頂驅(qū)通用型1 000 t拉伸試驗(yàn)臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)*

楊如意 于成龍 段立俊

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院)

0 引 言

作為鉆機(jī)的關(guān)鍵配套設(shè)備之一，鉆機(jī)頂部驅(qū)動(dòng)裝置(以下簡(jiǎn)稱頂驅(qū))是集機(jī)、電、液和智能化控制于一體的技術(shù)密集型產(chǎn)品，屬于當(dāng)今石油鉆井中的前沿裝備，其主要功能是驅(qū)動(dòng)鉆柱旋轉(zhuǎn)、旋緊或松開鉆柱接頭、沿導(dǎo)軌上下移動(dòng)完成鉆井作業(yè)。

頂驅(qū)的齒輪箱是整個(gè)頂驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)和主電機(jī)系統(tǒng)等的支撐部件，同時(shí)與吊環(huán)連接，承載鉆柱重力。提環(huán)是頂驅(qū)裝置重要的承載零件，銷軸通過提環(huán)與齒輪箱相連，上部吊裝在游車大鉤上，承擔(dān)頂驅(qū)和鉆柱的總體重力。根據(jù)GB/T 31049—2014《石油鉆機(jī)頂部驅(qū)動(dòng)裝置》相關(guān)規(guī)定，頂驅(qū)出廠和大修后應(yīng)對(duì)齒輪箱、提環(huán)及吊環(huán)等承載部件進(jìn)行1.5倍額定載荷拉伸試驗(yàn)，確保頂驅(qū)使用的安全性和可靠性。

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)常用的頂驅(qū)為40、50及70型頂驅(qū)，70型頂驅(qū)額定載荷4 500 kN，頂驅(qū)生產(chǎn)廠家包括北石、天意、景宏以及美國(guó)Varco?？紤]到頂驅(qū)拉伸載荷試驗(yàn)的必要性和頂驅(qū)類型的多樣性[1-2]，本文開展了頂驅(qū)通用型拉伸試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)的研究工作，并制定了相應(yīng)的技術(shù)方案。

1 技術(shù)分析

1.1 整體結(jié)構(gòu)

圖1為拉伸試驗(yàn)臺(tái)主體功能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖。該試驗(yàn)臺(tái)的主體設(shè)計(jì)思路為：利用液壓升降平臺(tái)調(diào)整頂驅(qū)放置高度；通過兩個(gè)牽引車連接頂驅(qū)兩端提環(huán)和吊環(huán)，從而固定頂驅(qū)；利用計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)通過控制PLC，調(diào)節(jié)液壓缸伸縮帶動(dòng)連桿，對(duì)頂驅(qū)施加載荷；傳感器檢測(cè)拉力和位移信號(hào)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)顯示試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 拉伸試驗(yàn)臺(tái)主體功能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖Fig.1 The design diagram of the main function realization of the tensile test bench

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，利用Solidworks軟件構(gòu)建了拉伸試驗(yàn)臺(tái)三維模型，如圖2所示。該頂驅(qū)通用型1 000 t拉伸試驗(yàn)臺(tái)整體采用臥式結(jié)構(gòu)，可對(duì)70型及其以下型號(hào)頂驅(qū)進(jìn)行1.5倍額定載荷拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)主要由主機(jī)架、位移及拉力檢測(cè)系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)等部分組成。

通過對(duì)試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)力集中部位進(jìn)行理論計(jì)算，并使用Solidworks軟件進(jìn)行強(qiáng)度校核，最終確定試驗(yàn)臺(tái)主體材料選用Q345B，耳板結(jié)構(gòu)及其附近高應(yīng)力區(qū)域與應(yīng)力集中處材料選用Q460，應(yīng)力過大的筋板材料選用Q690。

1.2 工作原理

拉伸試驗(yàn)臺(tái)將頂驅(qū)提環(huán)一端固定，另一端通過PLC控制系統(tǒng)控制電液伺服閥的啟閉，使液壓缸活塞桿帶動(dòng)頂驅(qū)吊環(huán)一側(cè)進(jìn)行拉伸。

拉伸工藝流程為：確定試驗(yàn)頂驅(qū)類型后，一方面作業(yè)人員將頂驅(qū)平臥放置在升降平臺(tái)上，根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)拉伸方向水平線的高度確定頂驅(qū)升降位置，選用相應(yīng)的吊環(huán)工裝匹配接口，將頂驅(qū)與試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行連接，然后通過銷軸固定牽引車，并在牽引車處安裝位移傳感器；另一方面，在計(jì)算機(jī)軟件控制系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)的頂驅(qū)拉伸載荷及保載時(shí)間等參數(shù)，待頂驅(qū)安裝完畢后，安裝防護(hù)罩，啟動(dòng)控制程序開始試驗(yàn)[3-9]。

程序啟動(dòng)后，試驗(yàn)臺(tái)油缸開始動(dòng)作，逐漸拉緊工件，并按照設(shè)定的保載值和保載時(shí)間自動(dòng)調(diào)節(jié)伸縮速度，同時(shí)在計(jì)算機(jī)顯示屏上生成相應(yīng)的拉力和位移隨時(shí)間的變化曲線。試驗(yàn)過程中一旦發(fā)生拉力突然減小、位移變化量突然增大的情況，破斷保護(hù)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，系統(tǒng)立即卸載，防止對(duì)拉伸工件造成進(jìn)一步的損壞。試驗(yàn)結(jié)束后可打印試驗(yàn)曲線，便于后續(xù)分析和討論。試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)工作流程示意圖如圖3所示。

圖3 拉伸試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)工作流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of the work flow of the control system of the tensile test bench

1.3 主要技術(shù)特點(diǎn)

(1)利用牽引車和布距固定牽引車實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)不同長(zhǎng)度頂驅(qū)的兼容性，首先根據(jù)頂驅(qū)的長(zhǎng)度確定布距固定牽引車的位置，用銷軸將其與主機(jī)架固定，再將頂驅(qū)提環(huán)與牽引車通過牽引銷固定，保證不同長(zhǎng)度的頂驅(qū)都可以在試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)。

(2)采用雙組液壓升降臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)不同高度頂驅(qū)的兼容性，根據(jù)不同類型頂驅(qū)設(shè)定不同的升降高度，使試驗(yàn)臺(tái)拉伸方向能夠始終與頂驅(qū)中心在同一水平線上。

(3)打破拉力測(cè)量的固有觀念，采用反壓式傳感器測(cè)量系統(tǒng)，拉力測(cè)量范圍大，占用空間小。

(4)采用電液伺服系統(tǒng)，將電控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)結(jié)合，通過PLC系統(tǒng)控制電磁換向閥等閥組與油泵電機(jī)的配合動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)的逐級(jí)保載及連續(xù)加載功能。

(5)通過軟件設(shè)置相應(yīng)頂驅(qū)的載荷參數(shù)，并能根據(jù)需要選擇拉伸試驗(yàn)的自動(dòng)/手動(dòng)控制方式。

1.4 主要技術(shù)參數(shù)

公稱拉力10 000 kN，測(cè)量范圍2～100%FS(連續(xù)全程測(cè)量)，測(cè)量精度±1%；位移行程1 000 mm，測(cè)量精度±1%FS；最大測(cè)試尺寸(長(zhǎng)×寬×高)6 500 mm×2 150 mm×1 100 mm；外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高) 21 500 mm×3 300 mm×2 000 mm；適合頂驅(qū)類型225～450 t。

2 拉伸試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)架

根據(jù)北石、景宏、天意及Varco等公司設(shè)計(jì)的頂驅(qū)外形尺寸，確定了拉伸試驗(yàn)臺(tái)被測(cè)試產(chǎn)品最大尺寸為6 344 mm×1 875 mm×1 400 mm。試驗(yàn)臺(tái)主機(jī)架整體結(jié)構(gòu)由主機(jī)梁、防護(hù)罩、布距固定牽引車、牽引小車、底座及地腳螺栓等組成(見圖4)。主機(jī)架底座通過地腳螺栓與地面連接固定。整機(jī)全長(zhǎng)16 920 mm，總高度1 820 mm。

1—防護(hù)罩；2—主機(jī)梁；3—底座；4—牽引小車；5—布距固定牽引車。

主機(jī)梁與布距固定牽引車通過銷軸進(jìn)行連接，布距固定牽引車(見圖5)利用滑輪結(jié)構(gòu)可在主機(jī)梁上實(shí)現(xiàn)每步500 mm移動(dòng)，并通過操作桿控制布距銷軸的伸縮，實(shí)現(xiàn)其與主機(jī)梁的連接固定，從而將拉伸載荷傳導(dǎo)到主機(jī)梁上。牽引小車一端通過吊環(huán)工裝與頂驅(qū)連接，另一端與加載系統(tǒng)進(jìn)行螺栓連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)頂驅(qū)工件的牽引。

1—布距銷軸；2—操作桿；3—滑輪；4—工裝接口。

2.2 加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)由液壓缸、承載拉桿、牽引拉桿、各部分連接件和滑道等組成，結(jié)構(gòu)如圖6所示。它通過液壓缸活塞桿逐步帶動(dòng)承載拉桿、活塞桿連接件、牽引車連接件及負(fù)載側(cè)連接件在滑道上運(yùn)動(dòng)，通過牽引拉桿帶動(dòng)牽引小車向頂驅(qū)工件傳遞載荷，并對(duì)頂驅(qū)進(jìn)行拉伸，從而實(shí)現(xiàn)加載功能[10]。

液壓缸包括缸體、活塞桿和加強(qiáng)箍3部分，兩側(cè)設(shè)置為法蘭結(jié)構(gòu)，以與試驗(yàn)臺(tái)連接，加強(qiáng)箍厚度為20 mm，作用是防止缸體變形。液壓缸額定壓力為26 MPa，活塞桿行程為1 000 mm[11]。

2.3 升降平臺(tái)

起升平臺(tái)由頂板、底板、支臂、套筒和液壓缸等組成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。通過調(diào)節(jié)液壓缸伸縮長(zhǎng)度來調(diào)節(jié)升降臺(tái)高度。每個(gè)套筒與兩個(gè)支臂組合，以滿足升降時(shí)支架的長(zhǎng)度要求。起升平臺(tái)單只載荷為60 kN，升降行程700 mm。

2.4 信號(hào)采集系統(tǒng)

頂驅(qū)拉伸試驗(yàn)主要監(jiān)測(cè)施加載荷值和位移變化量?jī)蓚€(gè)參數(shù)，因此信號(hào)采集系統(tǒng)主要選用拉伸傳感器和位移傳感器進(jìn)行信號(hào)采集和傳輸[12]。

2.4.1 拉伸傳感器

市場(chǎng)上常用拉力檢測(cè)傳感器為S式傳感器，體積較大，強(qiáng)度較低，本文研選了輪輻式應(yīng)變傳感器。該傳感器外形扁而大、強(qiáng)度高，通過采用反壓式連接結(jié)構(gòu)將其安裝在試驗(yàn)臺(tái)中，不僅可實(shí)現(xiàn)載荷檢測(cè)功能，同時(shí)也減少了試驗(yàn)臺(tái)占用的空間。

1—頂板；2—液壓缸；3—套筒；4—支臂；5—底板。

2.4.2 位移傳感器

本文選用了光電編碼式位移傳感器。試驗(yàn)時(shí)在頂驅(qū)安裝完畢后將其固定在牽引車上，精準(zhǔn)測(cè)量頂驅(qū)拉伸工件的位移變化量，為拉伸工件的試驗(yàn)結(jié)果提供可靠依據(jù)。

3 控制系統(tǒng)及功能設(shè)計(jì)

3.1 液壓系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)配套液壓系統(tǒng)主要采用電控液原理，主要由油箱、油泵電機(jī)組、手動(dòng)控制閥、自動(dòng)控制閥、手動(dòng)回油閥、電磁換向閥、高壓球閥、管路、濾清裝置、安全保護(hù)裝置、壓力表和液位計(jì)等組成。其中：液位計(jì)為上下雙聯(lián)液位計(jì)，安裝在油箱右側(cè)，用來觀察液面高度；安全保護(hù)裝置由溢流閥和安全閥等組成，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過調(diào)定壓力時(shí)，溢流閥和安全閥會(huì)自動(dòng)卸載以保障液壓系統(tǒng)的安全；液壓源正面裝有控制箱，控制箱內(nèi)裝有空氣開關(guān)和啟動(dòng)按鈕，并設(shè)有手動(dòng)控制閥和手動(dòng)回油閥旋鈕。液壓系統(tǒng)額定工作壓力26 MPa，安全閥調(diào)定壓力31 MPa，額定流量3.5 L/min，電動(dòng)機(jī)功率18 kW。拉伸試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)原理圖如圖8所示。

圖8 拉伸試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)原理圖Fig.8 Schematic diagram of the hydraulic system of the tensile test bench

通過自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式控制液壓缸活塞的伸縮速率和伸縮長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)的連續(xù)加載和逐級(jí)保載功能，步驟如下。

(1)手動(dòng)控制閥、手動(dòng)回油閥與電磁換向閥組合使用，實(shí)現(xiàn)加載和卸載。頂驅(qū)安裝完畢后，應(yīng)先將兩個(gè)高壓球閥打開。然后合上控制箱空開，工作人員在控制軟件中進(jìn)行如下操作：將24 V電信號(hào)傳輸給三位四通電磁閥開啟位，檢查三位四通比例電磁閥關(guān)閉位，并且在確定手動(dòng)回油閥已關(guān)閉后按下控制箱上啟動(dòng)按鈕，啟動(dòng)油泵電機(jī)；通過手動(dòng)操作控制箱上的手動(dòng)控制閥旋鈕實(shí)現(xiàn)加載和卸載(活塞的前進(jìn)、后退)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋鈕，送油流量/加載速度變小直至為0，反之送油流量/加載速度增大。液壓控制系統(tǒng)通過對(duì)電機(jī)、三位四通閥及液控單向閥等的控制，可以實(shí)現(xiàn)26 MPa油壓的控制輸入。試驗(yàn)結(jié)束后打開手動(dòng)回油閥回油，液壓缸恢復(fù)初始狀態(tài)。

(2)自動(dòng)控制閥通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)力/位移的自動(dòng)控制[13]。在自動(dòng)控制方式下，仍需先將兩個(gè)高壓球閥打開，合上控制箱空開，確認(rèn)手動(dòng)控制閥、手動(dòng)回油閥和三位四通電磁閥已關(guān)閉。按下控制箱上啟動(dòng)按鈕，啟動(dòng)油泵電機(jī)，同時(shí)通過控制軟件輸入相應(yīng)保載參數(shù)，啟動(dòng)自動(dòng)控制程序，將24 V電信號(hào)傳輸?shù)饺凰耐ū壤姶砰y進(jìn)行閥門開度自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)液壓缸加載的自動(dòng)控制。

3.2 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)采用VC++語(yǔ)言編程開發(fā)專用軟件，能夠設(shè)置相應(yīng)保載參數(shù)、破斷參數(shù)，以及進(jìn)行試驗(yàn)力、位移的測(cè)量控制及數(shù)據(jù)處理，并且可對(duì)材料試驗(yàn)的全過程進(jìn)行監(jiān)控，具有曲線、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能及曲線放大功能[14]。圖9為參數(shù)設(shè)置界面。圖10為控制面板和曲線顯示界面。

圖9 參數(shù)設(shè)置界面Fig.9 Parameter setting inferface

圖10 控制面板和曲線顯示界面Fig.10 Control panel and curve display interface

電控系統(tǒng)硬件采用全新一代PLC SIMATIC S7-1500組件模塊。其中：電源模塊設(shè)置高低壓隔離的直流穩(wěn)壓雙電源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)PLC系統(tǒng)供電電源穩(wěn)定輸出；AI/DI輸入模塊通過采用信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換方法，完成多路模擬量和數(shù)字量信號(hào)的處理；AO/DO輸出模塊采用光電輸出、D/A信號(hào)轉(zhuǎn)換及功率二次放大的方法，完成多信號(hào)源控制[15-16]。電控系統(tǒng)控制液壓系統(tǒng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)拉伸功能，其控制策略如圖11所示。

圖11 電控系統(tǒng)控制策略流程圖Fig.11 Flow chart of control strategy of electronic control system

4 實(shí)際應(yīng)用

2020年5月在某車間使用頂驅(qū)通用型1 000 t拉伸試驗(yàn)臺(tái)對(duì)某40型頂驅(qū)進(jìn)行了齒輪箱大修后拉伸試驗(yàn)，設(shè)定最大試驗(yàn)載荷為3 375 kN(1.5倍額定載荷)。試驗(yàn)結(jié)果表明，頂驅(qū)齒輪箱、提環(huán)和吊環(huán)等承載部件試驗(yàn)過程中無位移變化量(即無形變)，頂驅(qū)強(qiáng)度滿足使用要求。

試驗(yàn)結(jié)束24 h內(nèi)，分別使用磁粉探傷儀和超聲波探傷儀對(duì)頂驅(qū)承載部件進(jìn)行了表層探傷和內(nèi)部探傷，探傷結(jié)果良好，頂驅(qū)承載部件無損傷，驗(yàn)證了拉伸試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

(1)設(shè)計(jì)的頂驅(qū)通用型1 000 t拉伸試驗(yàn)臺(tái)利用牽引車、布距固定牽引車和升降平臺(tái)的組合安裝方式，克服了因尺寸不同而無法兼測(cè)多類型頂驅(qū)拉伸性能的難題，實(shí)現(xiàn)了70型及其以下類型頂驅(qū)兼容性拉伸檢測(cè)。

(2)為拉伸試驗(yàn)臺(tái)開發(fā)的軟件系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際需要選擇自動(dòng)、手動(dòng)控制方式，具體為：通過計(jì)算機(jī)軟件控制系統(tǒng)+三位四通比例電磁閥組合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，提高系統(tǒng)控制精度；通過手動(dòng)控制閥+手動(dòng)回油閥+三位四通電磁閥組合使用實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，以滿足自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，可采用手動(dòng)控制方式進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的要求，并充分滿足拉伸工件的逐級(jí)保載、連續(xù)加載等多種試驗(yàn)功能要求，能夠最大化地模擬頂驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，使試驗(yàn)結(jié)果更具可靠性。

(3)試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用結(jié)果表明：該試驗(yàn)臺(tái)具備頂驅(qū)拉伸性能檢測(cè)能力，操作簡(jiǎn)便，可實(shí)時(shí)顯示和打印試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)安全性高，具有檢測(cè)破斷后自動(dòng)卸載等功能。目前，該拉伸試驗(yàn)臺(tái)僅考慮進(jìn)行頂驅(qū)拉伸試驗(yàn)的需求，若要同時(shí)兼容鉆桿和套管等工件的拉伸試驗(yàn)，可對(duì)整體尺寸采取進(jìn)一步優(yōu)化的方式，同時(shí)還可根據(jù)需要增加拉伸工件應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)工件的應(yīng)力集中點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和應(yīng)力監(jiān)測(cè)。