自適應(yīng)天車導(dǎo)繩輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

□ 李永飛 □ 周小明 □ 王小權(quán) □ 曾興昌 □ 王軍偉

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1 設(shè)計(jì)背景

天車起升系統(tǒng)是鉆機(jī)的重要組成部分[1-3]。提升鉆桿時,鋼絲繩通過天車導(dǎo)繩輪纏繞在絞車滾筒上。絞車滾筒為帶有繩槽的圓柱結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有天車導(dǎo)繩輪結(jié)構(gòu)如圖1所示。隨著絞車滾筒容繩量的增加,鋼絲繩很容易產(chǎn)生亂繩現(xiàn)象。鋼絲繩在絞車滾筒上左右移動,在導(dǎo)繩輪輪緣處會產(chǎn)生一個偏角[4],由此鋼絲繩在導(dǎo)繩輪輪緣處會產(chǎn)生很大的側(cè)向力,不僅加劇導(dǎo)繩輪偏磨,而且使導(dǎo)繩輪軸承工作工況更惡劣[5-7]。導(dǎo)繩輪與絞車滾筒工作示意圖如圖2所示。導(dǎo)繩輪焊接在天車架上,鋼絲繩在絞車滾筒上進(jìn)行軸向移動纏繞,與導(dǎo)繩輪徑向中心面形成夾角α和β,α和β在一定范圍內(nèi)變化。由于導(dǎo)繩輪與絞車滾筒徑向中心面存在偏心距e,因此α與β不相等。由此,導(dǎo)繩輪在繩槽出繩點(diǎn)會受到較大的側(cè)向力F1與F2作用[8-9]。側(cè)向力很容易使鋼絲繩在絞車滾筒上產(chǎn)生亂繩現(xiàn)象,同時也會影響導(dǎo)繩輪的穩(wěn)定性,加劇磨損,縮短軸承及鋼絲繩的使用壽命。當(dāng)側(cè)向力過大時,會導(dǎo)致軸承壓板的壓緊螺釘松動,使軸承脫落。

筆者以如何減緩或消除導(dǎo)繩輪所受鋼絲繩的側(cè)向力為主要研究內(nèi)容,對自適應(yīng)天車導(dǎo)繩輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與受力分析。結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)天車導(dǎo)繩輪從根本上消除了導(dǎo)繩輪在繩槽出繩點(diǎn)所受的側(cè)向力,關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度完全滿足天車的使用要求。

▲圖1 現(xiàn)有天車導(dǎo)繩輪結(jié)構(gòu)

2 現(xiàn)有天車導(dǎo)繩輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

通過對鋼絲繩亂繩及導(dǎo)繩輪偏磨的分析可知,當(dāng)鋼絲繩偏離導(dǎo)繩輪位置時,會在導(dǎo)繩輪輪槽處及鋼絲繩與滾筒接觸面產(chǎn)生側(cè)向力。偏離距離越大,側(cè)向力就越大。當(dāng)鋼絲繩與絞車滾筒間的摩擦力不足以克服側(cè)向力時,鋼絲繩就很容易在絞車滾筒上滑動,導(dǎo)致亂繩現(xiàn)象。這一側(cè)向力還會使導(dǎo)繩輪軸承產(chǎn)生很大的傾覆力矩,加劇導(dǎo)繩輪輪緣的偏磨,甚至造成導(dǎo)繩輪失穩(wěn)或軸承脫落。因此,減小鋼絲繩與絞車滾筒及導(dǎo)繩輪之間的側(cè)向力,對于減少絞車滾筒亂繩,緩解導(dǎo)繩輪偏磨具有實(shí)際意義。導(dǎo)繩輪或絞車滾筒所受鋼絲繩的最大側(cè)向力為:

▲圖2 現(xiàn)有天車導(dǎo)繩輪與絞車滾筒工作示意圖

F1=Fsinα

(1)

F2=Fsinβ

(2)

式中:F為天車提升鉆桿時鋼絲繩的拉力。

由上述分析可以看出,減小鋼絲繩對導(dǎo)繩輪及絞車滾筒的側(cè)向力,可以從三方面進(jìn)行研究。

(1)適當(dāng)減小絞車滾筒寬度,可以減小鋼絲繩位于絞車滾筒兩端時與導(dǎo)繩輪徑向中心面的夾角。

(2)增大導(dǎo)繩輪與絞車滾筒間的距離,可以減小鋼絲繩位于絞車滾筒兩端時與導(dǎo)繩輪徑向中心面的夾角。

(3)改進(jìn)導(dǎo)繩輪結(jié)構(gòu),使導(dǎo)繩輪在轉(zhuǎn)動的同時可以隨鋼絲繩左右擺動,進(jìn)而減小甚至消除鋼絲繩位于絞車滾筒兩端時與導(dǎo)繩輪徑向中心面的夾角。

由于鉆井設(shè)備受空間布局的限制,若減小絞車滾筒寬度,會增大絞車滾筒上纏繞鋼絲繩的厚度,這樣不利于絞車滾筒的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場實(shí)際使用。受鉆臺面的限制,也不可能將導(dǎo)繩輪與絞車滾筒之間的距離無限增大,并且這樣做對減小鋼絲繩位于絞車滾筒兩端時與導(dǎo)繩輪徑向中心面的夾角并不顯著。

對導(dǎo)繩輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,在保持各鉆井設(shè)備結(jié)構(gòu)布局不變的前提下,使導(dǎo)繩輪可以隨鋼絲繩在一定范圍內(nèi)左右擺動一定角度,進(jìn)而在很大程度上減小甚至消除鋼絲繩位于絞車滾筒兩端時與導(dǎo)繩輪徑向中心面的夾角。導(dǎo)繩輪徑向中心面與鋼絲繩的夾角為0°,導(dǎo)繩輪在輪緣處不會受到鋼絲繩側(cè)向力的影響,這樣就不會導(dǎo)致導(dǎo)繩輪偏磨、失穩(wěn)或軸承脫落現(xiàn)象,同時可以在很大程度上降低鋼絲繩在絞車滾筒上亂繩的概率。

3 自適應(yīng)天車導(dǎo)繩輪結(jié)構(gòu)

通過對現(xiàn)有導(dǎo)繩輪的受力分析,以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)繩輪隨鋼絲繩一起自由擺動一定角度為目標(biāo),將導(dǎo)繩輪設(shè)計(jì)為可繞鋼絲繩中心線旋轉(zhuǎn)一定角度的結(jié)構(gòu)[10]。自適應(yīng)天車導(dǎo)繩輪結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要包括固定支架、可轉(zhuǎn)動支架等。可轉(zhuǎn)動支架通過同軸的上部旋轉(zhuǎn)軸及下部轉(zhuǎn)動支座,可以相對固定支架左右擺動一定角度。將導(dǎo)繩輪安裝在可轉(zhuǎn)動支架上,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)繩輪以鋼絲繩中心線為軸線在一定范圍內(nèi)左右擺動,進(jìn)而達(dá)到減小甚至消除鋼絲繩在導(dǎo)繩輪輪緣處偏磨的目的,同時減少甚至消除絞車滾筒亂繩。

▲圖3 自適應(yīng)天車導(dǎo)繩輪結(jié)構(gòu)

天車在提升鉆桿的過程中,鋼絲繩在絞車滾筒上纏繞并做軸向移動,在鋼絲繩與絞車滾筒的接觸面及導(dǎo)繩輪輪緣上均產(chǎn)生側(cè)向力。由于導(dǎo)繩輪可以相對固定支架在一定范圍內(nèi)隨鋼絲繩左右擺動一定角度,因此導(dǎo)繩輪在輪緣側(cè)向力的作用下,與可轉(zhuǎn)動支架一起繞固定支架左右擺動一定角度,并且始終使導(dǎo)繩輪徑向中心面與鋼絲繩共面,從而達(dá)到消除鋼絲繩對導(dǎo)繩輪輪緣及鋼絲繩與絞車滾筒接觸面產(chǎn)生側(cè)向力的目的,同時降低鋼絲繩在絞車滾筒上亂繩的可能性,減小導(dǎo)繩輪的磨損。

自適應(yīng)天車導(dǎo)繩輪與絞車滾筒工作示意圖如圖4所示。

▲圖4 自適應(yīng)天車導(dǎo)繩輪與絞車滾筒工作示意圖

4 關(guān)鍵部件強(qiáng)度分析

自適應(yīng)天車導(dǎo)繩輪工作時,可轉(zhuǎn)動支架主要通過上部旋轉(zhuǎn)軸及下部轉(zhuǎn)動支座與固定支架相連實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動。由工作原理分析可以看出,可轉(zhuǎn)動支架在受力情況下相當(dāng)于一個懸臂梁,固定支架、可轉(zhuǎn)動支架及相應(yīng)接觸面的接觸強(qiáng)度較大。筆者對自適應(yīng)天車導(dǎo)繩輪上述關(guān)鍵部件進(jìn)行強(qiáng)度分析[11-14]。

自適應(yīng)天車導(dǎo)繩輪有限元模型如圖5所示,載荷約束如圖6所示。

▲圖5 自適應(yīng)天車導(dǎo)繩輪有限元模型

經(jīng)有限元計(jì)算,天車鋼絲繩所承受的最大拉力為277.4 kN。為安全起見,假設(shè)導(dǎo)繩輪進(jìn)出鋼絲繩平行,因此可轉(zhuǎn)動支架兩個連接孔上的受力為554.8 kN。

▲圖6 自適應(yīng)天車導(dǎo)繩輪載荷約束

由此,對可轉(zhuǎn)動支架每個軸承孔施加的力的大小為277.4 kN。

固定支架及可轉(zhuǎn)動支架材料為Q355B低合金結(jié)構(gòu)鋼,屈服強(qiáng)度為325 MPa。上部旋轉(zhuǎn)軸、下部固定座、下部轉(zhuǎn)動支座材料均為35CrMoA合金鋼,屈服強(qiáng)度為540 MPa。

固定支架應(yīng)力云圖如圖7所示,可轉(zhuǎn)動支架應(yīng)力云圖如圖8所示,上部旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)力云圖如圖9所示,下部固定座應(yīng)力云圖如圖10所示。

▲圖7 固定支架應(yīng)力云圖

由圖7～圖10可知,自適應(yīng)天車導(dǎo)繩輪所有關(guān)鍵部件的最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于材料的屈服極限。因此,自適應(yīng)天車導(dǎo)繩輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足天車的使用要求。

▲圖8 可轉(zhuǎn)動支架應(yīng)力云圖

▲圖9 上部旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)力云圖

▲圖10 下部固定座應(yīng)力云圖

5 結(jié)束語

筆者通過對目前石油鉆機(jī)天車導(dǎo)繩輪嚴(yán)重偏磨、絞車滾筒鋼絲繩亂繩的原因及天車導(dǎo)繩輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)天車導(dǎo)繩輪。經(jīng)理論分析及對自適應(yīng)天車導(dǎo)繩輪關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析,確認(rèn)這一自適應(yīng)天車導(dǎo)繩輪從根本上消除了導(dǎo)繩輪所受的側(cè)向力,同時消除了導(dǎo)繩輪偏磨、鋼絲繩磨損、鋼絲繩在絞車滾筒上亂繩現(xiàn)象,關(guān)鍵部件強(qiáng)度均滿足材料強(qiáng)度要求和天車使用要求。