鐵鉆工旋扣鉗碳纖維滾輪優(yōu)化與試驗(yàn)

景佐軍， 徐小鵬1,， 南樹歧1,， 范向曾

（1.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)中心，陜西 寶雞721000；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721000）

0 引言

鐵鉆工是自動(dòng)化鉆井生產(chǎn)中鉆機(jī)的配套設(shè)備，作為液壓動(dòng)力大鉗的升級(jí)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[1]。尤其在近幾年，國內(nèi)各大石油鉆探企業(yè)大力推進(jìn)鉆修井設(shè)備自動(dòng)化、智能化發(fā)展，改善一線作業(yè)環(huán)境，提升員工工作幸福感，鉆機(jī)管柱自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)入了快速發(fā)展期，鐵鉆工作為管柱自動(dòng)化設(shè)備中上卸扣工具，得到了大量的使用，目前約有上百臺(tái)鐵鉆工進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)使用，操作人員遠(yuǎn)離井口作業(yè)，提高了作業(yè)時(shí)的安全性。在進(jìn)行作業(yè)時(shí)不需要根據(jù)鉆桿直徑的變化更換相應(yīng)的顎板，操作簡單，工作效率高[2]。但是鐵鉆工的效率還需進(jìn)一步提高，往往緊扣需要多次，旋扣鉗的轉(zhuǎn)矩不足則是引起該問題的主要原因之一。

本文主要對(duì)鐵鉆工旋扣鉗滾輪與鉆桿的摩擦行為進(jìn)行分析研究，分析滾輪與鉆桿旋扣全過程中的接觸摩擦特性、磨損原因等問題，討論了不同過程中當(dāng)量滾動(dòng)摩擦、滑動(dòng)摩擦因數(shù)。并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了不同夾緊力、不同轉(zhuǎn)速、不同材料、動(dòng)靜狀態(tài)下碳纖維滾子材料的摩擦力矩試驗(yàn)，得出了最優(yōu)鐵鉆工滾輪工作狀態(tài)。

1 現(xiàn)狀分析

目前，鐵鉆工旋扣鉗工作時(shí)，通過液壓缸推動(dòng)夾緊臂上的摩擦輪夾緊管具，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)摩擦輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)管具旋轉(zhuǎn)，完成上扣、卸扣動(dòng)作[4]。國內(nèi)眾多制造廠商的鐵鉆工通過工業(yè)應(yīng)用及優(yōu)化，在可靠性、穩(wěn)定性方面有了很大的提升。其工作機(jī)理主要是先通過旋扣鉗滾輪帶動(dòng)鉆桿快速旋扣到位，然后沖扣鉗通過液缸推動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度緊扣到設(shè)定的轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到上緊鉆桿扣得目的[3]。但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，目前鐵鉆工的上卸扣效率相比傳統(tǒng)的液氣大鉗，還存在偏低的問題，主要原因在于旋扣鉗的上扣轉(zhuǎn)矩不足，而沖扣鉗通過夾緊液缸的伸縮帶動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)和滑塊總成運(yùn)動(dòng)完成鉆具的夾持[5]，導(dǎo)致緊扣的時(shí)候沖扣鉗需要轉(zhuǎn)動(dòng)很大的角度才能到位，往往沖扣鉗轉(zhuǎn)動(dòng)角度遠(yuǎn)大于沖扣鉗自身旋轉(zhuǎn)角度，因此需要2次、3次乃至多次緊扣，這樣造成了效率的低下，因此提升旋扣鉗的上扣轉(zhuǎn)矩是提升鐵鉆工效率的關(guān)鍵，而旋扣鉗的轉(zhuǎn)矩是通過滾輪與鉆桿摩擦傳遞轉(zhuǎn)矩。本文分析滾輪與鉆桿的摩擦機(jī)理并開展碳纖維材料滾輪試驗(yàn)，在旋扣鉗使用中通過合理的參數(shù)設(shè)置以達(dá)到最優(yōu)化的摩擦轉(zhuǎn)矩，從而提升鐵鉆工的效率。

2 摩擦機(jī)理分析

以緊扣為例，分析滾子與鉆桿的摩擦轉(zhuǎn)矩。滾輪在快速旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾輪與鉆桿為滾動(dòng)摩擦，此時(shí)滾輪與鉆桿之間的摩擦因數(shù)為當(dāng)量滾動(dòng)摩擦因數(shù)；接近上扣末端時(shí)，上扣阻力矩急劇增加，滾輪對(duì)鉆桿提供的摩擦力矩也應(yīng)該逐漸達(dá)到最大值，最大轉(zhuǎn)矩在理想狀態(tài)下，應(yīng)該是滾輪抱緊鉆桿不打滑，旋扣馬達(dá)提供最大的輸出轉(zhuǎn)矩，因此最大轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下，滾輪與鉆桿的摩擦為靜摩擦。

2.1 當(dāng)量摩擦因數(shù)的確定

鐵鉆工輥?zhàn)优c管柱之間的接觸應(yīng)屬于彈性接觸，所以，上卸扣過程中的滾動(dòng)摩擦阻力矩主要來源于輥?zhàn)优c管柱外壁之間的微觀滑動(dòng)、彈性滯后及黏著效應(yīng)。輥?zhàn)优c工作對(duì)象管柱之間的滾動(dòng)接觸可簡化為圖1所示的簡單模型。

圖1 滾輪與鉆桿的滾動(dòng)模型

一個(gè)彈性輪由一個(gè)剛性內(nèi)圈和一系列彈性單元構(gòu)成，這些單元之間及它們與剛性內(nèi)圈之間彈性連接。在輥?zhàn)雍凸苤M(jìn)入接觸區(qū)的前緣，始終存在黏著區(qū)，后緣存在著滑動(dòng)區(qū)，這種滑動(dòng)為微觀滑動(dòng)。滾動(dòng)摩擦的絕大部分阻力矩來源于滾動(dòng)體接觸過程中的彈性滯后，滾動(dòng)摩擦因數(shù)應(yīng)為[1]

接觸時(shí)的彈性變形是非常復(fù)雜的過程，實(shí)際應(yīng)用時(shí)還需考慮以下因素：1）滾動(dòng)接觸區(qū)材料變形速率的影響，變形速率較大時(shí)，ε將隨變形程度的增大而增大。2）滾動(dòng)接觸區(qū)材料塑性損耗的影響，當(dāng)法向壓力增大時(shí)，滾動(dòng)接觸區(qū)的法線的高應(yīng)力區(qū)完全可能會(huì)達(dá)到塑性流動(dòng)狀態(tài)，滾動(dòng)時(shí)，在接觸表面之下材料的每一個(gè)單元都經(jīng)歷了彈性→塑性→彈性的變化過程。因此，滾動(dòng)接觸表面一直承受彈性應(yīng)力，但始終也會(huì)引起明顯的塑性變形能量損耗。3）滾動(dòng)過程中的黏結(jié)點(diǎn)被迫分開時(shí)是垂直于黏結(jié)點(diǎn)界面的，即黏結(jié)點(diǎn)分不開過程中不存在黏結(jié)點(diǎn)增大現(xiàn)象。

2.2 靜摩擦因數(shù)的確定

滑動(dòng)摩擦是黏著結(jié)點(diǎn)的形成和剪切交替發(fā)生的過程[3]。黏著點(diǎn)在初始狀態(tài)下是微凸起體的接觸，在較大的黏著阻力作用下，接觸表面發(fā)生了拉伸變形，在微凸體破裂后，在新微凸體的局部壓力作用下，仍保持拉伸變形。不同的滑動(dòng)速度、表面粗糙度、溫度、濕度條件下表現(xiàn)出的黏著效應(yīng)不一樣，因此摩擦因數(shù)也是不一樣的，一般主要靠試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究。

3 滾輪優(yōu)化方法

1）夾緊力的提高。鉆桿的轉(zhuǎn)矩主要是靠夾緊力與摩擦因數(shù)產(chǎn)生，因此夾緊力的提高有助于提升旋扣鉗的轉(zhuǎn)矩[6]。但是轉(zhuǎn)矩的提高受以下幾個(gè)因素的制約：一是滾子在滾動(dòng)時(shí)，在接觸表面之下材料的每一個(gè)單元都經(jīng)歷了彈性→塑性→彈性的變化過程。不停的塑性變形也會(huì)引起能量損耗，轉(zhuǎn)矩太大導(dǎo)致塑性變形加劇旋扣馬達(dá)輸出功率的損耗。二是夾緊力太大導(dǎo)致鉆桿變形較大，滾子對(duì)夾本身造成自身卡阻，沒有將轉(zhuǎn)矩傳遞到螺紋接頭上，而是旋扣鉗自身能量內(nèi)耗。

2）摩擦因數(shù)的提高。從滾子與鉆桿的摩擦機(jī)理分析可知，不管滾動(dòng)摩擦還是滑動(dòng)摩擦因數(shù)，影響因素比較多，從理論上給出一個(gè)確切的數(shù)值比較困難，只能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。而且，影響摩擦因數(shù)的因素大部分是結(jié)構(gòu)的曲率半徑、彈性模量、泊松比等結(jié)構(gòu)材料的固有參數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)由于體積質(zhì)量設(shè)計(jì)的限制，往往無法實(shí)現(xiàn)大幅度的突破，目前常用的辦法是在滾子上開一些溝槽，加大局部變形，提高黏著效應(yīng)及彈性滯后阻力矩，但是往往出現(xiàn)損傷鉆桿的現(xiàn)象。因此只能考慮在材料上提高摩擦因數(shù)及耐磨性。

4 復(fù)合碳纖維材料性能研究

為此開發(fā)了一種以酚醛樹脂材料為基體加入高耐磨材料的簾線碳纖維材料，作為滾輪材料，如圖2所示。該材料為航天科技新材料，用纏繞工藝和模壓加工制成；輥?zhàn)訌较虺袎簽?80～420 MPa；輥?zhàn)訌较虺休d大于600 kN；輥?zhàn)幼畲蠊ぷ鳒囟葹?20 ℃，其硬度可根據(jù)加工工藝進(jìn)行調(diào)整，基體中加入的簾線可提高材料的耐磨性。

如圖3所示，在鐵鉆工上試驗(yàn)驗(yàn)證其對(duì)旋扣鉗轉(zhuǎn)矩性能，并與普通鋼制滾輪進(jìn)行了對(duì)比。

溫泉水電站位于新疆某河中游馬扎爾峽谷內(nèi)，水庫總庫容為2.07億m3，水電站總裝機(jī)容量為135 MW，以發(fā)電為主，多年平均年發(fā)電量7.61 億kWh。 工程為大（2）型Ⅱ等，大壩為1級(jí)建筑物。

4.1 轉(zhuǎn)速影響分析

試驗(yàn)是通過對(duì)滾輪的夾緊力保證一致，調(diào)整節(jié)流閥的大小使?jié)L輪的轉(zhuǎn)速為30、60、90 rad/min，測(cè)試滾輪上扣完成后靜止且不打滑時(shí)最大的上扣轉(zhuǎn)矩，并折算出旋扣鉗當(dāng)量靜摩擦因數(shù)。

由圖4可知：在相同載荷下，隨著速度的降低，滾輪靜止不打滑狀態(tài)下馬達(dá)的壓力變高，說明傳遞的轉(zhuǎn)矩有所增大，折算的當(dāng)量靜摩擦因數(shù)也有所提高。

圖2 新型材料滾輪

圖3 轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)圖

圖4 不同速度下的當(dāng)量靜摩擦因數(shù)

在旋扣滾子抱緊鉆桿旋轉(zhuǎn)上扣過程中，逐漸調(diào)低滾子的夾緊壓力，當(dāng)鉆桿與滾子開始打滑時(shí)，記錄滾子夾緊壓力及馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩，可折算出旋扣鉗當(dāng)量滾動(dòng)摩擦因數(shù)，通過試驗(yàn)可知，鋼滾輪在夾緊壓力16 MPa下打滑，瞬時(shí)馬達(dá)壓力為6 MPa，折算當(dāng)量動(dòng)摩擦因數(shù)為0.07；鋼滾輪在夾緊壓力9 MPa下打滑，瞬時(shí)馬達(dá)壓力為6 MPa，折算當(dāng)量動(dòng)摩擦因數(shù)為0.12。

在不同速度滾動(dòng)狀態(tài)下，馬達(dá)的壓力基本不變，說明夾緊壓力對(duì)當(dāng)量動(dòng)摩擦因數(shù)基本沒有影響。

4.2 夾緊壓力影響分析

滾輪的轉(zhuǎn)速保持額定90 rad/min不變，改變對(duì)滾輪的夾緊力（分別為10、15、21 MPa），與上述測(cè)試內(nèi)容相同，折算出旋扣鉗當(dāng)量靜摩擦因數(shù)。

由圖5可知：在相同載荷下，隨著夾緊壓力的增大，滾輪靜止不打滑狀態(tài)下馬達(dá)的壓力變高，說明傳遞的轉(zhuǎn)矩有所增大，但是折算的當(dāng)量靜摩擦因數(shù)基本不變，介于0.20～0.24之間；在滾動(dòng)狀態(tài)下，馬達(dá)的壓力基本不變，說明夾緊壓力對(duì)當(dāng)量動(dòng)摩擦因數(shù)基本沒有影響。

4.3 潤滑條件影響分析

油基環(huán)境下試驗(yàn)是在鉆桿上涂抹潤滑脂，模擬鉆桿在采用油基泥漿噴濺后與滾輪的摩擦效應(yīng)。在夾緊壓力為10、15、21 MPa、額定轉(zhuǎn)速為90 rad/min的條件下測(cè)試其當(dāng)量動(dòng)靜摩擦因數(shù)。

由圖6可知，油基泥漿工況下，該復(fù)合材料的當(dāng)量靜摩擦因數(shù)有所降低，但是相對(duì)于鋼滾子的靜摩擦因數(shù)0.096而言，提高近1倍。

圖5 不同速度下的當(dāng)量靜摩擦因數(shù)

圖6 不同速度下的當(dāng)量靜摩擦因數(shù)

由以上試驗(yàn)可以看出，采用該碳纖維復(fù)合材料的滾輪的當(dāng)量靜摩擦因數(shù)相對(duì)于鋼制滾輪可提升20%，當(dāng)量動(dòng)摩擦因數(shù)可提升近20%，可有效提升鐵鉆工的上卸扣效率。

5 結(jié)論

1）鐵鉆工旋扣鉗轉(zhuǎn)矩的提升可提高上卸扣效率，旋扣鉗轉(zhuǎn)矩是先克服滾動(dòng)摩擦，后克服靜摩擦以傳遞最大轉(zhuǎn)矩，影響摩擦力的因素主要有結(jié)構(gòu)、環(huán)境及材料因素。

2）開發(fā)的新型碳纖維材料滾輪的當(dāng)量靜摩擦因數(shù)比鋼制滾輪提高約1倍左右，有效提升了系統(tǒng)的旋扣轉(zhuǎn)矩，其摩擦因數(shù)隨著速度的減小而增大、隨著正壓力的增大而增大。

3）采用該材料的滾輪，可使得旋扣鉗的轉(zhuǎn)矩提升20%，可有效提升鐵鉆工的旋扣轉(zhuǎn)矩，從而增加了沖扣鉗的一次上卸扣成功率，提高了鐵鉆工的工作效率。

根據(jù)目前旋扣鉗的使用現(xiàn)狀，為了早日達(dá)到實(shí)現(xiàn)推廣使用碳纖維滾輪的目的，提出以下幾點(diǎn)發(fā)展建議：a.持續(xù)跟蹤該滾輪在油田進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)的情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的使用情況，以提升摩擦轉(zhuǎn)矩及提高耐磨性為目標(biāo)，持續(xù)優(yōu)化碳纖維配方及制造工藝，以提高在各種油田作業(yè)環(huán)境下的適用性。b.考慮優(yōu)化旋扣鉗滾輪的自動(dòng)化作業(yè)流程，初始時(shí)由于摩擦阻力小，應(yīng)該快速旋扣，到轉(zhuǎn)矩急劇增大時(shí)，應(yīng)該逐級(jí)降低旋扣速度，提高滾動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩，最終平滑過渡到靜摩擦，以避免打滑磨損。c.壓縮碳纖維制造成本，以滿足用戶的性價(jià)比需求。