石油修井機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼開裂故障分析及解決

劉煒，母小平，牛增強(qiáng)，孫巖波

（渤海石油裝備中成裝備制造公司天津大港油田，天津 300280）

石油修井機(jī)是修井、試油等井下作業(yè)最主要、最基本的施工設(shè)備。發(fā)動(dòng)機(jī)是車載石油修井機(jī)核心部件，為載車運(yùn)移及修井作業(yè)提供動(dòng)力。制造廠家在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)選型時(shí)，大多對(duì)性能匹配、控制形式、安裝布局進(jìn)行確認(rèn)，極少對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主體部件結(jié)構(gòu)提出具體要求。我公司產(chǎn)品在使用過程中出現(xiàn)油底殼批量開裂，機(jī)油滲漏故障，為了查明故障原因，需要從安裝形式、油底殼材料、受力情況等方面進(jìn)行測試分析。

1 原因分析

1.1 問題特征描述

同批次生產(chǎn)的19臺(tái)修井機(jī)中，有8臺(tái)在投產(chǎn)使用4個(gè)月左右，陸續(xù)出現(xiàn)油底殼開裂故障，且更換全新油底殼后，故障仍舊重復(fù)出現(xiàn)。經(jīng)現(xiàn)場查看，所有故障油底殼開裂位置基本相同，裂縫長度在3～8cm之間。

對(duì)油底殼開裂部位進(jìn)行抽樣檢測分析。油底殼由2mm板材，經(jīng)多次沖壓工藝成型，裂縫處厚度在1．79～1．82mm之間，厚度減薄率符合沖壓工藝要求。油底殼材質(zhì)為Q235B，其元素含量、力學(xué)性能檢測結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。開裂處取樣進(jìn)行電鏡掃描，斷口呈現(xiàn)疲勞貝紋，初步斷定為機(jī)械應(yīng)力性質(zhì)的疲勞開裂，應(yīng)力來源為分析重點(diǎn)。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)定位受力分析

發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器剛性聯(lián)接，采用三點(diǎn)懸置方式固定在專用底盤H型鋼車架大梁上，兩側(cè)大梁之間焊有多條方箱橫撐，形成框架，整體結(jié)構(gòu)抗扭性能較強(qiáng)，安裝基礎(chǔ)穩(wěn)固。懸置點(diǎn)結(jié)合處均安裝減震膠墊，符合安裝規(guī)范。通過測量懸置點(diǎn)位置（圖1），計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)殼體后端彎矩：

圖1 動(dòng)力單元受力模型圖

得出發(fā)動(dòng)機(jī)殼體后端靜態(tài)彎矩Mx=1035 N·m，小于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)限值1356N·m，發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱匹配安裝符合要求。可排除因發(fā)動(dòng)機(jī)安裝不當(dāng)，機(jī)體受外力影響，產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致薄弱點(diǎn)疲勞開裂這一狀況。

1.3 振動(dòng)及應(yīng)力測試分析

測試方法：

在全新同型號(hào)油底殼外側(cè)，垂直裂紋方向貼應(yīng)變片共計(jì)14處。在油底殼易產(chǎn)生裂紋位置平面處，在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼頂端及兩側(cè)，在底盤車車架上平面處，分別粘貼共計(jì)6顆振動(dòng)傳感器，接入數(shù)據(jù)采集儀，通過電腦讀取應(yīng)變、振動(dòng)信號(hào)以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)。

測試工況：

發(fā)動(dòng)機(jī)初始怠速狀態(tài)控制油門加速，修井機(jī)提升管柱到作業(yè)高度后剎車，同時(shí)松開油門，發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)至怠速，為一個(gè)測試周期。此過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最高，持續(xù)10s左右降至怠速。

測試數(shù)據(jù)分析：

一是從振動(dòng)測試數(shù)據(jù)可以看出，工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)主體在垂直方向的振幅是車架振幅的1．83倍左右，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝隔震率符合要求。發(fā)動(dòng)機(jī)安裝懸置減震膠墊，有效的削弱了發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳遞，排除車架與發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共振情況。

二是從油底殼測試點(diǎn)采集到的頻率瀑布圖可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1850r/min左右時(shí)，存在約93Hz的共振頻率（圖2）。經(jīng)反復(fù)測試，無論空載還是重載荷，在任何檔位下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升至1850r/min左右時(shí)，共振情況隨即出現(xiàn)。

圖2 油底殼振動(dòng)頻率瀑布圖

三是較大應(yīng)力出現(xiàn)在修井機(jī)高轉(zhuǎn)速作業(yè)時(shí)（圖3），怠速狀態(tài)下，測點(diǎn)應(yīng)力值僅為40MPa左右。隨著轉(zhuǎn)速增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷增加，氣缸的爆發(fā)力也增大，激勵(lì)越大應(yīng)變幅值越大。開裂區(qū)域應(yīng)力最大（如表1），已超過Q235B鋼板屈服強(qiáng)度。

圖3 測點(diǎn)應(yīng)變時(shí)域圖

綜合上述分析，可以確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1850r/min左右時(shí)，因發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火激勵(lì)頻率與油底殼固有頻率相接近而產(chǎn)生共振。結(jié)合修井機(jī)起下作業(yè)工況，操作手會(huì)頻繁調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，每間隔120秒左右，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)達(dá)到1850r/min一次。發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間處于共振狀態(tài)且油底殼剛性不足是造成油底殼開裂故障的主要原因。

表1 沖壓底殼測試點(diǎn)應(yīng)力記錄表

2 改進(jìn)方案及效果

改進(jìn)方案需要解決的主要問題，是在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，避免油底殼產(chǎn)生共振?？赏ㄟ^提高油底殼剛度或改變油底殼材質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。

基于這一原則，先后采取了在油底殼與缸體之間加裝加強(qiáng)板；在油底殼內(nèi)部焊接加強(qiáng)筋等改進(jìn)措施，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際測試，效果均不理想。后與發(fā)動(dòng)機(jī)廠家結(jié)合，選用鑄鋁油底殼5313780，替換沖壓油底殼，經(jīng)現(xiàn)場測試，原沖壓油底殼開裂位置，附近壓力得到大幅改善，測得最大應(yīng)變約為514uε，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)再無共振情況出現(xiàn)。