基于液壓翻轉式吊卡的研制探索

馬強維

（江蘇如通石油機械股份有限公司，江蘇 南通 226400）

我國第一臺500t全液壓翻轉式吊卡于2010年研制成功，憑借其主體可翻轉90°的結構特征，與頂部驅動系統配合實現鉆具送入環節的自動化操作與遠程控制功能，滿足實際作業需要。通過結合吊卡結構特征與作業需求進行改進優化方案的研究，對于促進鉆井速度加快與自動化水平提升具有現實借鑒意義。

1 方案設計

1.1 結構與參數設計

液壓翻轉式吊卡作為鉆機起下鉆環節應用到的作業設備，采用對開式結構設計，設備主體部分由主體、左活門、右活門、鎖舌體、自鎖機構、液壓缸、安全保險機構、補心機構、連桿機構以及旋轉機構組成。在技術參數設計上，吊卡的工作溫度為-20～+50℃，工作壓力為14MPa，額定載荷為4500kN，系統工作流量為15L/min，旋轉機構的旋轉角度控制在0～90°，采用電液控制模式。

1.2 基本工作原理

在吊卡運行過程中，主要依靠伸縮分級液壓油缸與連桿機構配合控制設備左、右兩側的活門執行打開或閉合動作，在旋轉油缸的驅動下使旋轉機構帶動吊卡沿垂直方向進行90°翻轉，在設備內部設有自鎖機構，用于在設備運行振動過大或外部撞擊等作用下使鎖舌保持緊鎖狀態，防范因自動解鎖產生安全隱患，并且有效解決手動機械式吊卡作業環節頻繁更換的問題，提高操作安全性。

2 技術優化與試驗

2.1 關鍵技術

在液壓翻轉式吊卡的關鍵結構設計上強化技術支持，涉及的關鍵技術主要體現在以下三個方面：（1）在自鎖機構設計上，吊卡主體部分采用對開式結構設計，通過將液壓油缸與連桿機構進行連接，驅動連桿機構轉動，進而帶動自鎖機構控制兩側活門的開啟與閉合動作。其中自鎖機構由檔銷、杠桿板、壓銷以及補心機構組成，當自鎖機構控制鎖舌體關閉時，吊卡設備處于運行作業模式，對補心機構施加一定的壓力，經由襯套傳力至自鎖機構，使鎖銷自動頂出，將鎖舌鎖緊，有效防范在整體作業過程中吊卡自動開啟；當吊卡處于空載模式下，鎖銷松開、鎖舌彈出，解除自鎖狀態，將吊卡開啟。通過運用自鎖機構進行吊卡內部連接處理，能夠有效發揮安全保險作用，滿足設備自動化與安全作業需求。（2）在旋轉機構設計上，基于液壓驅動原理給予技術支持，當吊卡處于工作狀態下，在液壓油缸的驅動下使旋轉機構開始旋轉，經由過渡頭將扭矩傳導至擋板位置，促使吊卡主體部分旋轉出一個直角。在旋轉機構上設有一個固定夾頭，通過旋緊調節螺栓使吊環被包裹在尼龍卡箍內部夾緊，在此過程中支架始終處于垂直狀態，配合安全繩發揮對旋轉機構的有效保護作用。當鉆機執行起下鉆操作時，通過主體結構與頂部驅動系統的配合，實現鉆桿、鉆具的自動送入操作。（3）在補心機構設計上，主要由補心襯套、定位銷、鎖銷總成組成，利用定位銷將襯套固定在吊卡主體部分上，與主體、活門實現緊密貼合，滿足各類規格大小管柱的要求，并通過與鎖銷總成的配合實現襯套的靈活便捷更換，防止在作業過程中發生襯套脫落問題，保證鉆具載荷均勻可靠被傳遞至吊卡主體結構上，借此有效減少現場作業設備布設數量、節約場地空間，便于提升作業效率、縮短設備維護時間。

2.2 優化設計方案

雖然液壓翻轉式吊卡基于液壓驅動與電液模式能夠滿足實際作業需要，替代傳統手動翻轉模式，但僅能實現半自動作業，無法真正實現設備自動化控制，因此，還需對其設計方案進行優化。

首先，從翻轉機構優化入手，現有翻轉機構由液壓活塞桿、液壓閥組、液壓油缸、支架、吊環、吊卡、鉸鏈以及活門等構件組成，翻轉角度為90°且為勻速翻轉，其中支架設置在兩相鄰鉸鏈之間，鉸鏈的位置將直接影響液壓油缸輸出驅動力的大小，因此需尋求吊卡由0°翻轉至90°過程中產生的驅動力最大值，將其整合在一個集合內部，并求取其在極限條件下的最小數值，由此確定鉸鏈在支架上的最佳固定位置和對應的液壓參數，保證提高整體結構設計的合理性。設液壓系統安裝點位為x，吊卡主體結構與垂直方向的夾角度數為θ，液壓驅動力為F，液壓驅動力最大值為Fmax，液壓系統與水平方向夾角為α，翻轉機構受力模式下兩垂直段長度分別為d1和d2、l1和l2，則建立目標函數：

在此基礎上，已知翻轉機構最大旋轉角度為90°，根據鉸鏈兩點間距l計算出液壓油缸的位移量及約束條件分別為：

將吊卡主體結構參數帶入上式中，計算得出x的取值范圍為85～400mm。

其次，從液壓系統優化入手，針對原液壓系統設計結構煩瑣的缺陷，選取雙平衡閥進行油缸控制，通過向左、右兩個方向調節電磁換向閥實現對旋轉角度的控制，當檢測到活門關閉信號將自動觸發反饋信號，使旋轉油缸浮動，借此有效減輕液壓沖擊，保證自動控制精度，并支持遠程控制功能的實現。

最后，從控制技術優化入手，通過引入PLC控制技術實現翻轉功能，當系統檢測到鉆具送入吊卡設備內后，將活門關閉，此時，產生的信號將經由通信通道傳送至接線箱處，防止反轉矩過大對油缸造成破壞作用，有效減輕人工作業強度，并且通電后實現對吊卡浮動狀態的控制，同樣支持遠程控制功能。

2.3 產品試驗

（1）仿真驗證。為針對經由優化設計后結構吊卡結構的合理性進行檢驗，采用ADAMS與Solidworks軟件建立液壓翻轉式吊卡的仿真模型。首先，選取吊卡設備的翻轉機構、自鎖機構等關鍵機構建立運動副，選擇在液壓油缸、支架鉸鏈連接部位建立Point，完成變量及不同構件屬性的設定。其次設定吊卡的工作狀態，使設備在勻速狀態下旋轉90°,在有限時間內完成翻轉運動，在此過程中測量設備中各項液壓元件以及轉動副的運動學狀態及受力特征，獲取時間與力、位移與力的線性關系。觀察仿真驗證結果可以發現，吊卡設備運行過程中的角速度基本控制在30°/s左右，整體數值波動不明顯，說明該機構設計方案具有較強合理性。

（2）荷載試驗。針對液壓翻轉式吊卡在不同復雜情況下的承載能力進行測試，選用拉力為20000kN的靜載試驗裝置對設備主體結構進行試拉試驗，將最高拉力值設定為額定載荷的1.5倍，即6750kN，在最大拉力狀態下保壓5min左右。觀察負載試驗結果可以發現，經由結構優化設計后的液壓翻轉式吊卡整體承載能力較為穩定，能夠有效適應極端拉力情況下的運行需要，符合設計要求。

（3）功能測試。考慮到經由優化設計后的吊卡可實現自動化運行、遠程控制等功能，并且滿足實際生產環節對產品控制精度的要求，因此，需對設備功能實現情況進行測試。在該項目中針對吊卡設備的鎖舌體結構進行功能測試，選取液壓油缸伸出、縮回行程的最大值作為衡量指標，觀察測試結果可知，鎖舌體在整體測試過程中可實現靈活開關，與自鎖機構實現良好配合，并且設備兩側活門均可實現靈活啟閉，使得液壓吊卡主體部分旋轉范圍控制在0～90°，在保證旋轉角度精確的同時，進一步提高旋轉過程的勻速與平穩度。

（4）整機聯調試驗。在完成仿真分析與設備結構、功能測試的基礎上，將液壓翻轉式吊卡與鉆機結合開展整機聯調試驗，觀察在此過程中吊卡作用的發揮情況。通過觀察整機運行過程可以發現，依托吊卡主體部分與頂部驅動機構的配合,使鉆具由貓道至井口及作業平臺處順利執行送入動作，在此過程中，通過遠程控制有效發揮對旋轉機構的驅動作用，整體吊卡運行狀態保持精確、穩定，且各項試驗操作結果的精度均滿足預期設計目標，具備良好使用性能。將該設備投產后配套鉆機進行整機交付，贏得客戶滿意與認可，并且在設備投入試用期間的故障率為零，符合作業精度要求，進一步提升作業質量。

3 結語

總體來看，通過基于API 8C標準與實際生產作業要求進行液壓翻轉式吊卡的設計與開發，針對產品原有翻轉機構的結構特征、驅動與控制模式進行優化設計，最終設備投入使用后的試驗結果標明，設備內部各組成機構均可實現精確、穩定、靈活運轉，支持自動化運行與遠程控制，且測試結果符合設計要求。該設備的成功研制與投產有效打破長期以來國外技術壟斷局面，在我國自主研制500t全液壓翻轉吊卡的基礎上實現技術創新，引入自動化技術、液壓控制系統強化技術支持，更好地提升設備作業效率、減輕人工作業強度與成本，具有良好應用前景。