石油鉆機(jī)平移棘爪步行器卡爪失效分析及優(yōu)化

李建亭

(中石化中原石油工程有限公司 工程服務(wù)管理中心，河南 濮陽(yáng) 457001)

0 引言

鉆機(jī)整體平移裝置是同一井場(chǎng)鉆多口井，實(shí)現(xiàn)重復(fù)、批量化作業(yè) “井工廠”鉆井模式的核心裝備[1]，而棘爪步行器又是平移裝置的重要部件，它是鉆機(jī)沿平移導(dǎo)軌在液缸液力作用下向前/后移動(dòng)達(dá)到下一個(gè)力的作用基點(diǎn)，平移時(shí)液缸推動(dòng)棘爪步行器實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)載荷與導(dǎo)軌間以滑動(dòng)摩擦形式的整體平移。棘爪步行器由于應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜苛刻，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中存在著棘爪座撕裂、卡爪失效、限位螺釘斷裂等問(wèn)題，從而影響鉆機(jī)平移裝置的使用壽命及平移效率。

目前，針對(duì)棘爪步行器類(lèi)型、數(shù)值仿真及液壓系統(tǒng)等方向都有大量的理論研究[2-3]，但對(duì)于其卡爪失效方面的專(zhuān)題研究還很少。鑒于此，筆者以一種帶有斜面結(jié)構(gòu)的卡爪步行器在一次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中出現(xiàn)的卡爪損壞失效問(wèn)題為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)此結(jié)構(gòu)卡爪受力及應(yīng)力分析，判斷卡爪失效的原因，提出優(yōu)化措施，這對(duì)解決石油鉆機(jī)平移棘爪步行器工程實(shí)際問(wèn)題具有一定的指導(dǎo)意義。

1 棘爪步行器結(jié)構(gòu)及失效

一種帶有斜面卡爪結(jié)構(gòu)的單棘爪步行器由棘爪座、棘爪、翻轉(zhuǎn)手柄、棘爪連接銷(xiāo)軸、卡爪、卡爪固定螺釘組成，如圖1所示。由于導(dǎo)軌截面采用槽鋼梁與棘爪孔板焊接而成，為了實(shí)現(xiàn)卡爪與導(dǎo)軌接觸部位的緊密貼合，在卡爪與導(dǎo)軌槽鋼梁接觸部位設(shè)計(jì)了1∶10斜面，用卡爪承載步行器豎直方向分力限制其在導(dǎo)軌平面法向移動(dòng)[4]。鉆機(jī)平移時(shí)卡爪與導(dǎo)軌截面結(jié)構(gòu)如圖2所示,圖2中W為導(dǎo)軌槽鋼梁間距。

1—棘爪座；2—翻轉(zhuǎn)手柄；3—棘爪；4—卡爪；5—導(dǎo)軌；6—液壓缸；7—耳座。圖1 棘爪步行器總成

1—棘爪座；2—卡爪；3—導(dǎo)軌棘爪孔板；4—導(dǎo)軌槽鋼梁。圖2 卡爪截面示意圖

棘爪步行器失效類(lèi)型主要有：鉆機(jī)平移過(guò)程中步行器棘爪刃無(wú)法順利自動(dòng)落入導(dǎo)軌棘爪孔中，如圖3(a)所示；卡爪產(chǎn)生塑性變形或斷裂失效，如圖3(b)所示。

圖3 失效類(lèi)型

下面以斜面卡爪變形失效問(wèn)題作為研究對(duì)象，通過(guò)卡爪受力分析獲得卡爪危險(xiǎn)截面的應(yīng)力值，從而判斷卡爪失效的原因，提出改進(jìn)優(yōu)化措施。

2 卡爪力學(xué)分析與求解

2.1 受力分析

鉆機(jī)平移時(shí)，棘爪步行器首先在液缸液力作用下沿導(dǎo)軌面滑移，棘爪刃面滑入導(dǎo)軌棘爪孔內(nèi)，然后在液缸反向液力作用下，棘爪刃面與導(dǎo)軌棘爪孔面接觸，直至卡爪1∶10斜面與導(dǎo)軌槽鋼梁斜面接觸作用，最終在卡爪1∶10斜面上產(chǎn)生一個(gè)作用力F，如圖4(a)所示。根據(jù)力的合成原理此力可以分解為水平力FH和豎直分力FV。

圖4(a)中,a1=0.095 m,為卡爪OA段長(zhǎng)度；b1=0.097 5 m,為卡爪AB段長(zhǎng)度；h=0.045 m，為卡爪厚度；卡爪截面法向長(zhǎng)度為L(zhǎng)=0.100 m。

2.2 力學(xué)求解

由斜面幾何關(guān)系知：卡爪在1∶10斜面位置產(chǎn)生的作用力FH/FV=0.1。豎直分力FV作用下卡爪受力如圖4(b)所示，卡爪在力FV作用下產(chǎn)生彎矩MVH、MVV,彎曲應(yīng)力為σVH、σVV，軸向拉應(yīng)力σVx；卡爪在力FH作用下受力如圖4(c)所示,卡爪力FH作用下產(chǎn)生彎矩MHV、軸向壓應(yīng)力σHy及彎曲應(yīng)力σHV。根據(jù)力的疊加原理，將卡爪在力FV與FH作用下進(jìn)行疊加，獲得卡爪在力F作用下OA與AB區(qū)間不同截面上的最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力σ±表達(dá)式如公式(1)所示。

圖4 卡爪力學(xué)分析圖

(1)

通過(guò)圖4與公式(1)分析發(fā)現(xiàn)：卡爪應(yīng)力極值出現(xiàn)在兩個(gè)截面上：一個(gè)是卡爪0A區(qū)間y最大值y=a1，即過(guò)A點(diǎn)的法向截面上；另一個(gè)是卡爪AB區(qū)間x最大值x=b1，即過(guò)B點(diǎn)的法向截面上，爪內(nèi)側(cè)面受拉，外側(cè)面受壓。進(jìn)一步比較兩截面上的最大壓應(yīng)力σ-A、σ-B與拉應(yīng)力σ+A、σ+B，得到最大應(yīng)力值|σ-A|>|σ-B|與|σ+A|<|σ+B|，同時(shí)|σ-A|<|σ+B|，即卡爪在卡爪力F作用下最大應(yīng)力出現(xiàn)在過(guò)B點(diǎn)的法向截面上內(nèi)側(cè)面處，即卡爪受力時(shí)的危險(xiǎn)截面。

2.3 卡爪豎直方向分力FV的確定

針對(duì)同一鉆機(jī)平移載荷無(wú)論拉移還是推移過(guò)程中，用于平衡導(dǎo)軌對(duì)卡爪產(chǎn)生的豎直方向作用力恒定，即卡爪力FV為定值。參考文獻(xiàn)[4]作者通過(guò)對(duì)棘爪步行器受力分析，利用力學(xué)原理與方法，首次建立了一種獲得了解析解的棘爪步行器力學(xué)求解模型。本文采用其卡爪力求解表達(dá)式，將棘爪步行器相關(guān)參數(shù)帶入其表達(dá)式，并考慮本文步行器卡爪安裝方式：推移過(guò)程中步行器安裝單側(cè)雙前卡爪與單后卡爪；拉移過(guò)程中，步行器安裝單側(cè)單前卡爪與雙后卡爪方式，獲得鉆機(jī)推移/拉移過(guò)程前、后卡爪力FV1T(FV1L)與FV2T(FV2L)值，如表1所示。

表1 卡爪力FV計(jì)算結(jié)果 單位：kN

計(jì)算中采用液缸液力約1 200 kN，步行器僅改變了前卡爪安裝位置即L1值為0.43，其他參數(shù)的數(shù)值含義與文獻(xiàn)[4]完全一致。

3 卡爪實(shí)例計(jì)算與優(yōu)化

3.1 實(shí)例計(jì)算

現(xiàn)以公司研發(fā)的一種適用于型鋼結(jié)構(gòu)截面導(dǎo)軌的棘爪步行器為例，其卡爪具有1∶10斜面結(jié)構(gòu)，以上述卡爪受力分析計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，將卡爪危險(xiǎn)截面上相關(guān)參數(shù)帶入應(yīng)力公式(1)中，得到危險(xiǎn)截面上的最大應(yīng)力σ+B：

(2)

將表1卡爪力FV值帶入式(2)中，獲得棘爪步行器在推移過(guò)程中前、后卡爪危險(xiǎn)截面上的最大應(yīng)力σ+B1T與σ+B2T及拉移過(guò)程中相應(yīng)應(yīng)力σ+B1L與σ+B2L,如表2所示。

表2 卡爪應(yīng)力與性能參數(shù) 單位：MPa

結(jié)果表明：步行器無(wú)論推移還是拉移狀態(tài)下卡爪應(yīng)力σ+B分別超過(guò)卡爪材料的屈服強(qiáng)度值σS的38.6%、136%、83.1%、64.8%；推移過(guò)程最大卡爪應(yīng)力σ+B2T與拉移過(guò)程的最大卡爪應(yīng)力σ+B1L兩者值都大于其斷裂強(qiáng)度值σb。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

表2結(jié)果表明卡爪由于強(qiáng)度設(shè)計(jì)不足導(dǎo)致其失效，針對(duì)此原因提出3個(gè)方面的優(yōu)化措施：1) 減小導(dǎo)軌槽鋼梁間距W值，改善卡爪受力狀況。優(yōu)化后的卡爪截面如圖5(a)所示。2) 改變卡爪截面參數(shù)即a2=0.06m、b2=0.0875m、卡爪軸向長(zhǎng)度L=0.26m，其他尺寸不變。卡爪受力如圖5(b)所示。3) 卡爪用料選用耐磨性好、強(qiáng)度高的35CrMo材料制作。

圖5 卡爪截面及力學(xué)分析示意圖

優(yōu)化后的卡爪在鉆機(jī)平移過(guò)程中僅受到導(dǎo)軌接觸面上的豎直作用力FV，無(wú)附加水平方向的分力作用。此時(shí)步行器在推移過(guò)程中前、后卡爪危險(xiǎn)截面上的最大應(yīng)力σ+B1T與σ+B2T及拉移過(guò)程中相應(yīng)應(yīng)力σ+B1L與σ+B2L如表3所示。

表3 優(yōu)化后的卡爪應(yīng)力與性能參數(shù) 單位：MPa

表3結(jié)果表明：在同一鉆機(jī)平移載荷下，優(yōu)化后的卡爪無(wú)論拉移還是推移狀態(tài)下最大應(yīng)力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度值σS；優(yōu)化后的卡爪應(yīng)力減小量約是表1相應(yīng)數(shù)值的54%或77%，說(shuō)明優(yōu)化后的卡爪承載能力獲得提高；最大應(yīng)力發(fā)生在鉆機(jī)拉移過(guò)程的后卡爪上，其值為σ+B2L=270MPa，最小應(yīng)力發(fā)生在鉆機(jī)拉移過(guò)程的前卡爪上，其值為σ+B1L=150MPa。將應(yīng)力與原材質(zhì)機(jī)械性能參數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：優(yōu)化后的卡爪即使在原材質(zhì)情況下也滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，說(shuō)明斜面卡爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷是卡爪塑性變形失效問(wèn)題的根源。優(yōu)化后步行器卡爪強(qiáng)度足夠，滿(mǎn)足鉆機(jī)平移使用要求，與步行器整體承載相匹配，優(yōu)化改進(jìn)后的卡爪在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后再未發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形失效問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 通過(guò)斜面卡爪受力分析發(fā)現(xiàn)：卡爪內(nèi)側(cè)面受壓與外側(cè)面受拉的受力規(guī)律，附加水平分力使卡爪向外擴(kuò)張，這不利于卡爪承載。

2) 斜面卡爪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：卡爪危險(xiǎn)截面出現(xiàn)在卡爪固定螺釘附近，其應(yīng)力值分別超過(guò)卡爪材料屈服強(qiáng)度的38.6%、136.0%、83.1%、64.8%，平移過(guò)程中的最大卡爪應(yīng)力都大于其材料的斷裂強(qiáng)度值。

3) 優(yōu)化后的卡爪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：通過(guò)改變導(dǎo)軌截面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)卡爪受力部位由斜面變平面，卡爪應(yīng)力值相應(yīng)降低量約為54%與77%，改善了卡爪的受力狀態(tài)，有利于卡爪承載能力提高，表明斜面卡爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷是卡爪塑性變形失效問(wèn)題的根源。