頂驅通用型1 000 t拉伸試驗臺的研究與設計*

楊如意 于成龍 段立俊

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院)

0 引 言

作為鉆機的關鍵配套設備之一，鉆機頂部驅動裝置(以下簡稱頂驅)是集機、電、液和智能化控制于一體的技術密集型產品，屬于當今石油鉆井中的前沿裝備，其主要功能是驅動鉆柱旋轉、旋緊或松開鉆柱接頭、沿導軌上下移動完成鉆井作業。

頂驅的齒輪箱是整個頂驅傳動系統和主電機系統等的支撐部件，同時與吊環連接，承載鉆柱重力。提環是頂驅裝置重要的承載零件，銷軸通過提環與齒輪箱相連，上部吊裝在游車大鉤上，承擔頂驅和鉆柱的總體重力。根據GB/T 31049—2014《石油鉆機頂部驅動裝置》相關規定，頂驅出廠和大修后應對齒輪箱、提環及吊環等承載部件進行1.5倍額定載荷拉伸試驗，確保頂驅使用的安全性和可靠性。

目前國內市場常用的頂驅為40、50及70型頂驅，70型頂驅額定載荷4 500 kN，頂驅生產廠家包括北石、天意、景宏以及美國Varco。考慮到頂驅拉伸載荷試驗的必要性和頂驅類型的多樣性[1-2]，本文開展了頂驅通用型拉伸試驗臺技術的研究工作，并制定了相應的技術方案。

1 技術分析

1.1 整體結構

圖1為拉伸試驗臺主體功能實現設計圖。該試驗臺的主體設計思路為：利用液壓升降平臺調整頂驅放置高度；通過兩個牽引車連接頂驅兩端提環和吊環，從而固定頂驅；利用計算機處理系統通過控制PLC，調節液壓缸伸縮帶動連桿，對頂驅施加載荷；傳感器檢測拉力和位移信號并傳輸到計算機處理系統，通過該系統顯示試驗結果。

圖1 拉伸試驗臺主體功能實現設計圖Fig.1 The design diagram of the main function realization of the tensile test bench

根據以上設計思路，利用Solidworks軟件構建了拉伸試驗臺三維模型，如圖2所示。該頂驅通用型1 000 t拉伸試驗臺整體采用臥式結構，可對70型及其以下型號頂驅進行1.5倍額定載荷拉伸試驗。試驗臺主要由主機架、位移及拉力檢測系統、電液伺服系統及計算機處理系統等部分組成。

通過對試驗臺應力集中部位進行理論計算，并使用Solidworks軟件進行強度校核，最終確定試驗臺主體材料選用Q345B，耳板結構及其附近高應力區域與應力集中處材料選用Q460，應力過大的筋板材料選用Q690。

1.2 工作原理

拉伸試驗臺將頂驅提環一端固定，另一端通過PLC控制系統控制電液伺服閥的啟閉，使液壓缸活塞桿帶動頂驅吊環一側進行拉伸。

拉伸工藝流程為：確定試驗頂驅類型后，一方面作業人員將頂驅平臥放置在升降平臺上，根據試驗臺拉伸方向水平線的高度確定頂驅升降位置，選用相應的吊環工裝匹配接口，將頂驅與試驗臺進行連接，然后通過銷軸固定牽引車，并在牽引車處安裝位移傳感器；另一方面，在計算機軟件控制系統中設置相應的頂驅拉伸載荷及保載時間等參數，待頂驅安裝完畢后，安裝防護罩，啟動控制程序開始試驗[3-9]。

程序啟動后，試驗臺油缸開始動作，逐漸拉緊工件，并按照設定的保載值和保載時間自動調節伸縮速度，同時在計算機顯示屏上生成相應的拉力和位移隨時間的變化曲線。試驗過程中一旦發生拉力突然減小、位移變化量突然增大的情況，破斷保護機構動作，系統立即卸載，防止對拉伸工件造成進一步的損壞。試驗結束后可打印試驗曲線，便于后續分析和討論。試驗臺控制系統工作流程示意圖如圖3所示。

圖3 拉伸試驗臺控制系統工作流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of the work flow of the control system of the tensile test bench

1.3 主要技術特點

(1)利用牽引車和布距固定牽引車實現試驗臺對不同長度頂驅的兼容性，首先根據頂驅的長度確定布距固定牽引車的位置，用銷軸將其與主機架固定，再將頂驅提環與牽引車通過牽引銷固定，保證不同長度的頂驅都可以在試驗臺進行試驗。

(2)采用雙組液壓升降臺系統實現試驗臺對不同高度頂驅的兼容性，根據不同類型頂驅設定不同的升降高度，使試驗臺拉伸方向能夠始終與頂驅中心在同一水平線上。

(3)打破拉力測量的固有觀念，采用反壓式傳感器測量系統，拉力測量范圍大，占用空間小。

(4)采用電液伺服系統，將電控系統和液壓系統結合，通過PLC系統控制電磁換向閥等閥組與油泵電機的配合動作，實現試驗臺的逐級保載及連續加載功能。

(5)通過軟件設置相應頂驅的載荷參數，并能根據需要選擇拉伸試驗的自動/手動控制方式。

1.4 主要技術參數

公稱拉力10 000 kN，測量范圍2～100%FS(連續全程測量)，測量精度±1%；位移行程1 000 mm，測量精度±1%FS；最大測試尺寸(長×寬×高)6 500 mm×2 150 mm×1 100 mm；外形尺寸(長×寬×高) 21 500 mm×3 300 mm×2 000 mm；適合頂驅類型225～450 t。

2 拉伸試驗臺結構設計

2.1 主機架

根據北石、景宏、天意及Varco等公司設計的頂驅外形尺寸，確定了拉伸試驗臺被測試產品最大尺寸為6 344 mm×1 875 mm×1 400 mm。試驗臺主機架整體結構由主機梁、防護罩、布距固定牽引車、牽引小車、底座及地腳螺栓等組成(見圖4)。主機架底座通過地腳螺栓與地面連接固定。整機全長16 920 mm，總高度1 820 mm。

1—防護罩；2—主機梁；3—底座；4—牽引小車；5—布距固定牽引車。

主機梁與布距固定牽引車通過銷軸進行連接，布距固定牽引車(見圖5)利用滑輪結構可在主機梁上實現每步500 mm移動，并通過操作桿控制布距銷軸的伸縮，實現其與主機梁的連接固定，從而將拉伸載荷傳導到主機梁上。牽引小車一端通過吊環工裝與頂驅連接，另一端與加載系統進行螺栓連接，從而實現對頂驅工件的牽引。

1—布距銷軸；2—操作桿；3—滑輪；4—工裝接口。

2.2 加載系統

加載系統由液壓缸、承載拉桿、牽引拉桿、各部分連接件和滑道等組成，結構如圖6所示。它通過液壓缸活塞桿逐步帶動承載拉桿、活塞桿連接件、牽引車連接件及負載側連接件在滑道上運動，通過牽引拉桿帶動牽引小車向頂驅工件傳遞載荷，并對頂驅進行拉伸，從而實現加載功能[10]。

液壓缸包括缸體、活塞桿和加強箍3部分，兩側設置為法蘭結構，以與試驗臺連接，加強箍厚度為20 mm，作用是防止缸體變形。液壓缸額定壓力為26 MPa，活塞桿行程為1 000 mm[11]。

2.3 升降平臺

起升平臺由頂板、底板、支臂、套筒和液壓缸等組成，結構如圖7所示。通過調節液壓缸伸縮長度來調節升降臺高度。每個套筒與兩個支臂組合，以滿足升降時支架的長度要求。起升平臺單只載荷為60 kN，升降行程700 mm。

2.4 信號采集系統

頂驅拉伸試驗主要監測施加載荷值和位移變化量兩個參數，因此信號采集系統主要選用拉伸傳感器和位移傳感器進行信號采集和傳輸[12]。

2.4.1 拉伸傳感器

市場上常用拉力檢測傳感器為S式傳感器，體積較大，強度較低，本文研選了輪輻式應變傳感器。該傳感器外形扁而大、強度高，通過采用反壓式連接結構將其安裝在試驗臺中，不僅可實現載荷檢測功能，同時也減少了試驗臺占用的空間。

1—頂板；2—液壓缸；3—套筒；4—支臂；5—底板。

2.4.2 位移傳感器

本文選用了光電編碼式位移傳感器。試驗時在頂驅安裝完畢后將其固定在牽引車上，精準測量頂驅拉伸工件的位移變化量，為拉伸工件的試驗結果提供可靠依據。

3 控制系統及功能設計

3.1 液壓系統

試驗臺配套液壓系統主要采用電控液原理，主要由油箱、油泵電機組、手動控制閥、自動控制閥、手動回油閥、電磁換向閥、高壓球閥、管路、濾清裝置、安全保護裝置、壓力表和液位計等組成。其中：液位計為上下雙聯液位計，安裝在油箱右側，用來觀察液面高度；安全保護裝置由溢流閥和安全閥等組成，當系統壓力超過調定壓力時，溢流閥和安全閥會自動卸載以保障液壓系統的安全；液壓源正面裝有控制箱，控制箱內裝有空氣開關和啟動按鈕，并設有手動控制閥和手動回油閥旋鈕。液壓系統額定工作壓力26 MPa，安全閥調定壓力31 MPa，額定流量3.5 L/min，電動機功率18 kW。拉伸試驗臺液壓系統原理圖如圖8所示。

圖8 拉伸試驗臺液壓系統原理圖Fig.8 Schematic diagram of the hydraulic system of the tensile test bench

通過自動和手動兩種控制方式控制液壓缸活塞的伸縮速率和伸縮長度，實現試驗臺的連續加載和逐級保載功能，步驟如下。

(1)手動控制閥、手動回油閥與電磁換向閥組合使用，實現加載和卸載。頂驅安裝完畢后，應先將兩個高壓球閥打開。然后合上控制箱空開，工作人員在控制軟件中進行如下操作：將24 V電信號傳輸給三位四通電磁閥開啟位，檢查三位四通比例電磁閥關閉位，并且在確定手動回油閥已關閉后按下控制箱上啟動按鈕，啟動油泵電機；通過手動操作控制箱上的手動控制閥旋鈕實現加載和卸載(活塞的前進、后退)，順時針旋轉旋鈕，送油流量/加載速度變小直至為0，反之送油流量/加載速度增大。液壓控制系統通過對電機、三位四通閥及液控單向閥等的控制，可以實現26 MPa油壓的控制輸入。試驗結束后打開手動回油閥回油，液壓缸恢復初始狀態。

(2)自動控制閥通過計算機進行控制，實現試驗臺力/位移的自動控制[13]。在自動控制方式下，仍需先將兩個高壓球閥打開，合上控制箱空開，確認手動控制閥、手動回油閥和三位四通電磁閥已關閉。按下控制箱上啟動按鈕，啟動油泵電機，同時通過控制軟件輸入相應保載參數，啟動自動控制程序，將24 V電信號傳輸到三位四通比例電磁閥進行閥門開度自動調節，實現液壓缸加載的自動控制。

3.2 電控系統

電控系統采用VC++語言編程開發專用軟件，能夠設置相應保載參數、破斷參數，以及進行試驗力、位移的測量控制及數據處理，并且可對材料試驗的全過程進行監控，具有曲線、數據存儲功能及曲線放大功能[14]。圖9為參數設置界面。圖10為控制面板和曲線顯示界面。

圖9 參數設置界面Fig.9 Parameter setting inferface

圖10 控制面板和曲線顯示界面Fig.10 Control panel and curve display interface

電控系統硬件采用全新一代PLC SIMATIC S7-1500組件模塊。其中：電源模塊設置高低壓隔離的直流穩壓雙電源結構，實現PLC系統供電電源穩定輸出；AI/DI輸入模塊通過采用信號放大、A/D轉換方法，完成多路模擬量和數字量信號的處理；AO/DO輸出模塊采用光電輸出、D/A信號轉換及功率二次放大的方法，完成多信號源控制[15-16]。電控系統控制液壓系統動作，實現試驗臺拉伸功能，其控制策略如圖11所示。

圖11 電控系統控制策略流程圖Fig.11 Flow chart of control strategy of electronic control system

4 實際應用

2020年5月在某車間使用頂驅通用型1 000 t拉伸試驗臺對某40型頂驅進行了齒輪箱大修后拉伸試驗，設定最大試驗載荷為3 375 kN(1.5倍額定載荷)。試驗結果表明，頂驅齒輪箱、提環和吊環等承載部件試驗過程中無位移變化量(即無形變)，頂驅強度滿足使用要求。

試驗結束24 h內，分別使用磁粉探傷儀和超聲波探傷儀對頂驅承載部件進行了表層探傷和內部探傷，探傷結果良好，頂驅承載部件無損傷，驗證了拉伸試驗臺試驗結果的準確性。

5 結論及認識

(1)設計的頂驅通用型1 000 t拉伸試驗臺利用牽引車、布距固定牽引車和升降平臺的組合安裝方式，克服了因尺寸不同而無法兼測多類型頂驅拉伸性能的難題，實現了70型及其以下類型頂驅兼容性拉伸檢測。

(2)為拉伸試驗臺開發的軟件系統可根據實際需要選擇自動、手動控制方式，具體為：通過計算機軟件控制系統+三位四通比例電磁閥組合實現自動控制，提高系統控制精度；通過手動控制閥+手動回油閥+三位四通電磁閥組合使用實現手動控制，以滿足自動控制系統出現故障后，可采用手動控制方式進行拉伸試驗的要求，并充分滿足拉伸工件的逐級保載、連續加載等多種試驗功能要求，能夠最大化地模擬頂驅現場實際工況，使試驗結果更具可靠性。

(3)試驗臺應用結果表明：該試驗臺具備頂驅拉伸性能檢測能力，操作簡便，可實時顯示和打印試驗結果，同時安全性高，具有檢測破斷后自動卸載等功能。目前，該拉伸試驗臺僅考慮進行頂驅拉伸試驗的需求，若要同時兼容鉆桿和套管等工件的拉伸試驗，可對整體尺寸采取進一步優化的方式，同時還可根據需要增加拉伸工件應變檢測系統，對工件的應力集中點進行實時顯示和應力監測。