折臂式鐵鉆工底座回轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計分析

常玉連，劉佰龍

( 東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163000)

0 引言

折臂式鐵鉆工是一種新型的鉆機配套設(shè)備，也是目前國內(nèi)外研究的一種自動化鉆桿上扣和卸扣設(shè)備[1]。鐵鉆工技術(shù)的主要特點就是效率高、使用壽命長。折臂式鐵鉆工特別適合海洋平臺鉆井，其主要原因是能節(jié)省工作空間。現(xiàn)在的鉆井技術(shù)自動化水平逐步提高，而該技術(shù)設(shè)備的應(yīng)用有效地促進了鉆井自動化技術(shù)的發(fā)展。折臂式鐵鉆工主要由五大部分組成，分別為旋扣鉗、沖扣鉗、伸縮臂、支撐與回轉(zhuǎn)機構(gòu)[2]。折臂式鐵鉆工結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

1 折臂式鐵鉆工底座與回轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計

折臂式鐵鉆工底座主要功能是通過與鉆臺相連支撐鐵鉆工絕大部分質(zhì)量。回轉(zhuǎn)機構(gòu)的功能是實現(xiàn)鐵鉆工整體回轉(zhuǎn)運動，進而配合折臂控制鐵鉆工的鉗體在水平方向達到所要到達的位置進行石油管柱的上卸扣。回轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作原理是電動機通過減速器帶動驅(qū)動輪，驅(qū)動輪再通

1—底座；2—升降液壓缸；3—滑移小車；4—立柱；5—伸展油缸；6—伸縮臂；7—旋扣鉗；8—沖扣鉗；9—驅(qū)動液壓電動機圖1 折臂式鐵鉆工整體示意圖

過與行星輪進行嚙合實現(xiàn)底座的回轉(zhuǎn)運動[3]。回轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝在底座套筒中，在安裝過程中一定要保證底座與底座套筒的緊密配合，保證底座與地面的垂直，確保鉗體與管柱的垂直，如圖2所示。在底座設(shè)計過程中，需要考慮以下幾點因素：

1) 底座需要具有足夠的強度和剛度，確保可以支撐整個折臂式鐵鉆工的質(zhì)量以及在工作過程中所產(chǎn)生的載荷。

2) 可以檢測折臂式鐵鉆工的回轉(zhuǎn)角度，以便精確控制鐵鉆工上卸扣的方向，所以在設(shè)計過程中需要考慮加入電子檢測設(shè)備，以檢測底座回轉(zhuǎn)的角度。

3) 保證齒輪的設(shè)計強度，由于鐵鉆工的回轉(zhuǎn)次數(shù)較少，使用頻率不是很高，可以將減速器的輸出軸與驅(qū)動輪設(shè)計成為一體，保證輸出轉(zhuǎn)矩準確地傳遞，減少因減速器輸出軸與驅(qū)動輪之間的損耗[4]。

1—底座上蓋；2—回轉(zhuǎn)支撐；3—行星輪；4—底座；5—底座套筒；6—行星輪軸；7—雙列滾子軸承；8—電動機；9—減速器圖2 底座裝配示意圖

1.1 折臂式鐵鉆工底座結(jié)構(gòu)設(shè)計

鐵鉆工底座主要用來支撐鐵鉆工絕大部分質(zhì)量。底座插入到底座套筒中，將整個折臂式鐵鉆工安裝在鉆臺上，由圖1可知底座主要容易產(chǎn)生彎曲，所以將底座設(shè)計成圓柱形狀并對底座圓柱彎曲強度進行計算。通過計算得到滿足條件的圓柱形底座。

由于底座是圓柱形的，并且質(zhì)量很輕，不能支撐鐵鉆工保持直立。所以要將它安裝在鉆井平臺上。鐵鉆工在鉆臺的安裝主要是根據(jù)鉆臺的布置要求，將鐵鉆工安裝在鉆臺上指定的位置。方法是將方形底座套筒固定在鉆臺上，開口向上；與鉆臺承載的兩個工字鋼進行焊接。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 底座套筒示意圖

1.2 折臂式鐵鉆工回轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計

回轉(zhuǎn)機構(gòu)的功能是實現(xiàn)鐵鉆工整體回轉(zhuǎn)運動。回轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作原理是電動機通過減速器帶動驅(qū)動輪，驅(qū)動輪再通過與行星輪進行嚙合實現(xiàn)底座的回轉(zhuǎn)運動。它的設(shè)計需要是在最小空間實現(xiàn)最大的傳動效率，根據(jù)對比選擇，選定行星輪系實現(xiàn)底座回轉(zhuǎn)機構(gòu)的運動。行星齒輪系可以采用幾個均勻分布的行星輪同時傳遞運動和動力。這些行星輪因公轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心慣性力和齒廓間反作用力的徑向分力可互相平衡，故主軸受力小，傳遞功率大[5]。另外由于它采用內(nèi)嚙合齒輪，充分利用了傳動的空間，且輸入輸出軸在一條直線上，所以整個輪系的空間尺寸要比相同條件下的普通定軸齒輪系小得多。根據(jù)設(shè)計要求，選定2個行星輪來傳遞由驅(qū)動輪輸出的轉(zhuǎn)矩，通過固定內(nèi)齒圈，將驅(qū)動輪的反轉(zhuǎn)矩傳遞到鉆臺上，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)軸承外圈的回轉(zhuǎn)[6]。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—回轉(zhuǎn)軸承；2—驅(qū)動輪；3—行星輪圖4 底座行星輪機構(gòu)示意圖

2 回轉(zhuǎn)支撐安裝方式和回轉(zhuǎn)軸承的確定

根據(jù)鐵鉆工的工作需要，選定滾動軸承式回轉(zhuǎn)支撐作為實現(xiàn)鉗體回轉(zhuǎn)的支撐結(jié)構(gòu)。滾動軸承式回轉(zhuǎn)支撐裝置尺寸緊湊、性能完善，可以同時承受鐵鉆工鉗體所帶來的水平力、因鐵鉆工重力而產(chǎn)生的垂直力以及在鐵鉆工伸出狀態(tài)而產(chǎn)生的傾覆力矩。因此選定單排四點接觸球式回轉(zhuǎn)支撐，它是由2個座圈組成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、高度尺寸小等特點。由于回轉(zhuǎn)支撐有兩種安裝形式，一種為懸掛式安裝(圖5)，一種為座式安裝(圖6)，通過對比分析可知回轉(zhuǎn)支撐座式用于下面固定上面支撐，回轉(zhuǎn)支撐懸掛式為上面固定下面連接所要支撐的部件。根據(jù)鐵鉆工的工作需求選擇座式安裝，安裝時鐵鉆工的回轉(zhuǎn)部分與軸承的內(nèi)圈相連，固定部分與外圈相連。

在計算選型回轉(zhuǎn)支撐的過程中，需要計算出折臂式鐵鉆工在工作過程中的靜載荷和動載荷，并需要將計算得出的回轉(zhuǎn)支承當量中心軸向載荷Fa與回轉(zhuǎn)支承當量傾覆力矩M轉(zhuǎn)化為量載荷F'a和M'。

圖5 回轉(zhuǎn)支撐座式安裝

圖6 回轉(zhuǎn)支撐懸掛式安裝

轉(zhuǎn)化公式為：

M ′=M×fd

其中：fd為安全系數(shù)，取1.55。

通過計算得到結(jié)果，對照承載能力曲線可確定所選用相應(yīng)的回轉(zhuǎn)軸承。

3 回轉(zhuǎn)機構(gòu)傳動輪系設(shè)計

底座通過行星齒輪機構(gòu)來實現(xiàn)折臂式鐵鉆工的回轉(zhuǎn)，行星齒輪由主動齒輪1、從動齒輪2、回轉(zhuǎn)大齒輪3、行星架H(底座上蓋)等組成，行星機構(gòu)如圖7所示[7]。

1—驅(qū)動輪；2—行星輪；3—內(nèi)齒輪；H—底座上蓋圖7 行星齒輪簡圖

a) 傳動輪系自由度的計算

根據(jù)機構(gòu)自由度計算公式

F=3×N-(2×PS+Ph-P)-Pl

可得該輪系的自由度為1。

b) 齒輪使用壽命

根據(jù)具體的工作情況可知星輪的循環(huán)次數(shù)N2。則可以計算出驅(qū)動輪的循環(huán)次數(shù)為N1=N2×i12。則內(nèi)齒輪相對于行星輪的循環(huán)次數(shù)為：

c) 以TZG/Y-165折臂式鐵鉆工為例設(shè)計輪系的各項參數(shù)

1) 該鐵鉆工底座回轉(zhuǎn)機構(gòu)選定的驅(qū)動齒輪齒數(shù)z1=18，行星輪齒數(shù)z2=31，內(nèi)齒輪齒數(shù)z3=80，則傳動比i12=1.72，i23=2.58。

2) 設(shè)定直齒輪模數(shù)m=8，則d1=144mm，d2=248mm，d3=640mm。

3) 已知驅(qū)動鐵鉆工回轉(zhuǎn)需要TH=11 894Nm的轉(zhuǎn)矩，根據(jù)傳動比可以計算出T1=2 787Nm，T2=4 703Nm。

4) 根據(jù)折臂式鐵鉆工的設(shè)計要求，規(guī)定鐵鉆工的回轉(zhuǎn)速度為nH=1r/min，根據(jù)傳動比可以計算出n1=5.4r/min,n2=3.1r/min。

4 底座回轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動電動機選擇

底座回轉(zhuǎn)機構(gòu)主要依靠行星輪系來驅(qū)動，行星輪需要的轉(zhuǎn)速較低，所以不能由電動機直接進行傳動。為此在電動機和輪系的主動輪之間增加減速器來降低轉(zhuǎn)速，以達到主動輪對轉(zhuǎn)速的要求[8]。由于驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)矩即為減速器輸出軸的轉(zhuǎn)矩，根據(jù)減速器的額定轉(zhuǎn)矩與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，再根據(jù)鐵鉆工底座的空間要求，選擇相應(yīng)的減速器型號[9]，它的減速比為i減。根據(jù)選定的減速器，推算出電動機所需要的轉(zhuǎn)矩為：

根據(jù)上式計算出電動機所需要的輸出轉(zhuǎn)矩，選定相應(yīng)的電動機型號。

5 結(jié)語

文中闡述了折臂式鐵鉆工底座回轉(zhuǎn)機構(gòu)工作原理為：電動機通過驅(qū)動輪帶動行星輪將扭轉(zhuǎn)力傳遞到回轉(zhuǎn)軸承上進而實現(xiàn)了鐵鉆工整體的旋轉(zhuǎn)運動，完成鉆井上卸鉆柱絲扣的工藝要求，并得出了以下結(jié)論：

1) 文中所用搖臂式鐵鉆工回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計方法，包括回轉(zhuǎn)機構(gòu)的靜載荷和動載荷的分析及結(jié)構(gòu)的強度校核方法。

2) 使用行星輪作為鐵鉆工回轉(zhuǎn)機構(gòu)的傳動輪系，具有結(jié)構(gòu)簡單，保證旋轉(zhuǎn)過程的穩(wěn)定性，是鐵鉆工回轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計時可優(yōu)先選擇的方案。

3) 根據(jù)鐵鉆工對其回轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)功率的需求，選擇液壓泵驅(qū)動系統(tǒng)，設(shè)計相應(yīng)的減速器并選擇配套電動機，提出了液壓系統(tǒng)的設(shè)計基本方法。

4) 鐵鉆工是目前國際先進的鉆柱上卸扣設(shè)備，實現(xiàn)鐵鉆工國產(chǎn)化是對推動國家石油裝備升級換代重要舉措。本文提出的鐵鉆工回轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計方法，具有參考價值，對國內(nèi)的鐵鉆工設(shè)計有一定的指導和參考價值。