海洋鉆機(jī)自動(dòng)排管機(jī)液壓吊卡的設(shè)計(jì)

張曉軍

（遼寧多米實(shí)業(yè)有限公司，遼寧 盤錦 124010）

0 引言

海洋鉆井平臺(tái)在鉆井作業(yè)過(guò)程中，需要將鉆具（包括鉆桿、鉆鋌和套管等，以下統(tǒng)稱鉆桿）由懸臂梁堆場(chǎng)移運(yùn)到鉆臺(tái)，再將鉆桿單根連接成立根，已連接好的立根可直接用于鉆井，也可直接排進(jìn)指梁備用，即鉆桿的移運(yùn)、排放操作[1]。

鉆具智能移運(yùn)排放系統(tǒng)是海洋鉆井平臺(tái)的重要組成部分，用于鉆井過(guò)程中對(duì)鉆桿進(jìn)行自動(dòng)化、智能化處理，主要包括鉆具抓取過(guò)程、鉆具輸送過(guò)程、鉆具組合過(guò)程和鉆具排放過(guò)程[2]。傳統(tǒng)的鉆具移運(yùn)排放操作方式主要靠普通起重機(jī)和氣動(dòng)絞車等設(shè)備，需要工作人員直接與鉆桿接觸，在鉆具的起吊、輸送和起下鉆過(guò)程中，司鉆、鐵架工和井臺(tái)鉆工手動(dòng)緊密配合，稍有不慎就可能導(dǎo)致事故，同時(shí)需要大量的人力物力。自動(dòng)排管機(jī)是鉆具智能移運(yùn)排放系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)，液壓吊卡是自動(dòng)排管機(jī)的核心部件。液壓吊卡安裝在上機(jī)械臂夾頭下端，在排管機(jī)工作過(guò)程中液壓吊從貓道抓取單根后，把單根從水平狀態(tài)旋轉(zhuǎn)到豎直狀態(tài)，再放置到鼠洞中。液壓吊卡主要由上部滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、支承梁、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、支承臂、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、卡碗翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和扶正機(jī)構(gòu)構(gòu)成。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)實(shí)際使用工況，確定自動(dòng)排管機(jī)液壓吊卡的總體設(shè)計(jì)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 液壓吊卡總體參數(shù)表

1.1 上部滑動(dòng)機(jī)構(gòu)

上部滑動(dòng)機(jī)構(gòu)是在液壓吊卡受力的時(shí)候，起到一個(gè)緩沖作用[3]，是主要承力部件，上部滑動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表 2。

表2 上部滑動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)表

1.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要是依據(jù)單根的走向，實(shí)時(shí)調(diào)整液壓吊卡的角度，主要起到被動(dòng)導(dǎo)向的作用，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)表見(jiàn)表3。

表3 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)表

1.3 吊卡翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

吊卡翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要是為了使吊卡與單根接頭角度一致，利用翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)調(diào)整吊卡角度，以便吊卡卡住單根接頭，吊卡翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)表見(jiàn)表 4。

表4 吊卡翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)表

1.4 卡碗翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

液壓吊卡卡碗翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與下機(jī)械臂夾頭卡碗翻轉(zhuǎn)相同，主要是為了使單根不外滑?？ㄍ敕D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)表見(jiàn)表 5。

表5 卡碗翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)表

1.5 扶正機(jī)構(gòu)

液壓吊卡扶正機(jī)構(gòu)主要是為了方便吊卡在合適位置卡住單根接頭，同時(shí)也起到安全保護(hù)作用，扶正機(jī)構(gòu)參數(shù)表見(jiàn)表 6。

表6 扶正機(jī)構(gòu)參數(shù)表

2 傳動(dòng)方案

液壓吊卡安裝在上機(jī)械臂抓頭下面，在排管機(jī)工作過(guò)程中液壓吊從貓道機(jī)抓取單根后，把單根從水平狀態(tài)旋轉(zhuǎn)到豎直狀態(tài)，再放置到鼠洞中[4]。液壓吊卡主要由上部滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、支承梁、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、支承臂、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、方碗翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和扶正機(jī)構(gòu)構(gòu)成，均采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。

2.1 上部滑動(dòng)機(jī)構(gòu)

上部滑動(dòng)機(jī)構(gòu)作用有2個(gè)：1）液壓吊卡在貓道機(jī)提取單根時(shí)，上部滑動(dòng)機(jī)構(gòu)解鎖，以便液壓吊卡對(duì)正單根接頭。2）在鼠洞口2個(gè)單根上卸扣時(shí)，上部滑動(dòng)機(jī)構(gòu)可補(bǔ)償一個(gè)單根絲扣長(zhǎng)度。上部滑動(dòng)機(jī)構(gòu)液壓缸缸體與上機(jī)械臂抓頭連接，活塞與液壓吊卡支承梁連接[5]。采用液壓缸驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)如圖1（b）所示。

圖1 液壓吊卡機(jī)構(gòu)圖

驅(qū)動(dòng)能力計(jì)算如下。液壓缸伸出時(shí)推力：

式中：P為液壓站推缸壓力值；A為液壓缸推缸受力面積。

液壓缸縮回時(shí)拉力：

式中：P為液壓站縮缸壓力值；A為液壓缸縮缸受力面積。

2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作用如下。排管機(jī)在貓道機(jī)上提取單根時(shí)，液壓吊卡通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)調(diào)整吊卡角度，以便吊卡提取單根。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的液壓缸缸體與螺旋導(dǎo)向槽連接，回轉(zhuǎn)軸承外圈與支承梁連接，內(nèi)圈與支承臂連接，支承梁再與螺旋導(dǎo)向槽連接[6]，當(dāng)液壓缸活塞桿伸出時(shí)，活塞桿上的橫銷就沿著螺旋導(dǎo)向槽滑動(dòng)且發(fā)生旋轉(zhuǎn)，活塞桿上的導(dǎo)向鍵可沿支承臂軸向滑動(dòng)，這樣就實(shí)現(xiàn)支承臂旋轉(zhuǎn)。

驅(qū)動(dòng)能力計(jì)算如下。液壓缸伸出時(shí)推力：

式中：P為液壓站推缸壓力值；A為液壓缸推缸受力面積。

液壓缸縮回時(shí)拉力：

式中：P為液壓站縮缸壓力值；A為液壓缸縮缸受力面積。

液壓缸活塞桿伸出或縮回時(shí)，要克服摩擦力矩。當(dāng)活塞桿伸出時(shí)，液壓吊卡下面無(wú)負(fù)載只有吊卡重，此時(shí)摩擦力矩大小不計(jì)，當(dāng)活塞桿縮回時(shí)，液壓吊卡下面承載35 kN，此時(shí)的摩擦力矩計(jì)算如下。

由球軸承計(jì)算如下。

垂向載荷：

式中：回轉(zhuǎn)負(fù)載質(zhì)量m=3500kg；查手冊(cè)取軸承徑向摩擦系數(shù)為ua=0.003；查手冊(cè)取軸承軸向摩擦系數(shù)為ur=0.005；負(fù)載回轉(zhuǎn)半徑為r=298 mm。

而活塞桿縮回時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩：

得：M驅(qū)>M摩擦

2.3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的作用如下。當(dāng)液壓吊卡在貓道機(jī)提取單根時(shí)，單根一端被貓道推桿抬起，為了使吊卡與單根接頭角度一致，利用翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)調(diào)整吊卡角度，以便吊卡卡住單根接頭。采用液壓缸驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)能力計(jì)算如下。

液壓缸伸出時(shí)推力：

式中：P為液壓站推缸壓力值；A為液壓缸推缸受力面積。

液壓缸縮回時(shí)拉力：

式中：P為液壓站縮缸壓力值；A為液壓缸縮缸受力面積。

液壓吊卡在貓道機(jī)上提取單根后，隨后單根就被液壓吊卡提起，由傾斜逐漸變豎直，此時(shí)單根在自重作用下旋轉(zhuǎn)，此時(shí)需要翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓缸拉力很小，而翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓缸與吊卡之間是索具連接，保證翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓缸不損壞。

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)受力計(jì)算：

由力矩平衡方程得

式中：F2為翻轉(zhuǎn)力；G為負(fù)載。

該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于吊卡自重及液壓缸拉力。

2.4 卡碗翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

液壓吊卡卡碗翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)計(jì)算與下機(jī)械臂夾頭卡碗翻轉(zhuǎn)相同。

2.5 扶正機(jī)構(gòu)

扶正機(jī)構(gòu)的作用如下。當(dāng)液壓吊卡在貓道機(jī)提取單根時(shí)，液壓吊卡扶正機(jī)構(gòu)可方便吊卡在合適位置卡住單根接頭，同時(shí)也起到保護(hù)作用。扶正機(jī)構(gòu)由2組對(duì)稱設(shè)計(jì)的液壓缸驅(qū)動(dòng)杠桿組成。采用液壓缸驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)。

驅(qū)動(dòng)能力計(jì)算如下。液壓缸伸出時(shí)推力：

式中：P為液壓站推缸壓力值；A為液壓缸推缸受力面積。

液壓缸縮回時(shí)拉力：

式中：P為液壓站縮缸壓力值；A為液壓缸縮缸受力面積。

3 驅(qū)動(dòng)元件設(shè)計(jì)選型

3.1 上部滑動(dòng)機(jī)構(gòu)液壓缸參數(shù)確定

根據(jù)負(fù)載情況及結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算，對(duì)上部滑動(dòng)機(jī)構(gòu)液壓缸參數(shù)進(jìn)行確定，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 上部滑動(dòng)機(jī)構(gòu)液壓缸參數(shù)表

3.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓缸參數(shù)確定

根據(jù)負(fù)載情況及結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算，對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓缸參數(shù)進(jìn)行確定，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表8。

表8 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓缸參數(shù)表

3.3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓缸參數(shù)確定

根據(jù)負(fù)載情況及結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算，對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓缸參數(shù)進(jìn)行確定，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表9。

表9 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓缸參數(shù)表

3.4 吊卡方碗翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓缸參數(shù)確定

液壓吊卡方碗翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓缸與下機(jī)械臂抓頭卡碗翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓缸相同，對(duì)吊卡方碗翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓缸參數(shù)進(jìn)行確定，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表10。

表10 吊卡方碗翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓缸參數(shù)表

3.5 扶正機(jī)構(gòu)液壓缸參數(shù)確定

根據(jù)負(fù)載情況及結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算，對(duì)扶正機(jī)構(gòu)液壓缸參數(shù)進(jìn)行確定，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表11。

表11 扶正機(jī)構(gòu)液壓缸參數(shù)表

4 結(jié)論

根據(jù)該文所述，自動(dòng)排管機(jī)液壓吊卡的設(shè)計(jì)從根本上解決了海洋鉆機(jī)鉆具自動(dòng)抓取、轉(zhuǎn)移、定位和排放的難題。根據(jù)對(duì)受力件的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算和驗(yàn)證可知，液壓吊卡在使用過(guò)程中安全可靠。通過(guò)試驗(yàn)證明，排管機(jī)液壓吊卡的各項(xiàng)參數(shù)和性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)后經(jīng)檢查，結(jié)構(gòu)件沒(méi)有彎曲和變形，焊縫表面和內(nèi)部均未見(jiàn)裂紋。

該排管機(jī)液壓吊卡配套于某公司生產(chǎn)的海洋鉆井平臺(tái)鉆具智能移運(yùn)排放系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用于某公司建造的TZ400自升式海洋鉆井平臺(tái)，該系統(tǒng)于2017年6月完成廠內(nèi)調(diào)試，2018年3月安裝于TZ400自升式海洋鉆井平臺(tái)，目前正在墨西哥灣鉆井，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。