鐵鉆工旋扣鉗碳纖維滾輪優化與試驗

景佐軍， 徐小鵬1,， 南樹歧1,， 范向曾

（1.國家油氣鉆井裝備工程技術中心，陜西 寶雞721000；2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721000）

0 引言

鐵鉆工是自動化鉆井生產中鉆機的配套設備，作為液壓動力大鉗的升級替代產品，鐵鉆工能夠安全、高效地完成鉆具的上卸扣和緊沖扣等工作[1]。尤其在近幾年，國內各大石油鉆探企業大力推進鉆修井設備自動化、智能化發展，改善一線作業環境，提升員工工作幸福感，鉆機管柱自動化設備進入了快速發展期，鐵鉆工作為管柱自動化設備中上卸扣工具，得到了大量的使用，目前約有上百臺鐵鉆工進入現場使用，操作人員遠離井口作業，提高了作業時的安全性。在進行作業時不需要根據鉆桿直徑的變化更換相應的顎板，操作簡單，工作效率高[2]。但是鐵鉆工的效率還需進一步提高，往往緊扣需要多次，旋扣鉗的轉矩不足則是引起該問題的主要原因之一。

本文主要對鐵鉆工旋扣鉗滾輪與鉆桿的摩擦行為進行分析研究，分析滾輪與鉆桿旋扣全過程中的接觸摩擦特性、磨損原因等問題，討論了不同過程中當量滾動摩擦、滑動摩擦因數。并在此基礎上，進行了不同夾緊力、不同轉速、不同材料、動靜狀態下碳纖維滾子材料的摩擦力矩試驗，得出了最優鐵鉆工滾輪工作狀態。

1 現狀分析

目前，鐵鉆工旋扣鉗工作時，通過液壓缸推動夾緊臂上的摩擦輪夾緊管具，液壓馬達驅動摩擦輪旋轉，從而帶動管具旋轉，完成上扣、卸扣動作[4]。國內眾多制造廠商的鐵鉆工通過工業應用及優化，在可靠性、穩定性方面有了很大的提升。其工作機理主要是先通過旋扣鉗滾輪帶動鉆桿快速旋扣到位，然后沖扣鉗通過液缸推動轉動一定角度緊扣到設定的轉矩，從而達到上緊鉆桿扣得目的[3]。但是在實際應用過程中，目前鐵鉆工的上卸扣效率相比傳統的液氣大鉗，還存在偏低的問題，主要原因在于旋扣鉗的上扣轉矩不足，而沖扣鉗通過夾緊液缸的伸縮帶動夾持機構和滑塊總成運動完成鉆具的夾持[5]，導致緊扣的時候沖扣鉗需要轉動很大的角度才能到位，往往沖扣鉗轉動角度遠大于沖扣鉗自身旋轉角度，因此需要2次、3次乃至多次緊扣，這樣造成了效率的低下，因此提升旋扣鉗的上扣轉矩是提升鐵鉆工效率的關鍵，而旋扣鉗的轉矩是通過滾輪與鉆桿摩擦傳遞轉矩。本文分析滾輪與鉆桿的摩擦機理并開展碳纖維材料滾輪試驗，在旋扣鉗使用中通過合理的參數設置以達到最優化的摩擦轉矩，從而提升鐵鉆工的效率。

2 摩擦機理分析

以緊扣為例，分析滾子與鉆桿的摩擦轉矩。滾輪在快速旋轉時，滾輪與鉆桿為滾動摩擦，此時滾輪與鉆桿之間的摩擦因數為當量滾動摩擦因數；接近上扣末端時，上扣阻力矩急劇增加，滾輪對鉆桿提供的摩擦力矩也應該逐漸達到最大值，最大轉矩在理想狀態下，應該是滾輪抱緊鉆桿不打滑，旋扣馬達提供最大的輸出轉矩，因此最大轉矩狀態下，滾輪與鉆桿的摩擦為靜摩擦。

2.1 當量摩擦因數的確定

鐵鉆工輥子與管柱之間的接觸應屬于彈性接觸，所以，上卸扣過程中的滾動摩擦阻力矩主要來源于輥子與管柱外壁之間的微觀滑動、彈性滯后及黏著效應。輥子與工作對象管柱之間的滾動接觸可簡化為圖1所示的簡單模型。

圖1 滾輪與鉆桿的滾動模型

一個彈性輪由一個剛性內圈和一系列彈性單元構成，這些單元之間及它們與剛性內圈之間彈性連接。在輥子和管柱進入接觸區的前緣，始終存在黏著區，后緣存在著滑動區，這種滑動為微觀滑動。滾動摩擦的絕大部分阻力矩來源于滾動體接觸過程中的彈性滯后，滾動摩擦因數應為[1]

接觸時的彈性變形是非常復雜的過程，實際應用時還需考慮以下因素：1）滾動接觸區材料變形速率的影響，變形速率較大時，ε將隨變形程度的增大而增大。2）滾動接觸區材料塑性損耗的影響，當法向壓力增大時，滾動接觸區的法線的高應力區完全可能會達到塑性流動狀態，滾動時，在接觸表面之下材料的每一個單元都經歷了彈性→塑性→彈性的變化過程。因此，滾動接觸表面一直承受彈性應力，但始終也會引起明顯的塑性變形能量損耗。3）滾動過程中的黏結點被迫分開時是垂直于黏結點界面的，即黏結點分不開過程中不存在黏結點增大現象。

2.2 靜摩擦因數的確定

滑動摩擦是黏著結點的形成和剪切交替發生的過程[3]。黏著點在初始狀態下是微凸起體的接觸，在較大的黏著阻力作用下，接觸表面發生了拉伸變形，在微凸體破裂后，在新微凸體的局部壓力作用下，仍保持拉伸變形。不同的滑動速度、表面粗糙度、溫度、濕度條件下表現出的黏著效應不一樣，因此摩擦因數也是不一樣的，一般主要靠試驗的方法進行研究。

3 滾輪優化方法

1）夾緊力的提高。鉆桿的轉矩主要是靠夾緊力與摩擦因數產生，因此夾緊力的提高有助于提升旋扣鉗的轉矩[6]。但是轉矩的提高受以下幾個因素的制約：一是滾子在滾動時，在接觸表面之下材料的每一個單元都經歷了彈性→塑性→彈性的變化過程。不停的塑性變形也會引起能量損耗，轉矩太大導致塑性變形加劇旋扣馬達輸出功率的損耗。二是夾緊力太大導致鉆桿變形較大，滾子對夾本身造成自身卡阻，沒有將轉矩傳遞到螺紋接頭上，而是旋扣鉗自身能量內耗。

2）摩擦因數的提高。從滾子與鉆桿的摩擦機理分析可知，不管滾動摩擦還是滑動摩擦因數，影響因素比較多，從理論上給出一個確切的數值比較困難，只能進行試驗驗證。而且，影響摩擦因數的因素大部分是結構的曲率半徑、彈性模量、泊松比等結構材料的固有參數，結構參數由于體積質量設計的限制，往往無法實現大幅度的突破，目前常用的辦法是在滾子上開一些溝槽，加大局部變形，提高黏著效應及彈性滯后阻力矩，但是往往出現損傷鉆桿的現象。因此只能考慮在材料上提高摩擦因數及耐磨性。

4 復合碳纖維材料性能研究

為此開發了一種以酚醛樹脂材料為基體加入高耐磨材料的簾線碳纖維材料，作為滾輪材料，如圖2所示。該材料為航天科技新材料，用纏繞工藝和模壓加工制成；輥子徑向承壓為380～420 MPa；輥子徑向承載大于600 kN；輥子最大工作溫度為120 ℃，其硬度可根據加工工藝進行調整，基體中加入的簾線可提高材料的耐磨性。

如圖3所示，在鐵鉆工上試驗驗證其對旋扣鉗轉矩性能，并與普通鋼制滾輪進行了對比。

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4.1 轉速影響分析

試驗是通過對滾輪的夾緊力保證一致，調整節流閥的大小使滾輪的轉速為30、60、90 rad/min，測試滾輪上扣完成后靜止且不打滑時最大的上扣轉矩，并折算出旋扣鉗當量靜摩擦因數。

由圖4可知：在相同載荷下，隨著速度的降低，滾輪靜止不打滑狀態下馬達的壓力變高，說明傳遞的轉矩有所增大，折算的當量靜摩擦因數也有所提高。

圖2 新型材料滾輪

圖3 轉矩試驗圖

圖4 不同速度下的當量靜摩擦因數

在旋扣滾子抱緊鉆桿旋轉上扣過程中，逐漸調低滾子的夾緊壓力，當鉆桿與滾子開始打滑時，記錄滾子夾緊壓力及馬達輸出轉矩，可折算出旋扣鉗當量滾動摩擦因數，通過試驗可知，鋼滾輪在夾緊壓力16 MPa下打滑，瞬時馬達壓力為6 MPa，折算當量動摩擦因數為0.07；鋼滾輪在夾緊壓力9 MPa下打滑，瞬時馬達壓力為6 MPa，折算當量動摩擦因數為0.12。

在不同速度滾動狀態下，馬達的壓力基本不變，說明夾緊壓力對當量動摩擦因數基本沒有影響。

4.2 夾緊壓力影響分析

滾輪的轉速保持額定90 rad/min不變，改變對滾輪的夾緊力（分別為10、15、21 MPa），與上述測試內容相同，折算出旋扣鉗當量靜摩擦因數。

由圖5可知：在相同載荷下，隨著夾緊壓力的增大，滾輪靜止不打滑狀態下馬達的壓力變高，說明傳遞的轉矩有所增大，但是折算的當量靜摩擦因數基本不變，介于0.20～0.24之間；在滾動狀態下，馬達的壓力基本不變，說明夾緊壓力對當量動摩擦因數基本沒有影響。

4.3 潤滑條件影響分析

油基環境下試驗是在鉆桿上涂抹潤滑脂，模擬鉆桿在采用油基泥漿噴濺后與滾輪的摩擦效應。在夾緊壓力為10、15、21 MPa、額定轉速為90 rad/min的條件下測試其當量動靜摩擦因數。

由圖6可知，油基泥漿工況下，該復合材料的當量靜摩擦因數有所降低，但是相對于鋼滾子的靜摩擦因數0.096而言，提高近1倍。

圖5 不同速度下的當量靜摩擦因數

圖6 不同速度下的當量靜摩擦因數

由以上試驗可以看出，采用該碳纖維復合材料的滾輪的當量靜摩擦因數相對于鋼制滾輪可提升20%，當量動摩擦因數可提升近20%，可有效提升鐵鉆工的上卸扣效率。

5 結論

1）鐵鉆工旋扣鉗轉矩的提升可提高上卸扣效率，旋扣鉗轉矩是先克服滾動摩擦，后克服靜摩擦以傳遞最大轉矩，影響摩擦力的因素主要有結構、環境及材料因素。

2）開發的新型碳纖維材料滾輪的當量靜摩擦因數比鋼制滾輪提高約1倍左右，有效提升了系統的旋扣轉矩，其摩擦因數隨著速度的減小而增大、隨著正壓力的增大而增大。

3）采用該材料的滾輪，可使得旋扣鉗的轉矩提升20%，可有效提升鐵鉆工的旋扣轉矩，從而增加了沖扣鉗的一次上卸扣成功率，提高了鐵鉆工的工作效率。

根據目前旋扣鉗的使用現狀，為了早日達到實現推廣使用碳纖維滾輪的目的，提出以下幾點發展建議：a.持續跟蹤該滾輪在油田進行工業性試驗的情況，根據現場的使用情況，以提升摩擦轉矩及提高耐磨性為目標，持續優化碳纖維配方及制造工藝，以提高在各種油田作業環境下的適用性。b.考慮優化旋扣鉗滾輪的自動化作業流程，初始時由于摩擦阻力小，應該快速旋扣，到轉矩急劇增大時，應該逐級降低旋扣速度，提高滾動摩擦轉矩，最終平滑過渡到靜摩擦，以避免打滑磨損。c.壓縮碳纖維制造成本，以滿足用戶的性價比需求。