鐵鉆工潤滑方式的改進與優化

王瀟瀟，段樹軍，范向增，王玉，魯鵬程，吳瀚，譚宏博

（寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

鐵鉆工是自動化鉆井生產中鉆機管柱處理系統的主要配套設備之一[1]。目前鐵鉆工通常采用的是伸縮臂式結構，其主要由旋扣鉗、沖扣鉗、伸縮臂、立柱總成、液壓控制系統、電控系統等組成[2]（如圖1）。其中：旋扣鉗是用來高速旋轉帶動鉆桿快速旋上接頭螺紋，沖扣鉗是低速大轉矩沖扣工具，伸縮臂可以根據鉆柱螺紋的位置進行前后、高低、旋轉等自動對正操作。各處運轉都避免不了摩擦，因此設備潤滑對提高設備可靠性、延長零部件使用壽命至關重要。

圖1 鐵鉆工結構示意圖

鐵鉆工現有的人工單點潤滑方式存在勞動強度大、潤滑質量無法保證、需要停機潤滑等缺點，已不能滿足現場的使用需要。集中潤滑技術已經成熟應用于車輛、工程機械等領域[3]。隨著管柱自動化設備向自動化、智能化方向不斷發展，國外的鐵鉆工（如Bentec鐵鉆工等）已經配備了該功能。因此很有必要將集中潤滑技術應用在國內鐵鉆工上。

1 當前潤滑方式現狀及存在問題

鐵鉆工采用傳統的人工單點潤滑方式，即手動加油槍加注潤滑脂[3]。由操作人員定時地用加油槍向油杯油孔進行加注，潤滑脂通過油孔進入潤滑部位。這種方式是最簡單、最常用的注油方法。采用這種常規的潤滑方式存在一些問題：以TZG140S鐵鉆工為例，整臺設備的潤滑點多，總計70處，且位置分散，具體分布如表1所示；操作人員每次加注時需要逐個加注潤滑，花費時間長且勞動強度大，操作過程中容易出現遺漏。

表1 潤滑點分布及數量

旋扣鉗連桿與平衡架（如圖2（a））、沖扣油缸內外支座與軸（如圖2（b））等部分潤滑點位置隱蔽且潤滑空間狹小，加注難度大。沖扣鉗的曲柄與支點臂（如圖2（c））等部分潤滑點加注時，需解體并打開防塵蓋后進行加注潤滑。經常進行此類操作，不僅影響設備正常工作，還會損壞防塵蓋的密封性，潤滑部位容易進入砂礫、粉塵。

圖2 潤滑部位分布點

2 鐵鉆工集中潤滑的組成、原理及特點

集中潤滑是一種比較先進的潤滑體系，是把設備上各分散的潤滑點集中到一個潤滑泵上來實現的潤滑方式。目前常用的集中潤滑方式有抵抗式、定量式、遞進式。抵抗式適用于機床設備，定量式適用于機床、輕工業等室內設備，遞進式主要適用于重工業的礦機、吊機、工程機械等室外設備。鐵鉆工選用單線遞進式集中潤滑，以該方式為基礎，結合設備結構、工作狀態和潤滑點多方面因素考慮，制定出目前最適合鐵鉆工的潤滑方式。

2.1 組成

鐵鉆工集中潤滑由氣動潤滑泵（如圖3（a））、分油器（如圖3（b））、管道接頭、管線等附件組成。氣動潤滑泵的主要功能是存儲潤滑脂并將存儲的潤滑脂輸送到各潤滑點；分油器是系統的基礎和重要元件，它可以保持系統壓力，把充足的潤滑脂輸送至每一個潤滑點[4]；管道接頭、管線等附件按要求向潤滑點輸送潤滑脂。

圖3 潤滑動力源及附件

2.2 鐵鉆工集中潤滑原理

鐵鉆工是集機、電、液一體的鉆臺面設備，自動化程度高、控制系統復雜、動作多、行程大（橫向位移為2000 mm，縱向位移為1000 mm，旋轉角度為±180°），結合上述設備的特點，鐵鉆工以單線遞進式潤滑系統為基礎，優化集中潤滑，即：去除常規集中潤滑的自動控制系統，簡化潤滑油路，將分布近的潤滑點設置為一個潤滑點群，每個潤滑點群僅由一級分油器輸送潤滑脂。

按照鐵鉆工各潤滑點群潤滑周期、位置進行潤滑作業時，將氣動潤滑泵與需潤滑點群上的分油器快插接頭相連，接通氣源，設置好氣壓、時間，給各潤滑點逐一潤滑。一處潤滑點群潤滑完畢后，拔下快插接頭與另一處需潤滑點群的分油器接頭連接（如圖4），繼續進行下一步潤滑。

圖4 鐵鉆工集中潤滑原理圖

2.3 鐵鉆工集中潤滑特點

舍去常規集中潤滑的自動控制系統，確保鐵鉆工本體控制系統正常工作，自動化程序不受其他因素的干擾；避免自動控制系統的元器件與設備動作干涉。

舍去常規集中潤滑系統中從潤滑泵到分油器之間的潤滑主管線，兩者之間設置快插接頭，便于潤滑作業時分油器與潤滑泵快速連接，可縮短潤滑時間和避免堵塞。

舍去常規集中潤滑中的子分油器。每處潤滑點群僅設置一級分油器，潤滑脂直接從分油器出來，通過潤滑管線輸送到潤滑點。這樣可以避免因分油器一個出口被堵塞而導致其他出油口無法正常供油的現象。

3 關鍵零件的改進

為了實現集中潤滑，需要對部分零件進行改進，目的是增加潤滑通道及潤滑接頭的安裝位置。主要有上下殼體、滑塊體、銷軸。在上下殼體（如圖5（a））的側面板上擴孔、開窗，安裝集中潤滑接頭；在滑塊體、銷軸（如圖5（b））上增加潤滑通道。

圖5 潤滑油道圖

4 鐵鉆工集中潤滑實施

根據鐵鉆工的工作特點，按伸縮臂總成、立柱總成、旋扣鉗總成、沖扣鉗總成4個部件分別進行潤滑，并安裝分油器（如圖6）。伸縮臂總成、沖扣鉗總成潤滑的部位多，間距較遠，潤滑管線長，與液壓管線交叉纏繞，為縮短潤滑距離并提高潤滑效果，增加分油器。最終鐵鉆工本體上設置9個分油器，即9處潤滑點群。

圖6 鐵鉆工分油器整體布局方案

伸縮臂總成主要潤滑分布在兩側的連桿與銷軸、伸縮油缸關節軸承與銷軸、導向筒滾輪軸承（如圖7（a））；立柱總成主要潤滑回轉軸承及升降油缸銷軸（如圖7（b））；旋扣鉗總成主要潤滑連桿與平衡架、沖扣油缸內外支座與銷軸、沖扣油缸關節軸承與銷軸（如圖7（c））；沖扣鉗總成主要潤滑分布兩側的上下殼體內滑塊體與曲柄、滑塊體與殼體、夾緊缸與曲柄、銷軸（如圖7（d））。

圖7 鐵鉆工分油器整體布局方案

5 管線布局優化與防護

潤滑管線的內徑太小就會使較遠潤滑部位的油脂量過少，而內徑太大就會導致油脂在管內停留的時間過長，造成油脂的變質，堵塞管路。根據GB/T 3683—2011《橡膠軟管及軟管組合件》及GB/T 8163—2018《輸送流體用無縫鋼管》要求，潤滑管線選擇外徑為φ 6 mm[5]。

結合鐵鉆工的工作狀態，即鐵鉆工在運轉時多數潤滑部位是運動的，為了避免集中潤滑的管線與動作部件出現摩擦、磨損的現象，最終潤滑相對運動的零部件管線采用軟管，潤滑相對靜止的零部件采用紫銅硬管潤滑。

根據鐵鉆工分油器的布局及潤滑零部件位置，確定了紫銅硬管及軟管的長度及相對角度，最終優化為軟管和紫銅硬管結合的管線布局。連接板、沖扣鉗的潤滑管路材質如圖8所示。

圖8 不同潤滑管路材質的應用

在軟管和紫銅硬管上分別使用螺旋卡套進行纏繞防護，可避免管線磨損并延長管線的使用壽命，同時提高了管線的實用性及美觀性。連接板、沖扣鉗的潤滑管路防護如圖9所示。

圖9 潤滑管路的防護

6 實施效果及應用

鐵鉆工集中潤滑已成功應用，在油田現場應用效果好，已推廣應用到一體化鐵鉆工、ADNOC鐵鉆工，受到用戶的一致好評。如圖10所示，優化前的鐵鉆工潤滑點分布散且潤滑點多，操作過程出現遺漏，優化后共設置9個潤滑點，只要依次給9個潤滑點加注潤滑脂即可，效率及效果得到很大提高。

圖10 優化前后對比

7 結論

在保證不影響設備正常運轉的前提下，對鐵鉆工采用了集中潤滑方式，汲取現有集中潤滑技術的優點，配置簡單、結構緊湊、費用低，各部潤滑點群僅設置一個分油器向各潤滑點潤滑，降低了集中潤滑分片器堵塞的風險，供油操作簡便；將原有的70處潤滑點減少到9處潤滑點群，提高了鐵鉆工潤滑效率，整機潤滑時間由最初70 min大約減少到20 min，效率提高了71%；確保了潤滑作業的便捷性、安全性，降低了施工的勞動強度，減少了潤滑過程中設備及環境的污染，在一定程度上提升了鐵鉆工的綜合工作效率，目前是最適合鐵鉆工潤滑的方式。

隨著鐵鉆工和集中潤滑的不斷發展、優化，自動化、智能化的集中潤滑方式將會與鐵鉆工相互融合，本文為后期鐵鉆工智能潤滑系統研究提供了良好的技術基礎。