鐵鉆工沖扣鉗鉗牙參數(shù)敏感性分析

閆文輝，郭李彤，彭 勇，段正勇，吳 恒，胡 楠

(1.西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065； 2.南陽理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，河南 南陽 473000；3.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 研究院，陜西 寶雞 721002)

引 言

鐵鉆工是自動化鉆井生產(chǎn)中鉆機(jī)的配套設(shè)備，作為液壓動力大鉗的升級替代產(chǎn)品，鐵鉆工能夠安全、高效地完成鉆具的上卸扣和緊沖扣等工作。近年來，雖然國內(nèi)研制鐵鉆工的廠商較多，但大多數(shù)還處于工業(yè)性試驗(yàn)、定型階段，現(xiàn)場鉆井作業(yè)中仍然廣泛使用液氣大鉗[1]。鐵鉆工配合其他設(shè)備在鉆井平臺上使用，容易實(shí)現(xiàn)自動化控制，操作人員遠(yuǎn)離井口作業(yè)，提高了作業(yè)時的安全性。在進(jìn)行作業(yè)時不需要根據(jù)鉆桿直徑的變化更換相應(yīng)的鄂板，操作簡單，工作效率高[2]。目前歐美的主要石油設(shè)備廠商已開發(fā)出幾代鐵鉆工產(chǎn)品，其產(chǎn)品的應(yīng)用也比較普遍[3]。

目前國際上常見的鐵鉆工產(chǎn)品根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，大體可分為手臂式和落地式，主要結(jié)構(gòu)均包括移動裝置和鉗體兩部分[4]，鉗體分為旋扣裝置和沖扣裝置，結(jié)構(gòu)簡單，便于保養(yǎng)與維修。沖扣鉗由上鉗和下鉗組成，采用開放式箱體結(jié)構(gòu)，通過夾緊液缸的伸縮帶動夾持機(jī)構(gòu)和滑塊總成運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)鉗口的開合，完成對不同直徑鉆具的夾持；上、下鉗之間設(shè)有導(dǎo)軌和沖扣液壓缸，通過沖扣缸的伸縮實(shí)現(xiàn)沖扣/緊扣動作[5]。

本文主要對鐵鉆工鉗牙進(jìn)行研究，分析鉗牙與石油管柱外壁的接觸、摩擦特性、磨損原因等問題，討論關(guān)鍵參數(shù)對扭矩的影響，為鉗牙的設(shè)計提供理論指導(dǎo)。并在此基礎(chǔ)上，以管柱咬痕小于1 mm、鉗牙壽命更長、提供更大的扭矩為目的，對鉗牙各參數(shù)與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析，以尋求最優(yōu)參數(shù)。

1 鉗牙與管柱接頭外壁接觸應(yīng)力分析

齒形鉗牙的齒形方向平行于管柱旋轉(zhuǎn)軸線，考慮起鉆時管柱表面的污染，鉗牙齒通常不連續(xù)。以直齒形鉗牙為例，卸扣過程中，垂直于管柱軸線的截面內(nèi)齒形鉗牙與管柱的接觸示意圖如圖1所示。

卸扣過程中，在液壓系統(tǒng)的作用下產(chǎn)生法向力Fn，推動鉗牙抱緊管柱接頭外壁，阻力扭矩為T。在液壓力的作用下，鉗牙咬入管柱接頭外壁，不打滑的情況下，鉗牙在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，帶動管柱轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)沖卸扣功能[6]。以鉗牙的兩個齒形為例，鉗牙齒與管柱接頭外壁的咬合狀態(tài)如圖2所示。

圖1 卸扣過程中齒形鉗牙與管柱的接觸與扭轉(zhuǎn)Fig.1 Contact and twist between clamp tooth and pipe string during breaking-out operation

圖2 齒形鉗牙與管柱接頭外壁的咬合Fig.2 Occlusion of clamp tooth and external wall of pipe string joint

圖2中，θ為鉗牙齒的牙型角，h為鉗牙齒的高度，r1、r2分別為鉗牙齒的牙頂角和牙根過渡圓角半徑，R為管柱外徑，t為鉗牙齒咬入管柱接頭外壁的深度，p為鉗牙齒的牙頂周向距離。

1.1 受力分析與防止打滑的條件

設(shè)鉗牙齒數(shù)為n，每個齒沿管柱軸線方向的長度為l，上卸扣時的阻力扭矩為T。鉗牙咬入管柱接頭外壁的深度不允許過大，為安全起見，可以認(rèn)為每個鉗牙齒的切向力對管柱的作用力臂為R-t。則在克服阻力扭矩T時，鉗牙受到的切向力為

(1)

鉗牙在上卸扣過程中，壓痕的單側(cè)總是受擠壓傳遞扭矩，擠壓側(cè)面會產(chǎn)生很大的摩擦力Ff。順時針運(yùn)動時，以鉗牙為研究對象，分析其受力情況[7-8]，如圖3所示。

圖3 壓痕側(cè)面受力分析Fig.3 Stress analysis of indented side

圖3中，將Fit沿咬痕側(cè)面正交分解，即分解成垂直于壓痕側(cè)面和沿壓痕側(cè)面的2個分力Fitn和Fitt。則摩擦力

Ff=Fitnf；

(2)

式中：f為鉗牙與管柱接頭外壁咬痕接觸面的摩擦系數(shù)。

Fitn=Fitcos∠OPQ。

(3)

在三角形△POQ中，有

(4)

綜合式(1)、(3)、(4)，可得：

(5)

對于鉗牙齒，勻速上卸扣過程中受力平衡，滿足方程組：

(6)

綜合式(1)、(2)、(5)、(6)，可得：

Fn(R-t)fv=T。

(7)

(8)

在上卸扣過程中，鉗牙齒和管柱接頭不允許打滑，因此鉗牙齒咬入管柱接頭外壁時產(chǎn)生的當(dāng)量摩擦力矩應(yīng)大于阻力矩[9]，即

(9)

1.2 鉗牙咬入條件

鉗牙齒在法向力Fn作用下咬入管柱接頭外壁的深度為t時，每個壓痕的有效受力面積為：

(10)

所以，正壓力Fn在管柱接頭外壁產(chǎn)生的壓應(yīng)力為：

(11)

鉗牙齒要能咬入管柱接頭外壁，則此應(yīng)力應(yīng)達(dá)到管柱接頭材料的屈服強(qiáng)度σgy，則

(12)

實(shí)際應(yīng)用時，管柱接頭材料的屈服強(qiáng)度可以用其壓痕硬度代替。

2 管柱與鉗牙強(qiáng)度分析

2.1 壓痕抗擠壓強(qiáng)度條件

Fitn在管柱接頭外表面壓痕側(cè)面的作用面積為

(13)

所以Fitn在管柱接頭外表面壓痕側(cè)面產(chǎn)生的壓應(yīng)力為

(14)

為保證上卸扣過程中管柱接頭外表面的接觸面不被壓潰，應(yīng)滿足

選取我院2013級護(hù)理專業(yè)四年制同一年級兩個雙證書班，共118名學(xué)生為研究對象，分為實(shí)驗(yàn)組和對照組，兩組均在第二至第三學(xué)期開設(shè)護(hù)理學(xué)基礎(chǔ)課程。兩組護(hù)生在性別、年齡、入學(xué)水平方面比較，差異無顯著性（P＞0.05），具體見表 1。

(15)

式中：[σgbc]為管柱材料的許用抗壓強(qiáng)度。

2.2 鉗牙齒咬入部分抗剪切強(qiáng)度條件

鉗牙齒咬入部分的受剪面積與鉗牙齒在法向力Fn作用下能咬入管柱接頭外壁的深度為t時每個壓痕的受力面積相同。而所受剪力則為Fit，所以鉗牙齒咬入部分的剪切應(yīng)力為：

(16)

則鉗牙齒咬入部分的抗剪斷強(qiáng)度條件為：

(17)

式中：[σqc]為鉗牙齒材料的許用剪切強(qiáng)度。

2.3 牙根抗彎曲強(qiáng)度條件

保守地，每個鉗牙齒根受到的彎矩可近似為

(18)

鉗牙齒根受彎截面的抗彎系數(shù)為

(19)

所以，鉗牙齒根的彎曲應(yīng)力為

(20)

為避免鉗牙齒的齒根折斷破壞，應(yīng)滿足

(21)

式中：[σqb]為鉗牙齒材料的許用彎曲強(qiáng)度。

3 鉗牙齒的磨損分析

除避免上述鉗牙齒的失效形式之外，另外一個不可避免的失效形式是磨損。在載荷作用下，運(yùn)動副之間的摩擦導(dǎo)致零件表面材料的逐漸喪失或遷移。磨損會影響鐵鉆工的效率，降低其工作的可靠性[10]。影響鉗牙齒磨損的主要因素包括材料性能、載荷工況、幾何結(jié)構(gòu)及環(huán)境等。對于鉗牙齒而言，材料性能主要是硬度和彈性模量，在滿足抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度的同時，盡可能提高材料的表面硬度，選擇彈性模量較高的材料。載荷工況主要是載荷大小、作用次數(shù)，載荷越大、循環(huán)次數(shù)越多，磨損量就越大。幾何結(jié)構(gòu)主要決定鉗牙齒與管柱接頭外壁的接觸應(yīng)力的大小、應(yīng)力集中等。環(huán)境因素主要是溫度、潤滑，溫度的升高會加速磨損，而潤滑雖然有降低磨損程度的作用，但會導(dǎo)致摩擦力降低，容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

4 鉗牙參數(shù)敏感性分析

本文研究的影響鉗牙齒與管柱接頭外壁接觸時當(dāng)量摩擦系數(shù)fv的因素有咬痕深度t、牙型角θ、鉗牙牙頂?shù)菇前霃絩1、管柱外半徑R。根據(jù)式(8)分析4個因素對當(dāng)量摩擦系數(shù)fv的影響。鉗牙齒與管柱接頭外壁接觸時，管柱為高合金鋼，鉗牙為碳素鋼，根據(jù)2種材料選取摩擦系數(shù)f為0.12，各參數(shù)的取值水平見表1。

表1 當(dāng)量摩擦系數(shù)的因素及其水平Tab.1 Factors of equivalent friction coefficient and their levels

正交試驗(yàn)設(shè)計利用一套規(guī)格化的正交表[11]安排試驗(yàn)， 4個因素4個水平對應(yīng)的可選用的正交表為L16(45)，即進(jìn)行16次試驗(yàn)。將咬痕深度t、牙型角θ、鉗牙牙頂?shù)菇前霃絩1、管徑外半徑R這4個因素分別標(biāo)記為A、B、C、D，表中有一列為空列標(biāo)記為E，其正交設(shè)計及試驗(yàn)結(jié)果見表2。

正交試驗(yàn)結(jié)果的分析方法有2種，即極差分析法(直觀法)和方差分析法。極差分析法具有計算簡便、簡單易懂等優(yōu)點(diǎn)，是正交試驗(yàn)結(jié)果分析常用的方法[12]。對上述正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，得到極差結(jié)果見表3。

由表3可知，因素B的極差最大，表明牙型角θ對當(dāng)量摩擦系數(shù)fv的影響最為顯著，其次是咬痕深度t和管柱外半徑R，鉗牙牙頂?shù)菇前霃絩1的極差最小，對當(dāng)量摩擦系數(shù)fv的影響幾乎可以忽略不計。

表2 正交設(shè)計及試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Design and results of orthogonal tests

表3 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計分析Tab.3 Statistical analysis of orthogonal test results

繪制咬痕深度t、牙型角θ、管徑外半徑R在正交試驗(yàn)4水平值下的當(dāng)量摩擦系數(shù)fv均值折線圖如圖4所示。由圖4可知，要求咬痕深度t≤1.0 mm時，對常用管柱直徑系列(即管柱外半徑R水平1、水平2、水平3，分別對應(yīng)管柱直徑為D=88.9 mm、114.3 mm、127 mm)，牙型角θ的最佳取值介于其水平2(θ=80°)與水平3(θ=100°)之間。

圖4 t/θ/R 4水平下當(dāng)量摩擦系數(shù)fv均值Fig.4 Mean values of equivalent friction coefficient fv under four horizonts of t,θ and R

在金屬摩擦系數(shù)f=0.12，鉗牙牙頂?shù)菇前霃絩1=0.5 mm時，分別以牙型角θ與咬痕深度t、牙型角θ與管柱外半徑R為自變量，當(dāng)量摩擦系數(shù)fv為因變量擬合曲面如圖5、圖6所示，可以更直觀地對比不同因素組合對當(dāng)量摩擦系數(shù)fv的影響。

圖5 θ/t因素指標(biāo)水平曲面Fig.5 Equivalent friction coefficient curved surface of factors θ and t

圖6 θ/R因素指標(biāo)水平曲面Fig.6 Equivalent friction coefficient curved surface of factors θ and R

5 結(jié) 論

(1)鉗牙齒和管柱接頭外表面壓痕在上卸扣過程中是不允許打滑的，即鉗牙齒壓入管柱接頭外壁時產(chǎn)生的當(dāng)量摩擦力矩應(yīng)大于阻力矩，不滿足條件時，鐵鉆工應(yīng)停止工作。

(2)鉗牙齒應(yīng)遵循抗磨損設(shè)計原則進(jìn)行設(shè)計，力求避免或減輕磨損，增長其使用壽命。

(3)咬痕深度t、牙型角θ、鉗牙牙頂?shù)菇前霃絩1、管柱外半徑R對當(dāng)量摩擦系數(shù)fv影響的敏感性從大到小依次為：牙型角θ、咬痕深度t、管柱外半徑R、鉗牙牙頂?shù)菇前霃絩1。

(4)對于常用的管柱直徑系列(D=88.9 mm、114.3 mm、127 mm)，為使其在被夾持時的咬痕深度t≤1.0 mm， 鉗牙的牙型角θ的取值范圍應(yīng)為80°～100°，此時當(dāng)量摩擦系數(shù)fv為較優(yōu)值。