2500 hp單齒輪減速箱驅(qū)動(dòng)絞車(chē)設(shè)計(jì)研究

于浩, 陳思祥, 張文英, 郭小艷

（1.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721002；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002）

0 引 言

隨著近幾年國(guó)內(nèi)外油氣開(kāi)發(fā)力度的加大、鉆井深度加深和水平井等鉆井工藝發(fā)展的要求，2500 hp鉆機(jī)在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的需求進(jìn)一步加大[1]。特別是中東地區(qū)由于地質(zhì)條件原因和分段鉆井工藝要求，其鉆井周期都相對(duì)較短，鉆機(jī)搬家頻次相對(duì)較高，造成鉆機(jī)搬家成本相對(duì)提高。為了控制搬家成本，節(jié)約井場(chǎng)占地面積，具有輪式拖掛移運(yùn)功能的超深井鉆機(jī)成為中東地區(qū)鉆井公司的首要選擇。

絞車(chē)是石油鉆機(jī)的重要工作設(shè)備之一。在整個(gè)鉆井過(guò)程中，起下鉆具、上卸扣、提取巖芯筒、處理事故等關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)都需要通過(guò)絞車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)[2-3]。因此，絞車(chē)的配置形式對(duì)整個(gè)鉆機(jī)配套具有重要的作用。

目前2500 hp鉆機(jī)所配套的絞車(chē)為雙齒輪減速箱驅(qū)動(dòng)滾筒軸的形式。該形式的絞車(chē)質(zhì)量大，外形尺寸大，由于受鉆臺(tái)面尺寸的限制，不能布置在鉆臺(tái)面從而隨鉆機(jī)底座實(shí)現(xiàn)整體輪式移運(yùn)。因此，有必要開(kāi)發(fā)一種單齒輪減速箱驅(qū)動(dòng)滾筒軸形式的絞車(chē)，既減輕絞車(chē)整體質(zhì)量，又減少絞車(chē)占地面積，從而將絞車(chē)整體布置于鉆臺(tái)面，實(shí)現(xiàn)絞車(chē)隨鉆機(jī)底座的整體輪式移運(yùn)，從而提高整體鉆井效率。

1 技術(shù)方案

根據(jù)GB/T23505-2009《石油鉆機(jī)與與修井機(jī)》及中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5532-2010《石油鉆機(jī)絞車(chē)》相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2500 hp單齒輪減速箱驅(qū)動(dòng)絞車(chē)其性能參數(shù)需滿足5 in鉆桿8000 m鉆井工藝的要求[3-4]。

該單齒輪減速箱驅(qū)動(dòng)絞車(chē)是由主電動(dòng)機(jī)、齒輪減速箱、液壓盤(pán)式剎車(chē)、滾筒軸、盤(pán)剎液壓站等重要部件組成[5-6]，并集成了氣液系統(tǒng)與自動(dòng)送鉆裝置，其具體布置形式如圖1所示。其中主電動(dòng)機(jī)由A/B兩套組成，齒輪減速箱為單減速箱驅(qū)動(dòng)形式。絞車(chē)所有組成部件整體布置在一套撬座上，無(wú)需進(jìn)行設(shè)備拆卸即可實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)輸。

圖1 絞車(chē)布置圖

相比較常規(guī)雙單齒輪減速箱絞車(chē)，該單齒輪減速箱絞車(chē)不僅具有質(zhì)量輕、外形尺寸小等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還可提高絞車(chē)自動(dòng)送鉆起下鉆速度。另外，該絞車(chē)可將盤(pán)剎液壓站實(shí)現(xiàn)整體集成布置，減少絞車(chē)的運(yùn)輸單元及現(xiàn)場(chǎng)管線拆裝的工作量。因此，該絞車(chē)將會(huì)成為輪式拖掛移運(yùn)功能的超深井鉆機(jī)的首要選擇。

表1 兩種絞車(chē)參數(shù)比較

圖2 單齒輪減速箱絞車(chē)傳動(dòng)流程圖

2 主要部件力學(xué)分析

由于絞車(chē)是石油鉆機(jī)中的關(guān)鍵部件，其穩(wěn)定性和安全性直接決定了鉆機(jī)的使用性能。為確保該絞車(chē)在單齒輪減速箱的驅(qū)動(dòng)下其安全性和可靠性，有必要對(duì)絞車(chē)的技術(shù)主要部件進(jìn)行力學(xué)分析。

本絞車(chē)在采用常規(guī)計(jì)算的基礎(chǔ)上，選用有限元分析方法，對(duì)該絞車(chē)的幾個(gè)主要承載部件進(jìn)行力學(xué)分析。

1）絞車(chē)架力學(xué)分析。由于絞車(chē)提升最大鉤載時(shí)，絞車(chē)架受載情況最為惡劣，現(xiàn)針對(duì)此種工況對(duì)絞車(chē)架強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析。絞車(chē)提升最大鉤載時(shí)滾筒軸所承受的快繩力Pmax=553 460 N；假設(shè)快繩拉力方向與豎直面的夾角為α=5°，則以下計(jì)算快繩作用在滾筒軸水平、豎直方向的力分別為：P1xmax=Pmaxsin α=48 237 N；P1ymax=Pmaxcos α=551 354 N。

建立絞車(chē)架的幾何模型，只考慮主體梁、墻板等主體結(jié)構(gòu)，忽略輔助梁、蓋板等次要結(jié)構(gòu)，在提升最大鉤載工況下絞車(chē)架滾筒軸承受的最大快繩拉力由主墻板軸承座安裝支口處承擔(dān)，絞車(chē)架焊接在絞車(chē)底座，因此在絞車(chē)架底部施加固定約束，采用四面體劃分幾何實(shí)體模型。

在此工況下，有限元分析結(jié)果如圖3所示。

從計(jì)算結(jié)果看出，最大綜合應(yīng)力為107.68 MPa，而絞車(chē)架的大部分區(qū)域在28 MPa以下，主墻板σs=325 MPa，其許用應(yīng)力[σ]=0.6σs=195 MPa，因此，絞車(chē)架應(yīng)力值在使用允許范圍內(nèi)。

2）軸承座力學(xué)分析。經(jīng)分析，該絞車(chē)滾筒軸總成中的左、右軸承座受力情況在最?lèi)毫忧闆r下基本一致，因此可以僅對(duì)單側(cè)（左側(cè)）的軸承座進(jìn)行有限元分析，另外一側(cè)（右側(cè)）進(jìn)行類(lèi)比分析即可。

圖3 提升最大鉤載時(shí)絞車(chē)架應(yīng)力云圖

考慮到絞車(chē)滾筒體軸承座和墻板依靠止口連接，因此在對(duì)軸承座模型進(jìn)行有限元分析時(shí)將軸承座內(nèi)圈施加以軸承力，并將和絞車(chē)墻板止口配合的面作固定約束。

對(duì)處理完成的模型結(jié)合滾筒軸的計(jì)算結(jié)果，將主軸承的力轉(zhuǎn)化至軸承座上進(jìn)行有限元分析，得到左軸承座的應(yīng)力云圖，如圖4所示。

圖4 左軸承座應(yīng)力云圖

可以看出當(dāng)快繩拉力作用時(shí)左軸承座的最大應(yīng)力值為39.467 MPa。

軸承座的材料為ZG35CrMo，其力學(xué)性能為σs=310 MPa，σb=590 MPa。

式中：SYmin為規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度；FDS為設(shè)計(jì)安全系數(shù)，取FDS=1.67。

由此可知軸承座均為非關(guān)鍵區(qū)域，滿足強(qiáng)度準(zhǔn)則。

3）滾筒體力學(xué)分析。在力學(xué)分析時(shí)，將滾筒體輪轂一端加全約束，另一端加x、z方向的約束，并在剖面處施加對(duì)稱約束[7]。

滾筒體的材料為ZG35CrMo，其力學(xué)性能為σs=310 MPa，σb=590 MPa。

從圖5應(yīng)力云圖上可以看出，滾筒體絕大部分區(qū)域都在120.59 MPa以下，局部區(qū)域在120.59 MPa 與168.81 MPa區(qū)域以下。

圖5 滾筒體應(yīng)力云圖

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，最大Von Mises應(yīng)力值σmax=217.04 MPa ＜0.75SYmin/FDS=232.5 MPa。

由《鉆井機(jī)械》[8]中可知：按照最大鉤載時(shí)的快繩拉力計(jì)算，則FDS≥1就滿足要求。滾筒體進(jìn)行有限元分析時(shí)，快繩拉力按照最大鉤載考慮，故取FDS=1。

由此可知滾筒體均為非關(guān)鍵區(qū)域，滿足強(qiáng)度準(zhǔn)則。

4）滾筒軸力學(xué)分析。滾筒軸在絞車(chē)工作過(guò)程中受到滾筒軸外繩拉力、軸上安裝件的重力及軸承支反力作用，由于絞車(chē)提升最大鉤載時(shí)，滾筒軸受載最大，同時(shí)由于快繩拉力在滾筒左側(cè)和滾筒右側(cè)是作用是不同的，以下將分快繩拉力在滾筒左側(cè)和滾筒右側(cè)兩種情況對(duì)滾筒軸進(jìn)行有限元分析。

建立滾筒軸的幾何模型，忽略軸肩處的小圓角和倒角，忽略滾筒體自身質(zhì)量。在提升最大鉤載工況下（分快繩在滾筒左側(cè)和在滾筒右側(cè)兩種情況進(jìn)行計(jì)算）分別將快繩拉力分解成一個(gè)拉力和一個(gè)轉(zhuǎn)矩后施加在軸上，約束時(shí)將左右軸承座6個(gè)自由度完全約束。通過(guò)以上處理，滾筒軸的受載情況與實(shí)際工作時(shí)受載情況最大程度地相符。

滾筒軸的材料為45CrNiMoVA，其力學(xué)性能如下：σb=785 MPa；σs=635 MPa；彈性模量為2.06×105MPa；密度為7.85×103kg/m3；泊松比為0.3。

從有限元的計(jì)算結(jié)果（如圖6、圖7）來(lái)看，在滾筒軸左側(cè)靠近軸承軸肩出現(xiàn)最大應(yīng)力，應(yīng)力值為260.08 MPa。而滾筒軸的大部分區(qū)域，無(wú)論是最大快繩拉力在滾筒左側(cè)還是右側(cè)，應(yīng)力均在260.08 MPa以下。而滾筒軸材料為45CrNiMoVA，最低的允許應(yīng)力[σ]=635/1.67=380 MPa，所以，滾筒軸的強(qiáng)度滿足使用要求。

3 結(jié)論

1）通過(guò)分析，單齒輪減速箱驅(qū)動(dòng)的絞車(chē)，在整體質(zhì)量、外形尺寸、自動(dòng)送鉆起下鉆速度方面均具有較大的優(yōu)勢(shì)。2) 單齒輪減速箱驅(qū)動(dòng)的絞車(chē)可實(shí)現(xiàn)盤(pán)剎液壓站整體集成，減少絞車(chē)的運(yùn)輸單元及現(xiàn)場(chǎng)管線拆裝的工作量。3）單齒輪減速箱驅(qū)動(dòng)的絞車(chē)主要承載部件均能滿足國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的受力要求，完全滿足實(shí)際鉆井作業(yè)需求。4）單齒輪減速箱驅(qū)動(dòng)的絞車(chē)將會(huì)成為具有輪式拖掛移運(yùn)功能的超深井鉆機(jī)的首要選擇。

圖6 滾筒軸應(yīng)力云圖

圖7 滾筒軸位移云圖