液壓貓道翻轉(zhuǎn)機構(gòu)工程破壞實例分析及優(yōu)化

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(吉林大學 機械科學與工程學院，長春 130022)①

在深孔鉆探作業(yè)中需要對數(shù)百乃至上千根鉆桿、套管進行頻繁的排放作業(yè)。目前鉆桿上下鉆臺主要是以人力作業(yè)為主，需要4～5人配合完成。這種鉆桿運移方式，作業(yè)效率低、勞動強度大、危險性高、易發(fā)生人身傷亡事故。使用自動貓道可以解決這一問題，實現(xiàn)鉆桿運移過程的機械化、自動化[1]。近年來，國內(nèi)關(guān)于貓道的研究也有了快速發(fā)展，而翻轉(zhuǎn)機構(gòu)是完成鉆桿從鉆桿支架到貓道平臺之間的運移工作的關(guān)鍵部件，具有十分重要的作用[2-3]。

1 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作原理

全液壓自動貓道每側(cè)有3個翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，如圖1所示。翻轉(zhuǎn)機構(gòu)主要由翻板體、液壓缸1、液壓缸2和支撐板組成。其工作原理是：當鉆桿從鉆桿支架向貓道平臺滾動時，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)開始運動，靠近舉升滑道側(cè)的全液壓缸2保持壓力不動，起到旋轉(zhuǎn)支點的作用，控制靠近外側(cè)的液壓缸1，將翻板繞著液壓缸2的支點旋轉(zhuǎn)。通過控制液壓缸1的流量，控制翻板的翻轉(zhuǎn)角度，使鉆桿通過翻板的速度保持穩(wěn)定，減緩進入平臺內(nèi)的沖擊。卸鉆桿過程是做相反動作[4]。

a 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)在貓道中的布置位置

b 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)

2 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)破壞描述

在現(xiàn)場試驗中，當鉆桿運移時，發(fā)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的支撐板發(fā)生破壞，如圖2所示。有的支撐板位置1上的固定螺栓不見了，有的支撐板位置2的固定螺栓被剪斷，有的支撐板的位置3處發(fā)生撕裂。由于翻轉(zhuǎn)機構(gòu)失效會影響貓道的正常運行，應該給予充分的重視。通過分析可知，支撐架呈現(xiàn)不同程度的破壞是由于啟動時間短和不同翻板機構(gòu)間支撐架受力不均勻造成的。

a 位置1、位置1副

b 位置2、3破壞形式

3 支撐板的試驗分析

選取支撐板上位置1掉落的螺栓作為樣品1，位置2上被剪斷的螺栓作為樣品2，位置3上被撕裂的部位作為樣本3，對其進行微機構(gòu)分析、力學性能測試、材料的化學成分分析[5]。

3.1 探傷檢測

對樣本1、樣本2和樣本3分別進行探傷檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)沒有明顯的缺陷、裂紋等，這表明支撐架在測試前是完好的。

3.2 拉伸測試

根據(jù)力學試驗標準GB/T2975—1998，對樣本1、樣本2和樣本3分別進行拉伸試驗，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 材料的力學性能測試數(shù)據(jù)

由表1可看出：

1) 固定螺栓的力學性能滿足其國家標準GB/T 32.1—1988要求。

2) 支撐板的力學性能滿足其執(zhí)行標準GB/T 1591—2008要求。

3.3 化學成分分析

對樣本3的化學成分作測試，其結(jié)果如表2所示。由表2可看出，支撐板材料(Q345b)的化學成分滿足國家標準B/T1591—2008要求。

表2 支撐板材料的的化學成分檢測結(jié)果 wB%

4 翻板與支撐板的動態(tài)受力分析

4.1 翻板機構(gòu)的工作狀態(tài)分析

鉆桿沿著翻板面向下滾動的過程中，3個支撐架通過協(xié)同調(diào)節(jié)其液壓缸桿的伸長來控制翻板體的抬升角度。由于工作環(huán)境較為惡劣，3個液壓缸動作的協(xié)調(diào)性大幅下降，極容易導致每個液壓缸的支撐架受力不均勻[6]。設定載荷系數(shù)kw，取kw=1.6。在支撐架的受力分析中，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)本身的質(zhì)量遠小于鉆(套)桿的質(zhì)量，為了方便計算，先用鉆(套)桿的質(zhì)量計算支撐板的受力，引入應力系數(shù)對其修正，取k1=1.1。

4.2 構(gòu)建翻板的數(shù)學模型

觀察翻轉(zhuǎn)機構(gòu)可知，支撐板的受力來自于2個液壓缸，液壓缸在機構(gòu)中為鉸連接，故其為二力桿結(jié)構(gòu)[6-7]。將翻板簡化，近似看作線形結(jié)構(gòu)，如簡圖3所示。其中，總長L=950 mm，L1=495 mm，L2= 268 mm，L3=187 mm。常用鉆(套)桿的質(zhì)量約為2 000 kg，每次抬升鉆桿的升起動作由3個翻轉(zhuǎn)機構(gòu)同時協(xié)作完成，重力加速度為9.8 m/s2。設鉆桿在翻板上走過的路程為x，則可得：

圖3 翻板的受力

(1)

(2)

(3)

式中：G為單個翻版機構(gòu)承受鉆桿重力；F1為液壓缸1的軸向受力；F2為液壓缸2的軸向受力。

根據(jù)F1和F2的公式，可以作出F1和F2的變化線圖，如圖4所示。

a F1 的變化線圖

b F2的變化線圖

4.3 支撐板的動態(tài)受力分析

結(jié)合鉆桿現(xiàn)場運動狀況，分析歸納：

1) 在裝載鉆桿的時候，鉆桿沿著翻板面向下滾動，此時液壓缸1抬起，液壓缸2的高度保持不變，且始終與翻板兩側(cè)的平臺齊高，由此可知：鉆桿在翻板上走的路程最大為x=L1+L2。此后鉆桿將滾到翻板兩側(cè)的平臺上。

2) 觀察F1和F2的變化線(如圖4)，結(jié)合圖5中發(fā)現(xiàn)：鉆桿在翻板上滾動的過程中，當鉆桿位于x=L1+L2點時，支撐板上位置4處受的壓力最大。由此可以推斷：當鉆桿位于x=L1+L2點時，如果支撐架不發(fā)生破壞，那么支撐板在鉆桿位于x∈(L1,L1+L2)中都將不發(fā)生破壞。

圖5 支撐架機構(gòu)

當x=L1+L2時有如下關(guān)系：

(4)

由上式可得：每側(cè)支撐板的受力狀態(tài)：

(5)

由此可知：此時每側(cè)支撐板在液壓缸1的支撐點實際受力為0，在液壓缸2的支撐點上受力最大為5 750 N，方向豎直向下。

3) 支撐架的額定安全系數(shù)確定。

有一種相當流行的部分系數(shù)法，它將各個對安全系數(shù)有影響的因素分別用一個分系數(shù)S1、S2、…來表示，這些分系數(shù)的乘積即為安全系數(shù)[8]：

S=S1·S2·S3·S4…

(6)

在本例中，考慮到支撐板的撕裂會造成安全事故，定義S1=1.3；考慮到應力集中的影響，定義S2=1.5；考慮到所用材料的可靠性，定義S3=1.05；最后可得，支撐架的安全系數(shù)為：

S=S1·S2·S3=1.3×1.5×1.05≈2

(7)

4) 在鉆桿滾動的過程中，由于按固定規(guī)律變化，固定鉆桿所受的為變載荷，因此考察固定螺栓的抗剪強度時，選用公式

(8)

5 支撐板靜態(tài)受力分析

觀察翻板機構(gòu)的支撐板的現(xiàn)場破壞圖2，發(fā)現(xiàn)支撐板的破壞應該有3個階段。首先是支撐板上位置1處的的固定螺栓被卡掉或者被剪斷，接著位置2處固定螺栓被剪斷，最后支撐板上位置3部位被撕裂。當鉆桿在x=L1+L2時，通過Ansys Workbench建立支撐板的有限元模型，對其受力狀態(tài)進行分析[9-10]。

5.1 建立支撐板的有限元模型

首先，給支撐板設置材料Q345B、合適的網(wǎng)格，接著對該模型分別施加3個階段中相應的約束和外力，最后得到這3個階段有限元模型的應力狀態(tài)。

5.2 查看應力狀態(tài)

從圖6可知，第1階段中位置1處所受的應力τmax1最大，約為352 MPa；從圖7可知，第2階段中位置2 處所受的應力τmax2最大，約為642 MPa；從圖8可知，第3階段中位置3處所受的應力最大，約為860 MPa。

圖6 支撐板的應力狀態(tài)1

圖7 支撐板的應力狀態(tài)2

圖8 支撐板的應力狀態(tài)3

5.3 應力狀態(tài)分析

1) 在第1階段中，求位置1 處所受實際應力，可計算得：

τ1=τmax1=352 MPa>τp=160 MPa

(9)

由此可知，在翻板工作過程中支撐板位置1上的螺栓處容易被剪斷，這很符合圖2中位置1處不見固定螺栓的現(xiàn)象。

2) 在第2階段，求位置2所受實際應力 ，可計算得：

τ2=τmax2=642 MPa>τp=160 MPa

(10)

由此可知，在翻板工作過程中，支撐板位置1處的固定螺栓被卡掉后，位置2處的固定螺栓很容易被剪斷。

3) 在第3階段，求翻板機構(gòu)的實際安全系數(shù)為Ss，額定的安全系數(shù)Se，可計算得：

(11)

Ss<1

(12)

由此可知，在翻板工作過程中，當位置1處的螺栓在工作中被剪斷后，位置3的支撐板部位必緊接著被拉裂。

6 支撐板失效分析

由第5節(jié)建立的有限元模型受力分析可知：

1) 在這3個情景下，翻板機構(gòu)很可能會發(fā)生現(xiàn)場工作中圖2所示的破壞。

2) 從支撐板的受力計算公式(5)中，發(fā)現(xiàn)載荷系數(shù)對其受力影響很大，由此可看出：復雜惡劣的工作環(huán)境對翻板機構(gòu)的可靠性有極大的影響。

3) 從圖6～8看出，支撐架上位置1、位置2、位置3處所受應力都很大的原因是由于U型口的存在，使支撐板的機構(gòu)設計中存在很大的應力集中。

7 改進結(jié)構(gòu)設計

對支撐架設計新的結(jié)構(gòu)，如圖9。

圖9 改進后的支撐架結(jié)構(gòu)

在該結(jié)構(gòu)中，U型口開在了支撐板的下面，大幅緩解了應力集中，使液壓缸1的支撐部位應力集中減小，增加了支撐板的剛度。該結(jié)構(gòu)已經(jīng)安裝到全液壓自動貓道結(jié)構(gòu)中，該貓道裝置已經(jīng)在松科二井運行，工作性能穩(wěn)定可靠。

8 結(jié)論

1) 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)支撐架失效的主要原因是螺栓承受的應力超過許用剪切強度極限，設計時應根據(jù)不同位置承受剪切力值選擇不同的螺栓。

2) 原設計存在應力集中，工作時容易斷裂。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計后，減弱了應力集中效果。

3) 經(jīng)過對翻板機構(gòu)的分析，對支承板結(jié)構(gòu)的設計提出了新的思路。此種新結(jié)構(gòu)已在工程上應用。這一設計方法也可以給其他支承結(jié)構(gòu)的設計提供參考。

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