可靠性分析在新型液壓吊卡中的應用

付廣萌，江正清，陳志禮，高 煜

中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院 （山東 東營 257017）

目前手動吊卡在國內仍占據了大部分市場。伴隨著石油勘探開發在陸地和海洋的不斷深入，傳統手動吊卡工作效率低、勞動強度大、易發生安全事故的缺點越來越明顯，迫切需要做出改變。液壓吊卡只需人工遙控操作，降低了勞動強度，提高了工作效率和安全性，實現了井口工具的自動化，是吊卡發展的必然方向。

1 液壓吊卡結構分析

研究的液壓吊卡主要由左右主體，鎖舌、扣鎖機構，液壓系統和信號發射器、接收器，以及扣鎖電子報警系統等部件組成，如圖1所示。吊卡設有保險機構，其主要的受力件為主體、鎖舌、銷軸、螺栓等。為了更好地分析其結構功能和建立可靠性模型，將液壓吊卡按其功能分為3個系統：控制系統、機械系統和液壓系統，其具體的結構層次如圖1。

2 液壓吊卡可靠性分析

按照液壓吊卡的結構，對上述3個系統分別進行可靠性分析，綜合后完成對整體的可靠性分析。

圖1 液壓吊卡結構框圖

2.1 液壓吊卡液壓系統可靠性分析

液壓吊卡是雙油缸全液壓提供動力，作為動力源，液壓系統的正常工作與否直接關系到吊卡的正常開合，所以首先分析吊卡液壓系統可靠性。

如圖2所示，P為進油口，T為出油口。當電磁閥1DT帶電后，左位右移，高壓壓力進入有桿腔內，由于此為自鎖式液控單向閥，左邊的單向閥被打開。因為單項順序閥的原因，鎖緊液缸A先動作，通過拉閂帶動保險裝置、鎖緊塊等動作，動作完成后，順序閥打開，開合液缸B動作，實現吊卡打開，打開后傳感器發出信號。從2個液壓缸里出來的油經過節流閥后通過已打開的單向閥流回油箱；當電磁閥2DT帶電后，右位左移，高壓壓力進入無桿腔內，右邊的單向閥被打開，由于單項順序閥的原因，開合液缸B先動作，主體左、右頁閉合后，順序閥打開，鎖緊液缸A動作，完成吊卡的鎖緊，實現吊卡關閉，鎖緊后傳感器發出信號，回流的油經打開的單向閥回流到油箱。

圖2 液壓吊卡液壓原理圖

系統運行步驟如下：

先解鎖再打開：電磁閥左通→液壓鎖左開→單向順序閥（2）打開→鎖緊液缸左移→開合液缸左移→傳感器發出信號。

先閉合后鎖緊：電磁閥右通→液壓鎖右開→單向順序閥（1）打開→鎖緊液缸右移→開合液缸右移→傳感器發出信號。

在液壓設備正常運行階段，失效率λ(t)為不隨時間變化的恒定值，在此階段可靠度R(t)與失效率λ(t)之間的指數分布規律[1]：

表1給出了此系統中液壓元件的基本失效率，而吊卡屬于活動地面設備，取環境修正系數K=10，得到應用時的失效率λ=K·λ0。液壓系統的可靠度預測是在正常運行階段利用指數分布來求取的，即 R(t)=e-K·λ0t。

先解鎖再打開或先閉合后鎖緊回路的可靠度[1]為：

各液壓元件基本失效率取平均值，代入數據得式（4）[2]：

則液壓系統總的可靠度[2]為：

取環境系數K=10，以100～1 000h每隔100h分析得到的液壓系統的可靠度值見表2。從該表中可以看出系統的可靠度是偏低的，這說明了系統在某些環節是可以加以改進的。通過直觀分析可知，電磁閥、單向閥、節流閥和順序閥對系統的可靠度影響較大?，F就這4個液壓元件對系統的影響進行分析，分別取它們的可靠度下限，并重新代入數學模型中計算，結果整理于表3中（為了便于比較此處取K=10，系統工作時間為600h）。

表2 K=10時系統的可靠度

通過表2和表3可以看出環境越惡劣，各種污染物侵入系統的概率越大，組成系統元件的基本失效率增加，系統的可靠度會相應下降。因此，在污染控制方面應充分重視。

表3 各元件修改后液壓系統可靠度

2.2 液壓吊卡控制系統的可靠性分析

由圖3建立可靠性數學模型[1]為：

圖3 控制系統的可靠性框圖

電子元件的失效壽命通常服從指數分布其失效率和可靠度的計算公式為 R(t)=e-K·λ0t（k 取 10)，其失效率和可靠度計算結果見表4。

根據表4和圖4中數據可以看出，信號發射器、信號接收器的可靠度相比其他組件的可靠度較低，原因是因為2個組件結構比較復雜，電子元件比較多；另外，電池的及時更換也對設備可靠度有不小的影響。為了信號的可靠發送接收，及時地更換電池，以免造成不必要的損失。

2.3 液壓吊卡機械系統的可靠性分析

機械系統元件的可靠性數據見表5（β：形狀參數；η：尺度參數）。

表4 控制系統各組件失效率及其可靠度[3]

圖4 控制系統可靠度隨時間變化趨勢圖

根據串聯系統可靠性的分析方法，串聯系統的可靠度表達式如式（7）：

式（7）給出了吊卡裝置在任意時刻點(0～5 000h)的可靠度表達式，以10h為間隔計算出各時間點的系統可靠度數據，并根據這些數據運用Matlab進行擬合，得出此吊卡系統可靠度隨時間的變化曲線如圖5所示。機械系統在1 000h內的工作可靠性見表6。

表5 機械系統元件的可靠性數據[4]

圖5 機械系統可靠度隨時間變化趨勢圖

表6 機械系統不同時間的可靠度

2.4 液壓吊卡的整體可靠度

液壓吊卡的整體可靠度由液壓、控制、機械3個子系統的可靠度串聯而成，根據串聯系統的可靠性分析方法，可計算出液壓吊卡整體可靠度見表7。

表7 液壓吊卡的整體可靠度計算

由表7看出液壓吊卡中的液壓系統是吊卡工作過程中最薄弱的系統，也是隨使用時間的增加可靠度降低最為明顯的系統。

3 提高液壓吊卡使用可靠性的方法

通過上述對液壓吊卡的可靠性分析，找到了液壓吊卡系統中液壓污染控制、電子機械元件失效等薄弱環節，為提高使用可靠性必須按照SY/T 6100-94《石油鉆采提升設備使用與維護》標準規范[5]，進行性能的完好性檢查，檢查各承力處的磨損情況，有無變形與裂紋，螺絲有無松動，銷軸、開口銷是否齊全等，保證吊卡的開關靈活，安全可靠，液壓系統是否泄漏，控制系統是否靈敏可靠。若出現異常應該及時處理，把失效的零件換掉。在使用期間，還應該經常清洗保潔，并在轉動軸和接觸部位做好潤滑，保證液壓油的清潔等措施?？刂葡到y的發射、接收系統的可靠性由其各元器件的可靠性構成，必須保證元器件足夠的可靠性，其密封性要充分保證，同時，電池要及時更換。對于液壓系統的維護尤其注意，當吊卡工作到500h時，吊卡的可靠度已經很低，應該立即進行維護和檢修。

4 結語

通過對液壓吊卡的可靠性分析，針對其中的薄弱環節進行了優化，在液壓缸內增加行程傳感器，以便判斷活塞位置，同時在吊卡鎖舌處加裝感應式傳感器，用以判斷鎖舌開合狀態，從而設計出了新型液壓吊卡（圖6），找到了提高液壓吊卡使用可靠性的方法。該吊卡已試制成功，經過現場試驗，即將投入使用。

圖6 新型液壓吊卡

[1]Marvin Rausand.系統可靠性理論：模型、統計方法及應用[M].郭強，王秋芳，劉樹林，譯.2版.北京：國防工業出版社，2010.

[2]許耀銘.液壓可靠性工程基礎[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社,1991.

[3]黃祥瑞.可靠性工程[M].北京：清華大學出版社，1990.

[4]王超，王金，孫志禮.機械可靠性工程[M].北京：冶金工業出版社，1992.

[5]SY/T 6100-94石油鉆采提升設備使用與維護[S].