鉆井船套管機械手液壓壓力損失設(shè)計計算方法研究

黃 臻

[上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125]

液壓系統(tǒng)的設(shè)計總是圍繞著壓力和流量來進行，常規(guī)的設(shè)計方法是根據(jù)負載直接計算，通過考慮一些損失，在設(shè)計額定壓力和流量時，會在負載算出來的壓力值和流量值基礎(chǔ)上乘以1.1的系數(shù)，避免系統(tǒng)上的一些損失影響最終設(shè)計結(jié)果，這樣設(shè)計是不合理、不科學(xué)的。這種設(shè)計方式比較粗糙，導(dǎo)致系統(tǒng)制造完成后，調(diào)試時發(fā)現(xiàn)達不到設(shè)計效果或功率過大，造成不必要的浪費。本文根據(jù)自身經(jīng)驗，介紹鉆井船套管機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計方法，綜合考慮管路壓力損失和閥件壓力損失，對其進行精確的設(shè)計計算，達到比較精準的設(shè)計效果，使液壓系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果更接近實際值。

1 鉆井船套管機械手工作原理及其結(jié)構(gòu)

鉆井船套管機械手是鉆井船鉆井系統(tǒng)中的重要設(shè)備。套管從轉(zhuǎn)臺面上通過關(guān)節(jié)吊移運到貓道上，此時套管處于水平狀態(tài)，通過貓道把套管移運到井眼中心，大鉤抓住并起吊后變成傾斜狀態(tài)，這時鉆井船上的套管機械手起到輔助作用，通過推起或扶住套管，與大鉤配合，確保套管順利移動到指定位置。

套管機械手主要由基座、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、伸縮機構(gòu)、變幅機構(gòu)、夾鉗機構(gòu)等組成。基座通過斜撐和框架固定在井架上；回轉(zhuǎn)機構(gòu)由回轉(zhuǎn)液壓馬達配置減速箱驅(qū)動；伸縮機構(gòu)由主臂架、伸縮臂和伸縮油缸組成；變幅機構(gòu)由左右兩個變幅油缸組成；夾鉗機構(gòu)由兩個夾緊油缸、兩個夾鉗和滾輪組成。其整個結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 機械結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Mechanical drawing

它工作時，通過中心井大鉤將套管吊到指定高度后，控制套管機械手回轉(zhuǎn)角度、變幅角度、伸縮位置，并打開夾鉗機構(gòu)，到位后，夾鉗機構(gòu)夾緊套管，變幅油缸、回轉(zhuǎn)馬達和伸縮油缸同時工作，把套管送到井口中心。這一系列工況對液壓系統(tǒng)要求較高，不僅要考慮液壓閥件，還要考慮管路上流量和壓力損失，這些因素會極大影響設(shè)備的穩(wěn)定性。

2 液壓系統(tǒng)中壓力損失主要因素

液壓系統(tǒng)在設(shè)計中，因為沒有整體考慮液壓系統(tǒng)壓力損失及管路閥件內(nèi)泄漏的因素，導(dǎo)致設(shè)計的系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)運行速度、扭矩、推力、拉力未達到設(shè)計效果，速度達不到要求或執(zhí)行機構(gòu)輸出無法達到設(shè)計要求。其中主要的影響因素是：第一，液壓管路內(nèi)徑尺寸。液壓管路設(shè)計尺寸太小，導(dǎo)致流速增大。流速增大會導(dǎo)致壓力損失增大。管子越小壓力損失越大，影響液壓系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果。管子越大壓力損失越小，但是會造成不必要的浪費。第二，液壓管路長度。相同規(guī)格的鋼管，管路越長壓力損失越大，設(shè)計應(yīng)綜合考慮管路長度產(chǎn)生的壓損。第三，油液黏度。油液黏度越大，流動阻力就越大，壓力損失也越大。第四，轉(zhuǎn)角彎頭。轉(zhuǎn)角彎頭處容易形成漩渦，造成局部壓力損失。第五，系統(tǒng)中各閥件的內(nèi)泄漏。本研究主要在常溫下綜合考慮以上因素并進行設(shè)計計算。

3 根據(jù)設(shè)備參數(shù)進行液壓系統(tǒng)設(shè)計計算

首先要確定套管機械手設(shè)計參數(shù)。

回轉(zhuǎn)機構(gòu)：1x液壓馬達，轉(zhuǎn)速r：500 RPM，輸出扭矩W：122 Nm。

伸縮機構(gòu)：1組油缸，推/拉力F：50 Kn，伸縮速度V：15 m/min，行程L：2 500 mm。

變幅機構(gòu)：2組油缸，單個油缸拉力F：150 Kn，行程：140 mm，伸縮速度V：5 m/min。

夾鉗機構(gòu)：2組油缸，單個油缸推力/拉力F：50 Kn/20 Kn，行程：600 mm，速度V：5 m/min。

3.1 回轉(zhuǎn)機構(gòu)選型計算

3.1.1 回轉(zhuǎn)機構(gòu)液壓馬達選型計算

綜合液壓馬達的使用工況、工作轉(zhuǎn)速和扭矩。選用性價比較高的擺線馬達。用SAM擺線馬達，型號：BRO 065 2A M08 CL250 N，可滿足回轉(zhuǎn)驅(qū)動要求。根據(jù)液壓馬排量v：65cc/r、容積效率η：80%，可得出馬達工作時的流量為45 L/min。

3.1.2 液壓壓力損失計算

第一，管路壓力損失計算。

管路規(guī)格尺寸選用和流速計算：流速V’取5 m/min，計算得出管徑D∶D=2*(q/V’/3.14)1/2=13.8 mm，選用鋼管20*3，滿足設(shè)計工作壓力210 Bar。實際流速V”∶V”=q/r2/3.14=4.9 m/min，所選管徑滿足設(shè)計要求，管路內(nèi)液壓油流速不超過6 m/min。

雷諾數(shù)：Re=V*D/u*1 000=4.9*14/46*1 000=1 491，根據(jù)延程阻力系數(shù)計算公式，在雷諾數(shù)小于2 300時，選用λ=64/Re；大于2 300時，選用λ=0.316 3/Re1/4，得：

延程阻力系數(shù)：λ=64/Re=64/1 491=0.043(Re小于2 300時)；

延程壓力損失：△P1=λ*(l/D)*(( V’* V’/2*ρ)/1 000)=0.65 Mpa=6.5 Bar；

局部壓力損失：△P2=ξ*V’*V’*ρ/2 000 000=0.01 Mpa=0.1 Bar；

管路總壓力損失：△P=△P1+x*△P2=6.5+10*0.1=7.5 Bar；

油液運動黏度u-46 mm*mm/s；油液密度ρ-880 kg/m3；

管路長度l-20 m ；局部阻力系數(shù)(取90°轉(zhuǎn)角)，ξ-1.12，管路轉(zhuǎn)角數(shù)量取x-10。

第二，系統(tǒng)閥件壓力損失計算。

根據(jù)液壓馬達驅(qū)動所需設(shè)計流量和設(shè)計壓力可確定：選擇的平衡閥型號為CBCH-LDN。該平衡閥在45 L/min時的壓力損失為3 Bar。選擇paker控制閥型號為L90s。該閥的壓力損失可根據(jù)補償器壓力，選用5 Bar的壓力補償器。系統(tǒng)上所有閥件產(chǎn)生的壓力損失為：5 Bar+3 Bar=8 Bar。

第三，回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)總的壓力損失。

回轉(zhuǎn)機構(gòu)運行時，液壓系統(tǒng)的總壓力損失為(需綜合考慮馬達進油損失加上回油損失)：總壓力損失△P =(管路總壓力損失+閥件壓力損失)*2=(7.5+8)*2=31 Bar。

第四，液壓馬達的選型校核。

根據(jù)液壓馬達壓力和扭矩曲線，確定該液壓馬達在130 Bar下，扭矩為120 NM。根據(jù)液壓馬達工作壓力和系統(tǒng)總壓力損失得出：系統(tǒng)壓力P= 液壓馬達的壓力+總壓力損失△P= 130+31=161 Bar。也就是L90s閥控制回轉(zhuǎn)液壓馬達時，設(shè)定的工作壓力為161 Bar，即可達到機械回轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作要求。

3.2 伸縮機構(gòu)設(shè)計計算

根據(jù)設(shè)計參數(shù)和油缸使用工況，進行壓桿穩(wěn)定計算后，初選油缸規(guī)格φ100/φ70x2 300。

3.2.1 油缸壓力及流量設(shè)計計算

經(jīng)計算得出：無桿腔面積A無=7 850 mm2，有桿腔工作面積A桿=4 003.5 mm2；

油缸面積比i∶i=A無/A桿=7 850/4 003.5=1.96；

無桿腔設(shè)計工作壓力P無=63.7 Bar，有桿腔設(shè)計工作壓力P桿=125.9 Bar；

無桿腔設(shè)計工作流量Q無=117.75 L/min，有桿腔設(shè)計工作流量Q桿=60.1 L/min；

根據(jù)油缸和平衡閥的內(nèi)泄漏總共為0.05 L/min，得出有桿腔和無桿腔設(shè)計工作流量分別為：60.15 L/min和117.8 L/min。

3.2.2 液壓壓力損失計算

第一，管路規(guī)格尺寸選用和流速計算。

無桿腔管路：流速取5 m/min，計算得出管徑D∶D=2*(q/V’/3.14)1/2= 22.36 mm，選用鋼管φ30*4，滿足設(shè)計工作壓力210 Bar。

實際流速V’∶V’=117.8/60/((30-8)/2*10-2)2/3.14/10=5.17 m/min；

有桿腔管路：流速取5 m/min，計算得出管徑D∶D=2*(q/V’/3.14)1/2=2*(60.15/60/5/10/3.14)1/2*100=15.97 mm，選用鋼管φ25*3，滿足設(shè)計工作壓力210 Bar。

實際流速V’∶V’=q/r2/3.14=3.8 m/min，所選無桿腔管徑φ30*4和有桿腔管徑φ25*3滿足設(shè)計要求。管路內(nèi)液壓油流速不超過6 m/min，滿足液壓系統(tǒng)要求。

第二，管路壓力損失計算。

a.無桿腔管徑φ30*4，流量為117.8 L/min時的壓力損失：

雷諾數(shù)：Re=V*D/u*1 000=5.17*22/46*1 000= 2 473>2 300；

延程阻力系數(shù)：λ=0.316 3/Re1/4=0.044 9(Re大于2 300時)；

延程壓力損失：△P1=λ*(l/D)*(( V’* V’/2*ρ)/1 000)= 0.5 Mpa = 5 Bar；

局部壓力損失：△P2=ξ*V’*V’*ρ/2 000 000=0.014 Mpa =0.14 Bar；

管路總壓力損失：△P=△P1+x*△P2=5+10*0.14= 6.4 Bar。

b.有桿腔管徑φ25*3，流量為60.15 L/min時的壓力損失：

雷諾數(shù)：Re=V*D/u*1 000=3.8*19/46*1 000=1 570<2 300；

延程阻力系數(shù)：λ=64/Re =0.041(Re小于2 300時)；

延程壓力損失：△P1=λ*(l/D)*(( V’* V’/2*ρ)/1 000)=0.27 Mpa=2.7 Bar；

局部壓力損失：△P2=ξ*V’*V’*ρ/2 000 000=0.007 Mpa=0.07 Bar；

管路總壓力損失：△P=△P1+x*△P2=2.7+10*0.07=3.4 Bar；

管路長度l-20 m，管路轉(zhuǎn)角數(shù)量取x-10。

第三，系統(tǒng)閥件壓力損失計算。

根據(jù)液壓油缸驅(qū)動所需設(shè)計流量和設(shè)計壓力可確定：SUN平衡閥型號為CBEH-LDN。該平衡閥在117.8 L/min時，壓力損失為3 Bar；在60.15 L/min時，壓力損失為0.5 Bar。選擇paker控制閥型號為L90。該閥的壓力損失可根據(jù)補償器壓力，選用5 Bar的壓力補償器。

油缸伸出時，所有閥件產(chǎn)生的壓力損失為：5 Bar+3 Bar=8 Bar；

油缸縮回時，所有閥件產(chǎn)生的壓力損失為：5 Bar+0.5 Bar=5.5 Bar。

第四，伸縮機構(gòu)液壓系統(tǒng)的總壓力損失。

油缸伸出時，總壓力損失△P無=管路總壓力損失+閥件壓力損失=6.4+ 8=14.4 Bar；

油缸縮回時，總壓力損失△P =管路總壓力損失+閥件壓力損失=3.4+5.5=8.9 Bar。

第五，液壓油缸實際需要工作壓力(綜合考慮油缸背壓引起的增壓因素)：

油缸伸出時，實際需要工作壓力P∶P= P無+△P無+△P桿/i=60.7+14.4+8.9/1.96=79.64 Bar；

油缸縮回時，實際需要工作壓力P∶P= P桿+△P桿+△P無*i= 125.9+8.9+14.4*1.96=163.02 Bar。

也就是L90s閥控制伸縮油缸時，伸出時設(shè)定的工作壓力為80 Bar，縮回時設(shè)定壓力為163 Bar，即可達到伸縮機構(gòu)工作要求。

3.3 變幅機構(gòu)和夾鉗機構(gòu)設(shè)計

計算方法同上，計算結(jié)果如下：

a.變幅機構(gòu)。

油缸規(guī)格：125/63x140；

油缸伸出時，工作壓力P無：0 Bar (由于油缸受拉被動伸出，伸出時油缸推力為0)；

油缸伸出時，工作流量：122.76 L/min。油缸縮回時，工作流量：91.6 L/min；

無桿腔液壓鋼管尺寸：φ30*4，有桿腔液壓鋼管尺寸：φ25*3。

根據(jù)液壓油缸驅(qū)動所需設(shè)計流量和設(shè)計壓力可確定：單個油缸有桿腔選擇的SUN平衡閥型號為CBCG-LJN。該平衡閥在45.8 L/min時，壓力損失為2 Bar，導(dǎo)壓比4.5∶1。導(dǎo)壓壓力根據(jù)最大負載計算，P導(dǎo)=163.9/4.5=36.42。選擇paker控制閥型號為L90s，該閥的壓力損失可根據(jù)補償器壓力，選用5 Bar的壓力補償器。

油缸縮回時，所有閥件產(chǎn)生的壓力損失為：5 Bar+2 Bar = 7 Bar。

伸縮機構(gòu)液壓系統(tǒng)的總壓力損失為：

油缸伸出時，總壓力損失△P無=管路總壓力損失+閥件壓力損失=6.5+5=11.5 Bar；

油缸縮回時，總壓力損失△P=管路總壓力損失+閥件壓力損失 =5.3+7=12.3 Bar；

液壓油缸實際需要工作壓力(綜合考慮油缸背壓引起的增壓因素)：油缸伸出時，實際需要工作壓力P∶P=P無+△P無+P導(dǎo)=0+11.5+36.42=47.92 Bar；

油缸縮回時，實際需要工作壓力P∶P=P桿+△P桿+△P無*i=163.9+12.3+11.5*1.34=191.61 Bar。

根據(jù)計算結(jié)果得知，伸出時設(shè)定的工作壓力為48 Bar，縮回時設(shè)定壓力為192 Bar，即可達到變幅機構(gòu)工作要求。

b. 夾鉗機構(gòu)。

油缸規(guī)格：63/45x580；

油缸伸出時，設(shè)計工作壓力P無：160.5 Bar，油缸縮回時，設(shè)計工作壓力P桿：131.1 Bar；

油缸伸出時，工作流量：32.26 L/min，油缸縮回時，工作流量：15.36 L/min；

無桿腔液壓鋼管尺寸：φ16*2，有桿腔液壓鋼管尺寸：φ12*2。

根據(jù)液壓油缸驅(qū)動所需設(shè)計流量和設(shè)計壓力可確定：選擇的SUN液壓鎖型號為CKCB-XCN。該液壓鎖在7.68 L/min和16.13 L/min時，壓力損失分別為0.5 Bar和1.5 Bar。選擇paker控制閥型號為L90s。該閥的壓力損失可根據(jù)補償器壓力，選用5 Bar的壓力補償器。

油缸伸出時，所有閥件產(chǎn)生的壓力損失為：5 Bar+1.5 Bar=6.5 Bar；

油缸縮回時，所有閥件產(chǎn)生的壓力損失為：5 Bar+0.5 Bar=5.5 Bar；

伸縮機構(gòu)液壓系統(tǒng)的總壓力損失為：

油缸伸出時，總壓力損失△P無=管路總壓力損失+閥件壓力損失= 13.4+6.5=19.9 Bar；

油缸縮回時，總壓力損失△P桿=管路總壓力損失+閥件壓力損失 = 32.2+5.5=37.7 Bar；

液壓油缸實際需要工作壓力(綜合考慮油缸背壓引起的增壓因素)：

油缸伸出時，實際需要工作壓力P∶P=P無+△P無+△P桿/i=160.5+19.9+37.7/2.04=198.88 Bar；

油缸縮回時，實際需要工作壓力P∶P=P桿+△P桿+△P無*i=131.1+37.7+19.9*2.04=209.4 Bar。

根據(jù)計算結(jié)果得知，伸出時設(shè)定的工作壓力為199 Bar，縮回時設(shè)定壓力為210 Bar，即可達到變幅機構(gòu)工作要求。

液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算完成后，各個閥件的壓力流量參數(shù)基本確定下來，系統(tǒng)上的液壓管路尺寸規(guī)格也確定下來，后續(xù)就是完成液壓系統(tǒng)原理圖設(shè)計。本系統(tǒng)最終在調(diào)試過程中經(jīng)過測試，各項性能指標(biāo)和參數(shù)與理論差別不大，完全滿足設(shè)備設(shè)計要求。

4 結(jié)語

整套液壓系統(tǒng)設(shè)計在壓力流量損失上計算嚴密，得出精確的液壓系統(tǒng)所需壓力和流量，不僅滿足設(shè)備的使用要求，還極大提高了設(shè)備使用效率，避免設(shè)計的壓力和流量過小，達不到機械性能要求和過大的壓力流量造成不必要的浪費和機械損傷，節(jié)省成本的同時，提高了系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)的壽命。