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      石油鉆機(jī)平移棘爪步行器卡爪失效分析及優(yōu)化

      2020-07-16 02:02:16李建亭
      機(jī)械制造與自動(dòng)化 2020年3期
      關(guān)鍵詞:卡爪棘爪分力

      李建亭

      (中石化中原石油工程有限公司 工程服務(wù)管理中心,河南 濮陽(yáng) 457001)

      0 引言

      鉆機(jī)整體平移裝置是同一井場(chǎng)鉆多口井,實(shí)現(xiàn)重復(fù)、批量化作業(yè) “井工廠”鉆井模式的核心裝備[1],而棘爪步行器又是平移裝置的重要部件,它是鉆機(jī)沿平移導(dǎo)軌在液缸液力作用下向前/后移動(dòng)達(dá)到下一個(gè)力的作用基點(diǎn),平移時(shí)液缸推動(dòng)棘爪步行器實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)載荷與導(dǎo)軌間以滑動(dòng)摩擦形式的整體平移。棘爪步行器由于應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜苛刻,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中存在著棘爪座撕裂、卡爪失效、限位螺釘斷裂等問(wèn)題,從而影響鉆機(jī)平移裝置的使用壽命及平移效率。

      目前,針對(duì)棘爪步行器類(lèi)型、數(shù)值仿真及液壓系統(tǒng)等方向都有大量的理論研究[2-3],但對(duì)于其卡爪失效方面的專(zhuān)題研究還很少。鑒于此,筆者以一種帶有斜面結(jié)構(gòu)的卡爪步行器在一次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中出現(xiàn)的卡爪損壞失效問(wèn)題為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)此結(jié)構(gòu)卡爪受力及應(yīng)力分析,判斷卡爪失效的原因,提出優(yōu)化措施,這對(duì)解決石油鉆機(jī)平移棘爪步行器工程實(shí)際問(wèn)題具有一定的指導(dǎo)意義。

      1 棘爪步行器結(jié)構(gòu)及失效

      一種帶有斜面卡爪結(jié)構(gòu)的單棘爪步行器由棘爪座、棘爪、翻轉(zhuǎn)手柄、棘爪連接銷(xiāo)軸、卡爪、卡爪固定螺釘組成,如圖1所示。由于導(dǎo)軌截面采用槽鋼梁與棘爪孔板焊接而成,為了實(shí)現(xiàn)卡爪與導(dǎo)軌接觸部位的緊密貼合,在卡爪與導(dǎo)軌槽鋼梁接觸部位設(shè)計(jì)了1∶10斜面,用卡爪承載步行器豎直方向分力限制其在導(dǎo)軌平面法向移動(dòng)[4]。鉆機(jī)平移時(shí)卡爪與導(dǎo)軌截面結(jié)構(gòu)如圖2所示,圖2中W為導(dǎo)軌槽鋼梁間距。

      1—棘爪座;2—翻轉(zhuǎn)手柄;3—棘爪;4—卡爪;5—導(dǎo)軌;6—液壓缸;7—耳座。圖1 棘爪步行器總成

      1—棘爪座;2—卡爪;3—導(dǎo)軌棘爪孔板;4—導(dǎo)軌槽鋼梁。圖2 卡爪截面示意圖

      棘爪步行器失效類(lèi)型主要有:鉆機(jī)平移過(guò)程中步行器棘爪刃無(wú)法順利自動(dòng)落入導(dǎo)軌棘爪孔中,如圖3(a)所示;卡爪產(chǎn)生塑性變形或斷裂失效,如圖3(b)所示。

      圖3 失效類(lèi)型

      下面以斜面卡爪變形失效問(wèn)題作為研究對(duì)象,通過(guò)卡爪受力分析獲得卡爪危險(xiǎn)截面的應(yīng)力值,從而判斷卡爪失效的原因,提出改進(jìn)優(yōu)化措施。

      2 卡爪力學(xué)分析與求解

      2.1 受力分析

      鉆機(jī)平移時(shí),棘爪步行器首先在液缸液力作用下沿導(dǎo)軌面滑移,棘爪刃面滑入導(dǎo)軌棘爪孔內(nèi),然后在液缸反向液力作用下,棘爪刃面與導(dǎo)軌棘爪孔面接觸,直至卡爪1∶10斜面與導(dǎo)軌槽鋼梁斜面接觸作用,最終在卡爪1∶10斜面上產(chǎn)生一個(gè)作用力F,如圖4(a)所示。根據(jù)力的合成原理此力可以分解為水平力FH和豎直分力FV。

      圖4(a)中,a1=0.095 m,為卡爪OA段長(zhǎng)度;b1=0.097 5 m,為卡爪AB段長(zhǎng)度;h=0.045 m,為卡爪厚度;卡爪截面法向長(zhǎng)度為L(zhǎng)=0.100 m。

      2.2 力學(xué)求解

      由斜面幾何關(guān)系知:卡爪在1∶10斜面位置產(chǎn)生的作用力FH/FV=0.1。豎直分力FV作用下卡爪受力如圖4(b)所示,卡爪在力FV作用下產(chǎn)生彎矩MVH、MVV,彎曲應(yīng)力為σVH、σVV,軸向拉應(yīng)力σVx;卡爪在力FH作用下受力如圖4(c)所示,卡爪力FH作用下產(chǎn)生彎矩MHV、軸向壓應(yīng)力σHy及彎曲應(yīng)力σHV。根據(jù)力的疊加原理,將卡爪在力FV與FH作用下進(jìn)行疊加,獲得卡爪在力F作用下OA與AB區(qū)間不同截面上的最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力σ±表達(dá)式如公式(1)所示。

      圖4 卡爪力學(xué)分析圖

      (1)

      通過(guò)圖4與公式(1)分析發(fā)現(xiàn):卡爪應(yīng)力極值出現(xiàn)在兩個(gè)截面上:一個(gè)是卡爪0A區(qū)間y最大值y=a1,即過(guò)A點(diǎn)的法向截面上;另一個(gè)是卡爪AB區(qū)間x最大值x=b1,即過(guò)B點(diǎn)的法向截面上,爪內(nèi)側(cè)面受拉,外側(cè)面受壓。進(jìn)一步比較兩截面上的最大壓應(yīng)力σ-A、σ-B與拉應(yīng)力σ+A、σ+B,得到最大應(yīng)力值|σ-A|>|σ-B|與|σ+A|<|σ+B|,同時(shí)|σ-A|<|σ+B|,即卡爪在卡爪力F作用下最大應(yīng)力出現(xiàn)在過(guò)B點(diǎn)的法向截面上內(nèi)側(cè)面處,即卡爪受力時(shí)的危險(xiǎn)截面。

      2.3 卡爪豎直方向分力FV的確定

      針對(duì)同一鉆機(jī)平移載荷無(wú)論拉移還是推移過(guò)程中,用于平衡導(dǎo)軌對(duì)卡爪產(chǎn)生的豎直方向作用力恒定,即卡爪力FV為定值。參考文獻(xiàn)[4]作者通過(guò)對(duì)棘爪步行器受力分析,利用力學(xué)原理與方法,首次建立了一種獲得了解析解的棘爪步行器力學(xué)求解模型。本文采用其卡爪力求解表達(dá)式,將棘爪步行器相關(guān)參數(shù)帶入其表達(dá)式,并考慮本文步行器卡爪安裝方式:推移過(guò)程中步行器安裝單側(cè)雙前卡爪與單后卡爪;拉移過(guò)程中,步行器安裝單側(cè)單前卡爪與雙后卡爪方式,獲得鉆機(jī)推移/拉移過(guò)程前、后卡爪力FV1T(FV1L)與FV2T(FV2L)值,如表1所示。

      表1 卡爪力FV計(jì)算結(jié)果 單位:kN

      計(jì)算中采用液缸液力約1 200 kN,步行器僅改變了前卡爪安裝位置即L1值為0.43,其他參數(shù)的數(shù)值含義與文獻(xiàn)[4]完全一致。

      3 卡爪實(shí)例計(jì)算與優(yōu)化

      3.1 實(shí)例計(jì)算

      現(xiàn)以公司研發(fā)的一種適用于型鋼結(jié)構(gòu)截面導(dǎo)軌的棘爪步行器為例,其卡爪具有1∶10斜面結(jié)構(gòu),以上述卡爪受力分析計(jì)算結(jié)果為依據(jù),將卡爪危險(xiǎn)截面上相關(guān)參數(shù)帶入應(yīng)力公式(1)中,得到危險(xiǎn)截面上的最大應(yīng)力σ+B:

      (2)

      將表1卡爪力FV值帶入式(2)中,獲得棘爪步行器在推移過(guò)程中前、后卡爪危險(xiǎn)截面上的最大應(yīng)力σ+B1T與σ+B2T及拉移過(guò)程中相應(yīng)應(yīng)力σ+B1L與σ+B2L,如表2所示。

      表2 卡爪應(yīng)力與性能參數(shù) 單位:MPa

      結(jié)果表明:步行器無(wú)論推移還是拉移狀態(tài)下卡爪應(yīng)力σ+B分別超過(guò)卡爪材料的屈服強(qiáng)度值σS的38.6%、136%、83.1%、64.8%;推移過(guò)程最大卡爪應(yīng)力σ+B2T與拉移過(guò)程的最大卡爪應(yīng)力σ+B1L兩者值都大于其斷裂強(qiáng)度值σb。

      3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

      表2結(jié)果表明卡爪由于強(qiáng)度設(shè)計(jì)不足導(dǎo)致其失效,針對(duì)此原因提出3個(gè)方面的優(yōu)化措施:1) 減小導(dǎo)軌槽鋼梁間距W值,改善卡爪受力狀況。優(yōu)化后的卡爪截面如圖5(a)所示。2) 改變卡爪截面參數(shù)即a2=0.06m、b2=0.0875m、卡爪軸向長(zhǎng)度L=0.26m,其他尺寸不變。卡爪受力如圖5(b)所示。3) 卡爪用料選用耐磨性好、強(qiáng)度高的35CrMo材料制作。

      圖5 卡爪截面及力學(xué)分析示意圖

      優(yōu)化后的卡爪在鉆機(jī)平移過(guò)程中僅受到導(dǎo)軌接觸面上的豎直作用力FV,無(wú)附加水平方向的分力作用。此時(shí)步行器在推移過(guò)程中前、后卡爪危險(xiǎn)截面上的最大應(yīng)力σ+B1T與σ+B2T及拉移過(guò)程中相應(yīng)應(yīng)力σ+B1L與σ+B2L如表3所示。

      表3 優(yōu)化后的卡爪應(yīng)力與性能參數(shù) 單位:MPa

      表3結(jié)果表明:在同一鉆機(jī)平移載荷下,優(yōu)化后的卡爪無(wú)論拉移還是推移狀態(tài)下最大應(yīng)力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度值σS;優(yōu)化后的卡爪應(yīng)力減小量約是表1相應(yīng)數(shù)值的54%或77%,說(shuō)明優(yōu)化后的卡爪承載能力獲得提高;最大應(yīng)力發(fā)生在鉆機(jī)拉移過(guò)程的后卡爪上,其值為σ+B2L=270MPa,最小應(yīng)力發(fā)生在鉆機(jī)拉移過(guò)程的前卡爪上,其值為σ+B1L=150MPa。將應(yīng)力與原材質(zhì)機(jī)械性能參數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn):優(yōu)化后的卡爪即使在原材質(zhì)情況下也滿(mǎn)足強(qiáng)度要求,說(shuō)明斜面卡爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷是卡爪塑性變形失效問(wèn)題的根源。優(yōu)化后步行器卡爪強(qiáng)度足夠,滿(mǎn)足鉆機(jī)平移使用要求,與步行器整體承載相匹配,優(yōu)化改進(jìn)后的卡爪在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后再未發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形失效問(wèn)題。

      4 結(jié)語(yǔ)

      1) 通過(guò)斜面卡爪受力分析發(fā)現(xiàn):卡爪內(nèi)側(cè)面受壓與外側(cè)面受拉的受力規(guī)律,附加水平分力使卡爪向外擴(kuò)張,這不利于卡爪承載。

      2) 斜面卡爪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明:卡爪危險(xiǎn)截面出現(xiàn)在卡爪固定螺釘附近,其應(yīng)力值分別超過(guò)卡爪材料屈服強(qiáng)度的38.6%、136.0%、83.1%、64.8%,平移過(guò)程中的最大卡爪應(yīng)力都大于其材料的斷裂強(qiáng)度值。

      3) 優(yōu)化后的卡爪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明:通過(guò)改變導(dǎo)軌截面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)卡爪受力部位由斜面變平面,卡爪應(yīng)力值相應(yīng)降低量約為54%與77%,改善了卡爪的受力狀態(tài),有利于卡爪承載能力提高,表明斜面卡爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷是卡爪塑性變形失效問(wèn)題的根源。

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