斜直井大修機(jī)旋轉(zhuǎn)吊臂的研制與應(yīng)用

蔣新宇 何林 唐紅斌 張濤

［摘要］河南油田引進(jìn)的國(guó)內(nèi)第一臺(tái)斜直井大修機(jī)在大修作業(yè)中存在方鉆桿靠人力裝入轉(zhuǎn)盤，方鉆桿長(zhǎng)約9M，重達(dá)800kG；作業(yè)人員在大修機(jī)井架上搬動(dòng)方鉆桿存在滑倒和高空墜落風(fēng)險(xiǎn)。文章分析斜直井大修機(jī)旋轉(zhuǎn)吊臂的研制背景及主要指標(biāo)，制訂并實(shí)施方鉆桿旋轉(zhuǎn)吊臂的研制方案，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用得到實(shí)現(xiàn)和檢驗(yàn)。

［關(guān)鍵詞］斜直井；大修機(jī)；旋轉(zhuǎn)吊臂；研制；應(yīng)用；河南油田

［作者簡(jiǎn)介］蔣新宇，中石化河南油田分公司井下作業(yè)處機(jī)械工程師，研究方向：作業(yè)機(jī)應(yīng)用與管理，河南唐河，473400；何林，河南油田分公司井下作業(yè)處助理機(jī)械師，河南唐河，473400；唐紅斌，南陽(yáng)海達(dá)石油工程有限公司，河南南陽(yáng)，473132；張濤，河南油田分公司井下作業(yè)處，河南唐河，473400

［中圖分類號(hào)］ TE92 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1007-7723（2012）06-0027-0003

一、斜直井大修機(jī)旋轉(zhuǎn)吊臂的研制背景及指標(biāo)

2010年購(gòu)置的第一臺(tái)斜直井大修機(jī)（含轉(zhuǎn)盤）主體部分能滿足簡(jiǎn)單斜直井小修，復(fù)雜的斜直井大修因無旋轉(zhuǎn)吊臂，方鉆桿吊裝和就位不可靠，費(fèi)事費(fèi)力；用吊車吊裝還受場(chǎng)地的限制。

斜直井大修機(jī)旋轉(zhuǎn)吊臂研制的主要指標(biāo)：（1）旋轉(zhuǎn)吊臂的旋轉(zhuǎn)半徑1.2m、最大起吊重量800kg；（2）斜直井大修機(jī)旋轉(zhuǎn)吊臂改成后不影響原整機(jī)安全性能。

二、方鉆桿旋轉(zhuǎn)吊臂的研制方案

（一）鉆臺(tái)上旋轉(zhuǎn)折疊式吊臂

在鉆臺(tái)上，增加旋轉(zhuǎn)折疊式吊臂（見圖1）。

（二）井架上旋轉(zhuǎn)折疊式吊臂

在井架上增加旋轉(zhuǎn)折疊式吊臂（見圖2）。

結(jié)構(gòu)組成：由旋轉(zhuǎn)小吊臂（一上一下兩個(gè)），旋轉(zhuǎn)臂支座（一上一下兩個(gè)），回收液壓缸（一上一下兩個(gè)），提升液壓缸（一上一下兩個(gè)）或液壓馬達(dá)（兩個(gè)）、導(dǎo)向滑輪，銷軸、遠(yuǎn)程控制閥，液壓系統(tǒng)等部件組成。使用時(shí)，先通過一上一下兩個(gè)旋轉(zhuǎn)小吊臂將方鉆桿提起，然后再用回收液壓缸將方鉆桿吊到井架的方鉆桿支座上方，提升液缸放繩，將方鉆桿放到支座內(nèi)，用蓋板鎖死，方鉆桿就不會(huì)移動(dòng)了。最后再將旋轉(zhuǎn)小吊臂旋轉(zhuǎn)90°，小吊臂與井架在一個(gè)軸線方向上，不影響起下鉆桿作業(yè)。需要再用方鉆桿時(shí)，反向重復(fù)上述動(dòng)作。由于旋轉(zhuǎn)小吊臂采用銷軸式固定，路面情況復(fù)雜時(shí)，行車可拆掉小吊臂。路面情況較好時(shí)，小吊臂轉(zhuǎn)到豎直方向就可以行車，不用拆卸。由于回收方鉆桿采用液壓缸結(jié)構(gòu)，通過液缸行程能夠控制方鉆桿位移尺寸，就位很可靠。采用井架上旋轉(zhuǎn)折疊式吊臂方案能夠很好解決方鉆桿吊裝和就位不可靠，費(fèi)事費(fèi)力，省去用吊車吊裝及受場(chǎng)地的限制的弊病。減少方鉆桿拆卸時(shí)間，提高作業(yè)效率，增強(qiáng)安全性，降低使用成本，增加效益。

三、井架上折疊式吊臂主要部件選型及校核

鋼絲繩選用Φ12 mm，鋼繩公稱抗拉強(qiáng)度1570Mpa，鋼絲繩最小破斷拉力74.6kN。本案最大提升載荷8kN，故鋼絲繩安全。提升及回收液壓缸選用活塞直徑Φ50 mm，活塞桿直徑不小于Φ35mm，液壓缸推力及拉力計(jì)算如下：

（一）液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算

單個(gè)起吊裝置的最大提升拉力設(shè)計(jì)值為8kN，系統(tǒng)壓力按P=10Mpa設(shè)計(jì)，液壓缸筒內(nèi)徑D=32mm，按1.56倍的安全系數(shù)，活塞直徑選用Φ50 mm。圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列，按油缸內(nèi)徑系列選D=50mm，液缸活塞桿按如下選擇：

液壓缸工作壓力與活塞桿直徑：

液壓缸工作壓力MPa＜55～7＞7推薦活塞桿直徑d=(0.6～0.7)D，系統(tǒng)壓力為10Mpa，選d=0.7D=0.7×50=35 mm，圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列，d=35mm

液壓缸工作時(shí)，活塞桿只受軸向推力或拉力，可以近似地用直桿承受拉壓負(fù)載的強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算：

推力F=8000N 缸徑D=50mm

計(jì)算得σ=4 Mpa, 活塞桿材料用45#，材料抗拉強(qiáng)度【σ】=340 Mpa, 經(jīng)驗(yàn)算，滿足要求。

液壓缸用無縫鋼管作缸筒，壁厚按δ=10mm設(shè)計(jì)，δ/D=10/50=0.2 ﹤0.3，按下面公式校核δ0≧2mm。壁厚δ遠(yuǎn)大于理論壁厚δ0。

【σ】為缸筒材料的許用應(yīng)力，【σ】=σb/n=σp,σb為材料的屈服強(qiáng)度，n為安全系數(shù),一般取n=5，缸筒用無縫鋼管，材料為45#,【σ】=600 N/ mm2，系統(tǒng)壓力=10Mpa ，缸徑 D=50mm，經(jīng)驗(yàn)算，滿足設(shè)計(jì)要求。

（二）液壓缸最大負(fù)荷計(jì)算

1.液壓缸最大拉力計(jì)算

液壓缸活塞桿收回，有效截面積A=π× (D2－d2)/4=π×(502－352)/4=1000.875mm2，最大拉力F=P×A =10×106×1000.875×10-6=10.875KN。

2. 液壓缸最大推力計(jì)算

液壓缸內(nèi)徑D=Φ50 mm，液壓系統(tǒng)最大工作壓力P=10Mpa，提升時(shí)，液壓缸活塞桿伸出，有效截面積A=π×D2/4=π×502/4=1962 mm2，活塞桿伸出時(shí)，最大推力F=P×A =10×106×1962.5×10-6=19.625KN。

通過以上計(jì)算可以看出，液壓缸最大負(fù)荷無論是推力還是拉力均大于最大提升拉力設(shè)計(jì)值8kN。這還是在工作壓力10Mpa時(shí)的值。而實(shí)際系統(tǒng)壓力可以達(dá)到14Mpa。所以，液壓缸的選型完全可以滿足系統(tǒng)需要。

（三）橫梁強(qiáng)度校核

此懸臂吊結(jié)構(gòu)橫梁由兩種矩形管組成，外套為150×100×9/16Mn,內(nèi)套為120×75×9/16Mn，故校核時(shí)，按內(nèi)套120×75×9/16Mn校核強(qiáng)度。材料的抗拉強(qiáng)度[σb] =510 Mpa。材料的屈服強(qiáng)度[σ] =345 Mpa。

1 . 梁上的主動(dòng)載荷

P=G1+G2， G1為起重重量800kg，G2一般為吊鉤重量，本案不帶小吊鉤，鋼絲繩重量忽略不計(jì)。P近似取為8kN。

右端斜撐桿可分解為Ny 、Nx兩個(gè)分力，橫梁在橫向力P和Ny，Ay作用下產(chǎn)生彎曲。當(dāng)載荷移動(dòng)到梁的中點(diǎn)時(shí)，可近似認(rèn)為梁處于危險(xiǎn)狀態(tài)。此時(shí)，由平衡條件

∑MA=0，Ny.L-P. L/2=0Ny=P/2=4 kN

Nx=5.05 kN

由平衡條件

∑Y=0，∑X=0；Ay=4 kN；Ax=5.05 kN

2 . 內(nèi)力和應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)橫梁的受力情形和上面求得的數(shù)值，可以判斷橫梁的彎矩在梁中點(diǎn)截面上最大，其值為Mmax=P*L/4=2 KNm

從型鋼表上查出120x75矩形管的截面面積和抗彎截面系數(shù)分別為A=23.10 cm2

Wz=67.89 /cm3

所以最大彎曲應(yīng)力為：

σBmax =29.459×106Pa=29.459Mpa

3. 梁危險(xiǎn)截面的應(yīng)力

上邊緣處受最大壓應(yīng)力、下邊緣處受最大拉應(yīng)力作用。橫梁所受的軸向壓力為N=Nx

則危險(xiǎn)截面上的應(yīng)力為σ1=218×104=-2.18 Mpa 并均布在橫截面上。

故梁中點(diǎn)橫截面上、下邊緣處的總正應(yīng)力分別為：

σ上max=-2.18-29.459=-31.639 Mpa

σ下max=2.18-29.459=27.279 Mpa

由于矩形管的抗拉與抗壓能力相同，故只校核正應(yīng)力絕對(duì)值最大處強(qiáng)度即可，=31.639 Mpa﹤[σ] =345 Mpa﹤[σb] =510 Mpa

由計(jì)算可知此橫梁是安全的。 （下轉(zhuǎn)第26頁(yè)）