推裝置研制

張凱　管海慶　白瑞義　劉興山

井下作業(yè)在野外施工，工作過程主要通過人與機械配合完成管柱起下作業(yè)，達(dá)到修井作業(yè)的目的，屬高危生產(chǎn)行業(yè)。近年來隨著油田領(lǐng)導(dǎo)的重視和員工安全意識的不斷提高，以及安全新工藝、新工具的不斷研制配套完善（如“三防”：防碰天車、防墜落器、防擠手保護(hù)裝置），各種事故隱患得到有效控制，有力杜絕了安全事故的發(fā)生。但是在日常起下鉆過程中，井口操作人員由于受人員素質(zhì)、施工環(huán)境、天氣等外部因素的影響，難免會出現(xiàn)誤操作、掛單吊環(huán)和掛碰等問題，尤其是吊環(huán)彈出事故。不但造成人身傷害，而且?guī)順O大的經(jīng)濟(jì)損失。為此，我們對吊環(huán)防彈助推裝置進(jìn)行了研制。

一、提出方案并確定最佳方案

我們通過網(wǎng)上查詢和市場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)市場上沒有這類產(chǎn)品銷售，現(xiàn)場也沒有可直接借鑒的裝置。于是召開會議，應(yīng)用“頭腦風(fēng)暴”法，對如何“研制吊環(huán)防彈助推裝置”這個課題進(jìn)行了充分討論，提出多種方案。

1、活動式制動問題方案分解：

通過分析借鑒生活中汽車安全帶短距離快速制動原理及液壓缸工作原理，依據(jù)液體的不可壓縮性，設(shè)計液壓缸和配套活塞并通過液壓截流的方式減緩吊環(huán)彈出速度。

1）液壓缸及配套活塞選擇：

由于受吊環(huán)垂直臂展距離的限制，如果定制和加工成本高、時間長，市場成品單個成本低，時間快，通過對比分析確定采用外徑?73mm，內(nèi)徑?60mm，活塞厚度35mm成品液壓缸。

2）節(jié)流孔徑選擇：

確定了液壓缸及活塞后，為實現(xiàn)節(jié)流減速，需要在活塞上做文章，通過分析決定在活塞本體布孔，通過通孔節(jié)流起到緩速作用;同時又滿足正常工作（正常摘掛吊環(huán)）需要，為此，進(jìn)行了詳細(xì)計算和現(xiàn)場分析評價，優(yōu)選出最佳實施方案。

節(jié)流孔直徑計算：

Q = V ·（π·d2 /4） ?得出： d =（4·Q/π·V）1/2

計算得出：d=（4*36/3.14*0.2）1/2=3.0mm;根據(jù)流速計算公式：

V=Q/（πd2/4）計算得出：V=35/（3.14*0.0032/4）=0.2m/s;

結(jié)論：根據(jù)計算結(jié)果可以看出?3.0mm通孔流量0.2m/s，吊環(huán)臂展范圍為0.5m，從數(shù)值分析滿足要求;另外，根據(jù)現(xiàn)場操作速度、實用性結(jié)果評價，?3.0mm圓型通孔滿足正常使用要求。

2、彈簧助推方案分解：

依靠彈簧彈性變形后的平衡恢復(fù)原理解決助推問題。根據(jù)要求對彈簧的的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算。首先滿足彈簧在一定載荷下工作需要，要求中徑為18mm，外徑不大于22mm，當(dāng)拉伸變形量為λ1=7.5mm時，拉力F1=180N，拉伸變形量為λ2=17mm時，拉力F2=340N。根據(jù)D-D1≤22-18mm=4mm，估取彈簧絲直徑為d=3.0mm。

則K1=（4C-1/4C-4）+（0.615/C）≈1.25 由d≥1.6（K1FC/τ）1/2≈2.95mm

將d1圓整取彈簧絲標(biāo)準(zhǔn)直徑d=3.0mm，

則：D2=C*d=6*3.0=18mm ? ? ? ?D=D2+d=18+3=21mm 取值合適。

根據(jù)剛度條件計算彈簧圈數(shù)n ? 則剛度的定義求得彈簧剛度為：

K=F/λ=（F2-F1）/λ2-λ1=340-180/17-7.5=16.8N/mm則彈簧圈數(shù)n=G*d4/8KD32=81000*34/8*16.8*183=22

結(jié)論：通過以上計算，確定采用鋼絲直徑?3mm、工作圈數(shù)為22圈B級強度的碳素彈簧鋼絲，以滿足使用要求。

3、固定方案分解：

為不影響正常施工，選用專用卡子用螺栓加裝彈簧墊橫向固定在吊環(huán)臂展之間，因吊環(huán)彈出時主要受力件為螺栓，通過計算選擇相應(yīng)螺栓規(guī)格。

螺紋抗拉強度計算：

根據(jù)材料的材質(zhì)，調(diào)質(zhì)強度，查得：

得F0=25.898KN>6.2kN

結(jié)論： 通過計算M30×1.5螺栓，抗拉強度滿足受力需求，可以使用。

4、凸輪軸鉸接方案分解：

凸輪軸鉸接在吊環(huán)之間，由于空間狹小，材質(zhì)需要滿足要求，能否滿足受力要求，通過查表和計算的方式，對凸輪軸連接部位抗拉強度進(jìn)行計算：

凸輪軸接頭的薄弱環(huán)節(jié)集中在球頭的下端，直徑為Φ14mm，只要這個部位滿足受力要求，其它部分就滿足要求。

查機械設(shè)計手冊得45#不銹鋼材質(zhì)的計算公式：

=15.092kN

由于凸輪軸是成品件，廠家提供的資料顯示凸輪軸的抗拉強度為15.2 kN。

結(jié)論： 經(jīng)計算凸輪軸的抗拉強度與廠家提供的數(shù)據(jù)基本相同，因此，滿足使用需求。

二、對策實施

我們根據(jù)確定的工具尺寸及受力要求進(jìn)行加工。其中，防彈助推工具工作原理為工具連接在吊環(huán)之間的上部，現(xiàn)場操作人員拉動吊環(huán)摘掛吊環(huán)時，吊環(huán)帶動連桿，活塞一起運行，使液壓缸內(nèi)彈簧受到壓縮，液體的不可壓縮性使液壓油流過活塞上的通孔，由于孔眼產(chǎn)生節(jié)流作用，液壓油不能快速通過圓孔，減緩了活塞的彈出速度（彈出越快，阻力越大）起到防彈作用。松開吊環(huán)時，液壓缸內(nèi)受到壓縮的彈簧迅速恢復(fù)（彈簧受到壓縮的力越大，復(fù)位越快）原位，使吊環(huán)恢復(fù)垂直狀態(tài)，起到助推作用。

三、主要效果

工具加工成型后，我們分別在兩口井進(jìn)行現(xiàn)場驗證。結(jié)果顯示：驗證工具在出現(xiàn)單吊環(huán)、吊環(huán)外彈瞬間（液壓油的節(jié)流作用）能夠快速制動，起到防彈作用，同時受到壓縮的彈簧迅速恢復(fù)（彈簧受到壓縮的力越大，反彈越大）將吊環(huán)拉回原位，起到保護(hù)到井口操作人員的安全的效果。