鉆井船套管機械手液壓壓力損失設計計算方法研究

黃 臻

[上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125]

液壓系統的設計總是圍繞著壓力和流量來進行，常規的設計方法是根據負載直接計算，通過考慮一些損失，在設計額定壓力和流量時，會在負載算出來的壓力值和流量值基礎上乘以1.1的系數，避免系統上的一些損失影響最終設計結果，這樣設計是不合理、不科學的。這種設計方式比較粗糙，導致系統制造完成后，調試時發現達不到設計效果或功率過大，造成不必要的浪費。本文根據自身經驗，介紹鉆井船套管機械手液壓系統設計方法，綜合考慮管路壓力損失和閥件壓力損失，對其進行精確的設計計算，達到比較精準的設計效果，使液壓系統的設計結果更接近實際值。

1 鉆井船套管機械手工作原理及其結構

鉆井船套管機械手是鉆井船鉆井系統中的重要設備。套管從轉臺面上通過關節吊移運到貓道上，此時套管處于水平狀態，通過貓道把套管移運到井眼中心，大鉤抓住并起吊后變成傾斜狀態，這時鉆井船上的套管機械手起到輔助作用，通過推起或扶住套管，與大鉤配合，確保套管順利移動到指定位置。

套管機械手主要由基座、回轉機構、伸縮機構、變幅機構、夾鉗機構等組成。基座通過斜撐和框架固定在井架上；回轉機構由回轉液壓馬達配置減速箱驅動；伸縮機構由主臂架、伸縮臂和伸縮油缸組成；變幅機構由左右兩個變幅油缸組成；夾鉗機構由兩個夾緊油缸、兩個夾鉗和滾輪組成。其整個結構見圖1。

圖1 機械結構圖Fig.1 Mechanical drawing

它工作時，通過中心井大鉤將套管吊到指定高度后，控制套管機械手回轉角度、變幅角度、伸縮位置，并打開夾鉗機構，到位后，夾鉗機構夾緊套管，變幅油缸、回轉馬達和伸縮油缸同時工作，把套管送到井口中心。這一系列工況對液壓系統要求較高，不僅要考慮液壓閥件，還要考慮管路上流量和壓力損失，這些因素會極大影響設備的穩定性。

2 液壓系統中壓力損失主要因素

液壓系統在設計中，因為沒有整體考慮液壓系統壓力損失及管路閥件內泄漏的因素，導致設計的系統執行機構運行速度、扭矩、推力、拉力未達到設計效果，速度達不到要求或執行機構輸出無法達到設計要求。其中主要的影響因素是：第一，液壓管路內徑尺寸。液壓管路設計尺寸太小，導致流速增大。流速增大會導致壓力損失增大。管子越小壓力損失越大，影響液壓系統的設計結果。管子越大壓力損失越小，但是會造成不必要的浪費。第二，液壓管路長度。相同規格的鋼管，管路越長壓力損失越大，設計應綜合考慮管路長度產生的壓損。第三，油液黏度。油液黏度越大，流動阻力就越大，壓力損失也越大。第四，轉角彎頭。轉角彎頭處容易形成漩渦，造成局部壓力損失。第五，系統中各閥件的內泄漏。本研究主要在常溫下綜合考慮以上因素并進行設計計算。

3 根據設備參數進行液壓系統設計計算

首先要確定套管機械手設計參數。

回轉機構：1x液壓馬達，轉速r：500 RPM，輸出扭矩W：122 Nm。

伸縮機構：1組油缸，推/拉力F：50 Kn，伸縮速度V：15 m/min，行程L：2 500 mm。

變幅機構：2組油缸，單個油缸拉力F：150 Kn，行程：140 mm，伸縮速度V：5 m/min。

夾鉗機構：2組油缸，單個油缸推力/拉力F：50 Kn/20 Kn，行程：600 mm，速度V：5 m/min。

3.1 回轉機構選型計算

3.1.1 回轉機構液壓馬達選型計算

綜合液壓馬達的使用工況、工作轉速和扭矩。選用性價比較高的擺線馬達。用SAM擺線馬達，型號：BRO 065 2A M08 CL250 N，可滿足回轉驅動要求。根據液壓馬排量v：65cc/r、容積效率η：80%，可得出馬達工作時的流量為45 L/min。

3.1.2 液壓壓力損失計算

第一，管路壓力損失計算。

管路規格尺寸選用和流速計算：流速V’取5 m/min，計算得出管徑D∶D=2*(q/V’/3.14)1/2=13.8 mm，選用鋼管20*3，滿足設計工作壓力210 Bar。實際流速V”∶V”=q/r2/3.14=4.9 m/min，所選管徑滿足設計要求，管路內液壓油流速不超過6 m/min。

雷諾數：Re=V*D/u*1 000=4.9*14/46*1 000=1 491，根據延程阻力系數計算公式，在雷諾數小于2 300時，選用λ=64/Re；大于2 300時，選用λ=0.316 3/Re1/4，得：

延程阻力系數：λ=64/Re=64/1 491=0.043(Re小于2 300時)；

延程壓力損失：△P1=λ*(l/D)*(( V’* V’/2*ρ)/1 000)=0.65 Mpa=6.5 Bar；

局部壓力損失：△P2=ξ*V’*V’*ρ/2 000 000=0.01 Mpa=0.1 Bar；

管路總壓力損失：△P=△P1+x*△P2=6.5+10*0.1=7.5 Bar；

油液運動黏度u-46 mm*mm/s；油液密度ρ-880 kg/m3；

管路長度l-20 m ；局部阻力系數(取90°轉角)，ξ-1.12，管路轉角數量取x-10。

第二，系統閥件壓力損失計算。

根據液壓馬達驅動所需設計流量和設計壓力可確定：選擇的平衡閥型號為CBCH-LDN。該平衡閥在45 L/min時的壓力損失為3 Bar。選擇paker控制閥型號為L90s。該閥的壓力損失可根據補償器壓力，選用5 Bar的壓力補償器。系統上所有閥件產生的壓力損失為：5 Bar+3 Bar=8 Bar。

第三，回轉液壓系統總的壓力損失。

回轉機構運行時，液壓系統的總壓力損失為(需綜合考慮馬達進油損失加上回油損失)：總壓力損失△P =(管路總壓力損失+閥件壓力損失)*2=(7.5+8)*2=31 Bar。

第四，液壓馬達的選型校核。

根據液壓馬達壓力和扭矩曲線，確定該液壓馬達在130 Bar下，扭矩為120 NM。根據液壓馬達工作壓力和系統總壓力損失得出：系統壓力P= 液壓馬達的壓力+總壓力損失△P= 130+31=161 Bar。也就是L90s閥控制回轉液壓馬達時，設定的工作壓力為161 Bar，即可達到機械回轉機構的工作要求。

3.2 伸縮機構設計計算

根據設計參數和油缸使用工況，進行壓桿穩定計算后，初選油缸規格φ100/φ70x2 300。

3.2.1 油缸壓力及流量設計計算

經計算得出：無桿腔面積A無=7 850 mm2，有桿腔工作面積A桿=4 003.5 mm2；

油缸面積比i∶i=A無/A桿=7 850/4 003.5=1.96；

無桿腔設計工作壓力P無=63.7 Bar，有桿腔設計工作壓力P桿=125.9 Bar；

無桿腔設計工作流量Q無=117.75 L/min，有桿腔設計工作流量Q桿=60.1 L/min；

根據油缸和平衡閥的內泄漏總共為0.05 L/min，得出有桿腔和無桿腔設計工作流量分別為：60.15 L/min和117.8 L/min。

3.2.2 液壓壓力損失計算

第一，管路規格尺寸選用和流速計算。

無桿腔管路：流速取5 m/min，計算得出管徑D∶D=2*(q/V’/3.14)1/2= 22.36 mm，選用鋼管φ30*4，滿足設計工作壓力210 Bar。

實際流速V’∶V’=117.8/60/((30-8)/2*10-2)2/3.14/10=5.17 m/min；

有桿腔管路：流速取5 m/min，計算得出管徑D∶D=2*(q/V’/3.14)1/2=2*(60.15/60/5/10/3.14)1/2*100=15.97 mm，選用鋼管φ25*3，滿足設計工作壓力210 Bar。

實際流速V’∶V’=q/r2/3.14=3.8 m/min，所選無桿腔管徑φ30*4和有桿腔管徑φ25*3滿足設計要求。管路內液壓油流速不超過6 m/min，滿足液壓系統要求。

第二，管路壓力損失計算。

a.無桿腔管徑φ30*4，流量為117.8 L/min時的壓力損失：

雷諾數：Re=V*D/u*1 000=5.17*22/46*1 000= 2 473>2 300；

延程阻力系數：λ=0.316 3/Re1/4=0.044 9(Re大于2 300時)；

延程壓力損失：△P1=λ*(l/D)*(( V’* V’/2*ρ)/1 000)= 0.5 Mpa = 5 Bar；

局部壓力損失：△P2=ξ*V’*V’*ρ/2 000 000=0.014 Mpa =0.14 Bar；

管路總壓力損失：△P=△P1+x*△P2=5+10*0.14= 6.4 Bar。

b.有桿腔管徑φ25*3，流量為60.15 L/min時的壓力損失：

雷諾數：Re=V*D/u*1 000=3.8*19/46*1 000=1 570<2 300；

延程阻力系數：λ=64/Re =0.041(Re小于2 300時)；

延程壓力損失：△P1=λ*(l/D)*(( V’* V’/2*ρ)/1 000)=0.27 Mpa=2.7 Bar；

局部壓力損失：△P2=ξ*V’*V’*ρ/2 000 000=0.007 Mpa=0.07 Bar；

管路總壓力損失：△P=△P1+x*△P2=2.7+10*0.07=3.4 Bar；

管路長度l-20 m，管路轉角數量取x-10。

第三，系統閥件壓力損失計算。

根據液壓油缸驅動所需設計流量和設計壓力可確定：SUN平衡閥型號為CBEH-LDN。該平衡閥在117.8 L/min時，壓力損失為3 Bar；在60.15 L/min時，壓力損失為0.5 Bar。選擇paker控制閥型號為L90。該閥的壓力損失可根據補償器壓力，選用5 Bar的壓力補償器。

油缸伸出時，所有閥件產生的壓力損失為：5 Bar+3 Bar=8 Bar；

油缸縮回時，所有閥件產生的壓力損失為：5 Bar+0.5 Bar=5.5 Bar。

第四，伸縮機構液壓系統的總壓力損失。

油缸伸出時，總壓力損失△P無=管路總壓力損失+閥件壓力損失=6.4+ 8=14.4 Bar；

油缸縮回時，總壓力損失△P =管路總壓力損失+閥件壓力損失=3.4+5.5=8.9 Bar。

第五，液壓油缸實際需要工作壓力(綜合考慮油缸背壓引起的增壓因素)：

油缸伸出時，實際需要工作壓力P∶P= P無+△P無+△P桿/i=60.7+14.4+8.9/1.96=79.64 Bar；

油缸縮回時，實際需要工作壓力P∶P= P桿+△P桿+△P無*i= 125.9+8.9+14.4*1.96=163.02 Bar。

也就是L90s閥控制伸縮油缸時，伸出時設定的工作壓力為80 Bar，縮回時設定壓力為163 Bar，即可達到伸縮機構工作要求。

3.3 變幅機構和夾鉗機構設計

計算方法同上，計算結果如下：

a.變幅機構。

油缸規格：125/63x140；

油缸伸出時，工作壓力P無：0 Bar (由于油缸受拉被動伸出，伸出時油缸推力為0)；

油缸伸出時，工作流量：122.76 L/min。油缸縮回時，工作流量：91.6 L/min；

無桿腔液壓鋼管尺寸：φ30*4，有桿腔液壓鋼管尺寸：φ25*3。

根據液壓油缸驅動所需設計流量和設計壓力可確定：單個油缸有桿腔選擇的SUN平衡閥型號為CBCG-LJN。該平衡閥在45.8 L/min時，壓力損失為2 Bar，導壓比4.5∶1。導壓壓力根據最大負載計算，P導=163.9/4.5=36.42。選擇paker控制閥型號為L90s，該閥的壓力損失可根據補償器壓力，選用5 Bar的壓力補償器。

油缸縮回時，所有閥件產生的壓力損失為：5 Bar+2 Bar = 7 Bar。

伸縮機構液壓系統的總壓力損失為：

油缸伸出時，總壓力損失△P無=管路總壓力損失+閥件壓力損失=6.5+5=11.5 Bar；

油缸縮回時，總壓力損失△P=管路總壓力損失+閥件壓力損失 =5.3+7=12.3 Bar；

液壓油缸實際需要工作壓力(綜合考慮油缸背壓引起的增壓因素)：油缸伸出時，實際需要工作壓力P∶P=P無+△P無+P導=0+11.5+36.42=47.92 Bar；

油缸縮回時，實際需要工作壓力P∶P=P桿+△P桿+△P無*i=163.9+12.3+11.5*1.34=191.61 Bar。

根據計算結果得知，伸出時設定的工作壓力為48 Bar，縮回時設定壓力為192 Bar，即可達到變幅機構工作要求。

b. 夾鉗機構。

油缸規格：63/45x580；

油缸伸出時，設計工作壓力P無：160.5 Bar，油缸縮回時，設計工作壓力P桿：131.1 Bar；

油缸伸出時，工作流量：32.26 L/min，油缸縮回時，工作流量：15.36 L/min；

無桿腔液壓鋼管尺寸：φ16*2，有桿腔液壓鋼管尺寸：φ12*2。

根據液壓油缸驅動所需設計流量和設計壓力可確定：選擇的SUN液壓鎖型號為CKCB-XCN。該液壓鎖在7.68 L/min和16.13 L/min時，壓力損失分別為0.5 Bar和1.5 Bar。選擇paker控制閥型號為L90s。該閥的壓力損失可根據補償器壓力，選用5 Bar的壓力補償器。

油缸伸出時，所有閥件產生的壓力損失為：5 Bar+1.5 Bar=6.5 Bar；

油缸縮回時，所有閥件產生的壓力損失為：5 Bar+0.5 Bar=5.5 Bar；

伸縮機構液壓系統的總壓力損失為：

油缸伸出時，總壓力損失△P無=管路總壓力損失+閥件壓力損失= 13.4+6.5=19.9 Bar；

油缸縮回時，總壓力損失△P桿=管路總壓力損失+閥件壓力損失 = 32.2+5.5=37.7 Bar；

液壓油缸實際需要工作壓力(綜合考慮油缸背壓引起的增壓因素)：

油缸伸出時，實際需要工作壓力P∶P=P無+△P無+△P桿/i=160.5+19.9+37.7/2.04=198.88 Bar；

油缸縮回時，實際需要工作壓力P∶P=P桿+△P桿+△P無*i=131.1+37.7+19.9*2.04=209.4 Bar。

根據計算結果得知，伸出時設定的工作壓力為199 Bar，縮回時設定壓力為210 Bar，即可達到變幅機構工作要求。

液壓系統的設計計算完成后，各個閥件的壓力流量參數基本確定下來，系統上的液壓管路尺寸規格也確定下來，后續就是完成液壓系統原理圖設計。本系統最終在調試過程中經過測試，各項性能指標和參數與理論差別不大，完全滿足設備設計要求。

4 結語

整套液壓系統設計在壓力流量損失上計算嚴密，得出精確的液壓系統所需壓力和流量，不僅滿足設備的使用要求，還極大提高了設備使用效率，避免設計的壓力和流量過小，達不到機械性能要求和過大的壓力流量造成不必要的浪費和機械損傷，節省成本的同時，提高了系統和機械結構的壽命。