折臂式鐵鉆工底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

常玉連，劉佰龍

( 東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163000)

0 引言

折臂式鐵鉆工是一種新型的鉆機(jī)配套設(shè)備，也是目前國(guó)內(nèi)外研究的一種自動(dòng)化鉆桿上扣和卸扣設(shè)備[1]。鐵鉆工技術(shù)的主要特點(diǎn)就是效率高、使用壽命長(zhǎng)。折臂式鐵鉆工特別適合海洋平臺(tái)鉆井，其主要原因是能節(jié)省工作空間?，F(xiàn)在的鉆井技術(shù)自動(dòng)化水平逐步提高，而該技術(shù)設(shè)備的應(yīng)用有效地促進(jìn)了鉆井自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。折臂式鐵鉆工主要由五大部分組成，分別為旋扣鉗、沖扣鉗、伸縮臂、支撐與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[2]。折臂式鐵鉆工結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

1 折臂式鐵鉆工底座與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

折臂式鐵鉆工底座主要功能是通過與鉆臺(tái)相連支撐鐵鉆工絕大部分質(zhì)量?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的功能是實(shí)現(xiàn)鐵鉆工整體回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而配合折臂控制鐵鉆工的鉗體在水平方向達(dá)到所要到達(dá)的位置進(jìn)行石油管柱的上卸扣?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作原理是電動(dòng)機(jī)通過減速器帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪再通

1—底座；2—升降液壓缸；3—滑移小車；4—立柱；5—伸展油缸；6—伸縮臂；7—旋扣鉗；8—沖扣鉗；9—驅(qū)動(dòng)液壓電動(dòng)機(jī)圖1 折臂式鐵鉆工整體示意圖

過與行星輪進(jìn)行嚙合實(shí)現(xiàn)底座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[3]?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在底座套筒中，在安裝過程中一定要保證底座與底座套筒的緊密配合，保證底座與地面的垂直，確保鉗體與管柱的垂直，如圖2所示。在底座設(shè)計(jì)過程中，需要考慮以下幾點(diǎn)因素：

1) 底座需要具有足夠的強(qiáng)度和剛度，確保可以支撐整個(gè)折臂式鐵鉆工的質(zhì)量以及在工作過程中所產(chǎn)生的載荷。

2) 可以檢測(cè)折臂式鐵鉆工的回轉(zhuǎn)角度，以便精確控制鐵鉆工上卸扣的方向，所以在設(shè)計(jì)過程中需要考慮加入電子檢測(cè)設(shè)備，以檢測(cè)底座回轉(zhuǎn)的角度。

3) 保證齒輪的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，由于鐵鉆工的回轉(zhuǎn)次數(shù)較少，使用頻率不是很高，可以將減速器的輸出軸與驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)成為一體，保證輸出轉(zhuǎn)矩準(zhǔn)確地傳遞，減少因減速器輸出軸與驅(qū)動(dòng)輪之間的損耗[4]。

1—底座上蓋；2—回轉(zhuǎn)支撐；3—行星輪；4—底座；5—底座套筒；6—行星輪軸；7—雙列滾子軸承；8—電動(dòng)機(jī)；9—減速器圖2 底座裝配示意圖

1.1 折臂式鐵鉆工底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鐵鉆工底座主要用來支撐鐵鉆工絕大部分質(zhì)量。底座插入到底座套筒中，將整個(gè)折臂式鐵鉆工安裝在鉆臺(tái)上，由圖1可知底座主要容易產(chǎn)生彎曲，所以將底座設(shè)計(jì)成圓柱形狀并對(duì)底座圓柱彎曲強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。通過計(jì)算得到滿足條件的圓柱形底座。

由于底座是圓柱形的，并且質(zhì)量很輕，不能支撐鐵鉆工保持直立。所以要將它安裝在鉆井平臺(tái)上。鐵鉆工在鉆臺(tái)的安裝主要是根據(jù)鉆臺(tái)的布置要求，將鐵鉆工安裝在鉆臺(tái)上指定的位置。方法是將方形底座套筒固定在鉆臺(tái)上，開口向上；與鉆臺(tái)承載的兩個(gè)工字鋼進(jìn)行焊接。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 底座套筒示意圖

1.2 折臂式鐵鉆工回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的功能是實(shí)現(xiàn)鐵鉆工整體回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作原理是電動(dòng)機(jī)通過減速器帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪再通過與行星輪進(jìn)行嚙合實(shí)現(xiàn)底座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。它的設(shè)計(jì)需要是在最小空間實(shí)現(xiàn)最大的傳動(dòng)效率，根據(jù)對(duì)比選擇，選定行星輪系實(shí)現(xiàn)底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。行星齒輪系可以采用幾個(gè)均勻分布的行星輪同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。這些行星輪因公轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心慣性力和齒廓間反作用力的徑向分力可互相平衡，故主軸受力小，傳遞功率大[5]。另外由于它采用內(nèi)嚙合齒輪，充分利用了傳動(dòng)的空間，且輸入輸出軸在一條直線上，所以整個(gè)輪系的空間尺寸要比相同條件下的普通定軸齒輪系小得多。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選定2個(gè)行星輪來傳遞由驅(qū)動(dòng)輪輸出的轉(zhuǎn)矩，通過固定內(nèi)齒圈，將驅(qū)動(dòng)輪的反轉(zhuǎn)矩傳遞到鉆臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)軸承外圈的回轉(zhuǎn)[6]。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—回轉(zhuǎn)軸承；2—驅(qū)動(dòng)輪；3—行星輪圖4 底座行星輪機(jī)構(gòu)示意圖

2 回轉(zhuǎn)支撐安裝方式和回轉(zhuǎn)軸承的確定

根據(jù)鐵鉆工的工作需要，選定滾動(dòng)軸承式回轉(zhuǎn)支撐作為實(shí)現(xiàn)鉗體回轉(zhuǎn)的支撐結(jié)構(gòu)。滾動(dòng)軸承式回轉(zhuǎn)支撐裝置尺寸緊湊、性能完善，可以同時(shí)承受鐵鉆工鉗體所帶來的水平力、因鐵鉆工重力而產(chǎn)生的垂直力以及在鐵鉆工伸出狀態(tài)而產(chǎn)生的傾覆力矩。因此選定單排四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支撐，它是由2個(gè)座圈組成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、高度尺寸小等特點(diǎn)。由于回轉(zhuǎn)支撐有兩種安裝形式，一種為懸掛式安裝(圖5)，一種為座式安裝(圖6)，通過對(duì)比分析可知回轉(zhuǎn)支撐座式用于下面固定上面支撐，回轉(zhuǎn)支撐懸掛式為上面固定下面連接所要支撐的部件。根據(jù)鐵鉆工的工作需求選擇座式安裝，安裝時(shí)鐵鉆工的回轉(zhuǎn)部分與軸承的內(nèi)圈相連，固定部分與外圈相連。

在計(jì)算選型回轉(zhuǎn)支撐的過程中，需要計(jì)算出折臂式鐵鉆工在工作過程中的靜載荷和動(dòng)載荷，并需要將計(jì)算得出的回轉(zhuǎn)支承當(dāng)量中心軸向載荷Fa與回轉(zhuǎn)支承當(dāng)量?jī)A覆力矩M轉(zhuǎn)化為量載荷F'a和M'。

圖5 回轉(zhuǎn)支撐座式安裝

圖6 回轉(zhuǎn)支撐懸掛式安裝

轉(zhuǎn)化公式為：

M ′=M×fd

其中：fd為安全系數(shù)，取1.55。

通過計(jì)算得到結(jié)果，對(duì)照承載能力曲線可確定所選用相應(yīng)的回轉(zhuǎn)軸承。

3 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)輪系設(shè)計(jì)

底座通過行星齒輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)折臂式鐵鉆工的回轉(zhuǎn)，行星齒輪由主動(dòng)齒輪1、從動(dòng)齒輪2、回轉(zhuǎn)大齒輪3、行星架H(底座上蓋)等組成，行星機(jī)構(gòu)如圖7所示[7]。

1—驅(qū)動(dòng)輪；2—行星輪；3—內(nèi)齒輪；H—底座上蓋圖7 行星齒輪簡(jiǎn)圖

a) 傳動(dòng)輪系自由度的計(jì)算

根據(jù)機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式

F=3×N-(2×PS+Ph-P)-Pl

可得該輪系的自由度為1。

b) 齒輪使用壽命

根據(jù)具體的工作情況可知星輪的循環(huán)次數(shù)N2。則可以計(jì)算出驅(qū)動(dòng)輪的循環(huán)次數(shù)為N1=N2×i12。則內(nèi)齒輪相對(duì)于行星輪的循環(huán)次數(shù)為：

c) 以TZG/Y-165折臂式鐵鉆工為例設(shè)計(jì)輪系的各項(xiàng)參數(shù)

1) 該鐵鉆工底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)選定的驅(qū)動(dòng)齒輪齒數(shù)z1=18，行星輪齒數(shù)z2=31，內(nèi)齒輪齒數(shù)z3=80，則傳動(dòng)比i12=1.72，i23=2.58。

2) 設(shè)定直齒輪模數(shù)m=8，則d1=144mm，d2=248mm，d3=640mm。

3) 已知驅(qū)動(dòng)鐵鉆工回轉(zhuǎn)需要TH=11 894Nm的轉(zhuǎn)矩，根據(jù)傳動(dòng)比可以計(jì)算出T1=2 787Nm，T2=4 703Nm。

4) 根據(jù)折臂式鐵鉆工的設(shè)計(jì)要求，規(guī)定鐵鉆工的回轉(zhuǎn)速度為nH=1r/min，根據(jù)傳動(dòng)比可以計(jì)算出n1=5.4r/min,n2=3.1r/min。

4 底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)選擇

底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要依靠行星輪系來驅(qū)動(dòng)，行星輪需要的轉(zhuǎn)速較低，所以不能由電動(dòng)機(jī)直接進(jìn)行傳動(dòng)。為此在電動(dòng)機(jī)和輪系的主動(dòng)輪之間增加減速器來降低轉(zhuǎn)速，以達(dá)到主動(dòng)輪對(duì)轉(zhuǎn)速的要求[8]。由于驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)矩即為減速器輸出軸的轉(zhuǎn)矩，根據(jù)減速器的額定轉(zhuǎn)矩與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，再根據(jù)鐵鉆工底座的空間要求，選擇相應(yīng)的減速器型號(hào)[9]，它的減速比為i減。根據(jù)選定的減速器，推算出電動(dòng)機(jī)所需要的轉(zhuǎn)矩為：

根據(jù)上式計(jì)算出電動(dòng)機(jī)所需要的輸出轉(zhuǎn)矩，選定相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)型號(hào)。

5 結(jié)語(yǔ)

文中闡述了折臂式鐵鉆工底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作原理為：電動(dòng)機(jī)通過驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)行星輪將扭轉(zhuǎn)力傳遞到回轉(zhuǎn)軸承上進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了鐵鉆工整體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成鉆井上卸鉆柱絲扣的工藝要求，并得出了以下結(jié)論：

1) 文中所用搖臂式鐵鉆工回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，包括回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的靜載荷和動(dòng)載荷的分析及結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核方法。

2) 使用行星輪作為鐵鉆工回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)輪系，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，保證旋轉(zhuǎn)過程的穩(wěn)定性，是鐵鉆工回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可優(yōu)先選擇的方案。

3) 根據(jù)鐵鉆工對(duì)其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)功率的需求，選擇液壓泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的減速器并選擇配套電動(dòng)機(jī)，提出了液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本方法。

4) 鐵鉆工是目前國(guó)際先進(jìn)的鉆柱上卸扣設(shè)備，實(shí)現(xiàn)鐵鉆工國(guó)產(chǎn)化是對(duì)推動(dòng)國(guó)家石油裝備升級(jí)換代重要舉措。本文提出的鐵鉆工回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，具有參考價(jià)值，對(duì)國(guó)內(nèi)的鐵鉆工設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)和參考價(jià)值。