測井車滾子鏈失效形式分析及應用

董 義

（廊坊新賽浦特種裝備有限公司，廊坊 065001）

測井，也叫地球物理測井，是利用巖層的電化學特性、導電特性、聲學特性以及放射性等地球物理特性，測量地球物理參數的方法。在油氣田勘探、開發和鉆采過程中，都要對油井、氣井進行測井，以獲得各種石油地質及工程技術資料，作為地質人員進行地質分析的依據。測井車是陸地測井的主要設備，負責完成測取地質參數和繪制測井曲線的工作。

測井車上設有防磁滾筒，鎧裝電纜纏繞在滾筒上，并通過滾筒的正轉、反轉實現電纜帶動下井儀器在油（氣）井內的上提、下放，從而實現測井作業過程。滾筒由液壓馬達或電動機驅動，靠鏈條作為機械傳動。因此，鏈條的選擇及強度成為測井車傳動機構的關鍵因素，筆者以10000m測井車鏈條故障為例，重點對測井車雙排滾子鏈的失效形式進行分析，從結構、強度和使用工況方面，開展鏈條疲勞破壞的相關研究。

1 滾子鏈失效實例

在實際應用中，10000m測井車傳動鏈條選用ISO 20A雙排滾子鏈，傳動實例如圖1所示，傳動簡圖如圖2所示，鏈條破壞部位型式主要為銷軸脫出（見圖3）、滾子開裂（見圖4）和外鏈板斷裂（見圖5）。

圖1 傳動實例

圖2 傳動簡圖

圖3 銷軸脫出

圖4 滾子開裂

圖5 外鏈板斷裂

2 靜強度校核

出現上述鏈條故障后，首先考慮是否存在選用不當以致在重載時鏈條被拉壞的問題，因此，對該滾子鏈進行極限載荷工況下的靜強度校核。

式中，n為靜強度安全系數；Q為鏈條極限拉伸載荷（抗拉載荷），N；f1為工況系數；Ft為有效圓周力，N；FC為離心力引起的拉力，N；Ff為懸垂拉力，N，在Ff′和Ff″中取最大值；np為許用安全系數，np=4～8，如以最大尖峰載荷代替f1Ft時，則np=3～6。

式中，q為鏈條質量，kg/m；v為鏈條速度，m/s。

式中，Kf為懸垂拉力系數；a為鏈傳動中心距，mm。

式中，θ為兩鏈輪中心連線對水平面傾角。

本例中，在低速重載工況下，滾筒中徑電纜線速度為30m/h時，可算得鏈條速度v=0.5m/s，關于雙排滾子鏈ISO 20A，可查得Q=173500N，按理論設計最大值（滾筒底徑時最大拉力100kN），即按最大尖峰載荷取代f1Ft，則計算后取f1Ft=57158N。

查q=7.6kg/m，由式（2）可得：

實例中，鏈輪中心距a=1162.6mm，θ=21.05°，下垂度取f=0.02a=23.3mm，可查得Kf=5.7，則由式（3）可得：

由式（4）可得：

取Ff′和Ff″兩者最大值，Ff=Ff″=279N。

則由式（1）可得：

這里速度較小，作用力確定比較準確，所以取np=3。

由以上靜強度校核可以看出，靜強度安全系數n大于許用安全系數np，所以排除選用不當以致在重載時鏈條被拉壞的可能。

3 滾子鏈耐磨損工作能力計算

由于故障鏈條投產使用時間超過一年，工作時間約達2000h，結合10000m測井車載荷大、鏈條潤滑不良等實際工況，有必要對鏈條耐磨損工作能進行計算。

式中，T為磨損使用壽命，h；Lp為鏈條節數，節；v為鏈條速度，m/s；z1為小鏈輪齒數；i為傳動比；P為鏈條節距，mm；（ΔP/P）為許用磨損伸長率，按具體條件確定，一般去3﹪；d2為滾子鏈銷軸直徑，mm；C1為磨損系數；C2為節距系數；C3為齒數-速度系數；Pr為鉸鏈的壓強，MPa。

式中，A為鉸鏈承壓面積，mm2。

式中，d2為滾子鏈銷軸直徑，mm；b2為套筒長度，即內鏈節外寬，mm。

本例中，對于雙排滾子鏈ISO 20A，鏈節數Lp=133，可查得d2=9.54mm，b2=54.92mm，則由式（11）可得：

z1=25，i=3.6，P=31.75mm，由式（10）可得：

查得C1=6，C2=1.23，C3=1，則由式（9）可得：

耐磨損壽命大于實際使用時間，所以滾子鏈耐磨損工作能力符合要求。

4 失效分析

對于鏈傳動，由于鏈輪的強度高，使用壽命長，所以鏈傳動的失效主要是鏈條的失效。

4.1 銷軸脫出

結合本例銷軸脫出情形，銷軸與套筒相對轉動不暢，導致套筒、銷軸一起轉動，使得銷軸對外鏈板的銷孔造成較大磨損，鉸鏈磨損后鏈節變長，容易引起跳齒、脫鏈、銷軸脫出。開式傳動、環境條件惡劣或潤滑密封不良時，極易引起鉸鏈磨損，從而急劇降低鏈條的使用壽命。主要成因可能是潤滑不當或速度過高時，銷軸和套筒的工作表面發生膠合現象。

4.2 滾子開裂

鏈傳動的嚙入沖擊首先由滾子和套筒承受，在反復多次的沖擊下，經過一定的循環次數，滾子、套筒會發生沖擊疲勞破壞。尤其在本例中，野外井場的工作環境，載荷及速度變化大且變換頻繁，加之鏈條的潤滑及密封又不是很好，也加速了滾子的疲勞破壞。

4.3 外鏈板斷裂

由鏈板疲勞破壞引起，鏈在松邊拉力和緊邊拉力的反復作用下，經過一定的循環次數，鏈板會發生疲勞破壞。疲勞強度是限定鏈傳動承載能力的主要因素。另外，兩鏈輪因安裝誤差或使用過程中造成不在同一直線上，造成鏈條別勁以致偏置受力，容易造成鏈板斷裂。

實踐研究表明，在大量中低速閉式鏈傳動中，盡管潤滑和密封良好，但由于鏈條在循環運轉中受較大的緊邊張力和較小的松邊張力的作用，并且這種不均勻受力狀態是反復的、交變的，經過一定得循環次數，就會在鏈板孔兩側的應力集中區域發生疲勞破壞，這種破壞即為鏈條的主要失效形式[1]。

5 改進措施及應用

本例中，對滾子鏈的靜強度校核及耐磨損工作能力計算是以理論設計最大值（即尖峰載荷）為基礎，是測井車工作時鏈條拉力的理論極限情況，而不是發生疲勞破壞時的實際情況。因此，下面結合滾子鏈的使用情況及影響疲勞強度的因素，從提高滾子鏈的疲勞強度和避免實際使用過程中達到疲勞極限兩方面，對該工況下滾子鏈的選型、使用、保養進行改進和優化。

5.1 提高鏈號規格

由靜強度校核計算結果可以看出，當滾子鏈處于極限載荷時，所選用滾子鏈的安全系數僅略微大于許用安全系數的最小值。如果按這種極限工況進行設計，可以考慮選用更高規格的滾子鏈，以降低惡劣工況下鏈條破壞的風險。

5.2 定期檢查，及時更換鏈條

通過本例對滾子鏈耐磨損工作能力計算，在極限工況下，滾子鏈耐磨損壽命時間約為4500h。因此，在工作過程中，使用者定期檢查鏈傳動情況，調整鏈輪使之處于同一直線上，保證鏈條松緊度合適，發現鏈條有損傷或達到耐磨損壽命時間，要及時更換鏈條。

5.3 減少沖擊載荷

無論是試驗還是實例，都表明反復多次的沖擊載荷對滾子鏈破壞極大。因此，要求使用者操作測井車車滾筒時輕起輕放、調整扭矩時逐步穩定加減，避免沖擊載荷。

5.4 設置防護，增強潤滑

潤滑利于緩沖、減小摩擦、降低磨損，潤滑是否良好對滾子鏈承載能力與壽命大有影響。必要的封閉護罩能達到安全、環境清潔、防塵、減小噪音和保持良好潤滑的目的。本例中鏈條潤滑劑已呈黑色污泥狀，明顯潤滑效果不良，必然要改善潤滑條件。鏈在完全運轉的速度時，使用同步的、自動的鏈條加油器是很有用的，對鏈進行油脂潤滑通常推薦使用4m/s的運行速度。在較多粉塵的條件下，鏈應當使用干燥的薄膜潤滑劑，如石墨、鉬二硫化物或者聚四氟乙烯。油壺長與滴油潤滑、噴射、氣霧劑、毛刷、油槽或油盤配套使用，確保潤滑油對準內外連接處，更適宜于用鏈條進入鏈齒輪處注油以減緩滾子鏈碰撞時沖擊動能[2]。

5.5 改變材質與工藝

鏈板材料的選用對滾子鏈的疲勞可靠性有很大影響，如選用45Mn比選用40Mn的疲勞強度約提高42%[3]。鏈板孔加工方法中的擠孔工藝較一次沖孔工藝提高疲勞強度38%，較沖孔后修孔工藝提高疲勞強度13%。因此，制造高品質鏈條宜優先采用沖孔-熱處理-擠孔工藝[4-5]。

6 結語

鏈傳動在不同工況下表現的破壞形式各有不同，但失效形式無外乎疲勞破壞、鉸鏈磨損、多次沖擊破斷、鉸鏈膠合以及過載拉斷等，通過合理潤滑、定期調整保養、注意操作和減少沖擊等能有效降低鏈傳動故障率，延長使用壽命。實際案例中，改進和優化后的滾子鏈傳動性能穩定，使用效果大優于以前。