頂驅(qū)通用型1 000 t拉伸試驗臺的研究與設(shè)計*

楊如意 于成龍 段立俊

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院)

0 引 言

作為鉆機(jī)的關(guān)鍵配套設(shè)備之一，鉆機(jī)頂部驅(qū)動裝置(以下簡稱頂驅(qū))是集機(jī)、電、液和智能化控制于一體的技術(shù)密集型產(chǎn)品，屬于當(dāng)今石油鉆井中的前沿裝備，其主要功能是驅(qū)動鉆柱旋轉(zhuǎn)、旋緊或松開鉆柱接頭、沿導(dǎo)軌上下移動完成鉆井作業(yè)。

頂驅(qū)的齒輪箱是整個頂驅(qū)傳動系統(tǒng)和主電機(jī)系統(tǒng)等的支撐部件，同時與吊環(huán)連接，承載鉆柱重力。提環(huán)是頂驅(qū)裝置重要的承載零件，銷軸通過提環(huán)與齒輪箱相連，上部吊裝在游車大鉤上，承擔(dān)頂驅(qū)和鉆柱的總體重力。根據(jù)GB/T 31049—2014《石油鉆機(jī)頂部驅(qū)動裝置》相關(guān)規(guī)定，頂驅(qū)出廠和大修后應(yīng)對齒輪箱、提環(huán)及吊環(huán)等承載部件進(jìn)行1.5倍額定載荷拉伸試驗，確保頂驅(qū)使用的安全性和可靠性。

目前國內(nèi)市場常用的頂驅(qū)為40、50及70型頂驅(qū)，70型頂驅(qū)額定載荷4 500 kN，頂驅(qū)生產(chǎn)廠家包括北石、天意、景宏以及美國Varco?？紤]到頂驅(qū)拉伸載荷試驗的必要性和頂驅(qū)類型的多樣性[1-2]，本文開展了頂驅(qū)通用型拉伸試驗臺技術(shù)的研究工作，并制定了相應(yīng)的技術(shù)方案。

1 技術(shù)分析

1.1 整體結(jié)構(gòu)

圖1為拉伸試驗臺主體功能實現(xiàn)設(shè)計圖。該試驗臺的主體設(shè)計思路為：利用液壓升降平臺調(diào)整頂驅(qū)放置高度；通過兩個牽引車連接頂驅(qū)兩端提環(huán)和吊環(huán)，從而固定頂驅(qū)；利用計算機(jī)處理系統(tǒng)通過控制PLC，調(diào)節(jié)液壓缸伸縮帶動連桿，對頂驅(qū)施加載荷；傳感器檢測拉力和位移信號并傳輸?shù)接嬎銠C(jī)處理系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)顯示試驗結(jié)果。

圖1 拉伸試驗臺主體功能實現(xiàn)設(shè)計圖Fig.1 The design diagram of the main function realization of the tensile test bench

根據(jù)以上設(shè)計思路，利用Solidworks軟件構(gòu)建了拉伸試驗臺三維模型，如圖2所示。該頂驅(qū)通用型1 000 t拉伸試驗臺整體采用臥式結(jié)構(gòu)，可對70型及其以下型號頂驅(qū)進(jìn)行1.5倍額定載荷拉伸試驗。試驗臺主要由主機(jī)架、位移及拉力檢測系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)及計算機(jī)處理系統(tǒng)等部分組成。

通過對試驗臺應(yīng)力集中部位進(jìn)行理論計算，并使用Solidworks軟件進(jìn)行強(qiáng)度校核，最終確定試驗臺主體材料選用Q345B，耳板結(jié)構(gòu)及其附近高應(yīng)力區(qū)域與應(yīng)力集中處材料選用Q460，應(yīng)力過大的筋板材料選用Q690。

1.2 工作原理

拉伸試驗臺將頂驅(qū)提環(huán)一端固定，另一端通過PLC控制系統(tǒng)控制電液伺服閥的啟閉，使液壓缸活塞桿帶動頂驅(qū)吊環(huán)一側(cè)進(jìn)行拉伸。

拉伸工藝流程為：確定試驗頂驅(qū)類型后，一方面作業(yè)人員將頂驅(qū)平臥放置在升降平臺上，根據(jù)試驗臺拉伸方向水平線的高度確定頂驅(qū)升降位置，選用相應(yīng)的吊環(huán)工裝匹配接口，將頂驅(qū)與試驗臺進(jìn)行連接，然后通過銷軸固定牽引車，并在牽引車處安裝位移傳感器；另一方面，在計算機(jī)軟件控制系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)的頂驅(qū)拉伸載荷及保載時間等參數(shù)，待頂驅(qū)安裝完畢后，安裝防護(hù)罩，啟動控制程序開始試驗[3-9]。

程序啟動后，試驗臺油缸開始動作，逐漸拉緊工件，并按照設(shè)定的保載值和保載時間自動調(diào)節(jié)伸縮速度，同時在計算機(jī)顯示屏上生成相應(yīng)的拉力和位移隨時間的變化曲線。試驗過程中一旦發(fā)生拉力突然減小、位移變化量突然增大的情況，破斷保護(hù)機(jī)構(gòu)動作，系統(tǒng)立即卸載，防止對拉伸工件造成進(jìn)一步的損壞。試驗結(jié)束后可打印試驗曲線，便于后續(xù)分析和討論。試驗臺控制系統(tǒng)工作流程示意圖如圖3所示。

圖3 拉伸試驗臺控制系統(tǒng)工作流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of the work flow of the control system of the tensile test bench

1.3 主要技術(shù)特點

(1)利用牽引車和布距固定牽引車實現(xiàn)試驗臺對不同長度頂驅(qū)的兼容性，首先根據(jù)頂驅(qū)的長度確定布距固定牽引車的位置，用銷軸將其與主機(jī)架固定，再將頂驅(qū)提環(huán)與牽引車通過牽引銷固定，保證不同長度的頂驅(qū)都可以在試驗臺進(jìn)行試驗。

(2)采用雙組液壓升降臺系統(tǒng)實現(xiàn)試驗臺對不同高度頂驅(qū)的兼容性，根據(jù)不同類型頂驅(qū)設(shè)定不同的升降高度，使試驗臺拉伸方向能夠始終與頂驅(qū)中心在同一水平線上。

(3)打破拉力測量的固有觀念，采用反壓式傳感器測量系統(tǒng)，拉力測量范圍大，占用空間小。

(4)采用電液伺服系統(tǒng)，將電控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)結(jié)合，通過PLC系統(tǒng)控制電磁換向閥等閥組與油泵電機(jī)的配合動作，實現(xiàn)試驗臺的逐級保載及連續(xù)加載功能。

(5)通過軟件設(shè)置相應(yīng)頂驅(qū)的載荷參數(shù)，并能根據(jù)需要選擇拉伸試驗的自動/手動控制方式。

1.4 主要技術(shù)參數(shù)

公稱拉力10 000 kN，測量范圍2～100%FS(連續(xù)全程測量)，測量精度±1%；位移行程1 000 mm，測量精度±1%FS；最大測試尺寸(長×寬×高)6 500 mm×2 150 mm×1 100 mm；外形尺寸(長×寬×高) 21 500 mm×3 300 mm×2 000 mm；適合頂驅(qū)類型225～450 t。

2 拉伸試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 主機(jī)架

根據(jù)北石、景宏、天意及Varco等公司設(shè)計的頂驅(qū)外形尺寸，確定了拉伸試驗臺被測試產(chǎn)品最大尺寸為6 344 mm×1 875 mm×1 400 mm。試驗臺主機(jī)架整體結(jié)構(gòu)由主機(jī)梁、防護(hù)罩、布距固定牽引車、牽引小車、底座及地腳螺栓等組成(見圖4)。主機(jī)架底座通過地腳螺栓與地面連接固定。整機(jī)全長16 920 mm，總高度1 820 mm。

1—防護(hù)罩；2—主機(jī)梁；3—底座；4—牽引小車；5—布距固定牽引車。

主機(jī)梁與布距固定牽引車通過銷軸進(jìn)行連接，布距固定牽引車(見圖5)利用滑輪結(jié)構(gòu)可在主機(jī)梁上實現(xiàn)每步500 mm移動，并通過操作桿控制布距銷軸的伸縮，實現(xiàn)其與主機(jī)梁的連接固定，從而將拉伸載荷傳導(dǎo)到主機(jī)梁上。牽引小車一端通過吊環(huán)工裝與頂驅(qū)連接，另一端與加載系統(tǒng)進(jìn)行螺栓連接，從而實現(xiàn)對頂驅(qū)工件的牽引。

1—布距銷軸；2—操作桿；3—滑輪；4—工裝接口。

2.2 加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)由液壓缸、承載拉桿、牽引拉桿、各部分連接件和滑道等組成，結(jié)構(gòu)如圖6所示。它通過液壓缸活塞桿逐步帶動承載拉桿、活塞桿連接件、牽引車連接件及負(fù)載側(cè)連接件在滑道上運(yùn)動，通過牽引拉桿帶動牽引小車向頂驅(qū)工件傳遞載荷，并對頂驅(qū)進(jìn)行拉伸，從而實現(xiàn)加載功能[10]。

液壓缸包括缸體、活塞桿和加強(qiáng)箍3部分，兩側(cè)設(shè)置為法蘭結(jié)構(gòu)，以與試驗臺連接，加強(qiáng)箍厚度為20 mm，作用是防止缸體變形。液壓缸額定壓力為26 MPa，活塞桿行程為1 000 mm[11]。

2.3 升降平臺

起升平臺由頂板、底板、支臂、套筒和液壓缸等組成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。通過調(diào)節(jié)液壓缸伸縮長度來調(diào)節(jié)升降臺高度。每個套筒與兩個支臂組合，以滿足升降時支架的長度要求。起升平臺單只載荷為60 kN，升降行程700 mm。

2.4 信號采集系統(tǒng)

頂驅(qū)拉伸試驗主要監(jiān)測施加載荷值和位移變化量兩個參數(shù)，因此信號采集系統(tǒng)主要選用拉伸傳感器和位移傳感器進(jìn)行信號采集和傳輸[12]。

2.4.1 拉伸傳感器

市場上常用拉力檢測傳感器為S式傳感器，體積較大，強(qiáng)度較低，本文研選了輪輻式應(yīng)變傳感器。該傳感器外形扁而大、強(qiáng)度高，通過采用反壓式連接結(jié)構(gòu)將其安裝在試驗臺中，不僅可實現(xiàn)載荷檢測功能，同時也減少了試驗臺占用的空間。

1—頂板；2—液壓缸；3—套筒；4—支臂；5—底板。

2.4.2 位移傳感器

本文選用了光電編碼式位移傳感器。試驗時在頂驅(qū)安裝完畢后將其固定在牽引車上，精準(zhǔn)測量頂驅(qū)拉伸工件的位移變化量，為拉伸工件的試驗結(jié)果提供可靠依據(jù)。

3 控制系統(tǒng)及功能設(shè)計

3.1 液壓系統(tǒng)

試驗臺配套液壓系統(tǒng)主要采用電控液原理，主要由油箱、油泵電機(jī)組、手動控制閥、自動控制閥、手動回油閥、電磁換向閥、高壓球閥、管路、濾清裝置、安全保護(hù)裝置、壓力表和液位計等組成。其中：液位計為上下雙聯(lián)液位計，安裝在油箱右側(cè)，用來觀察液面高度；安全保護(hù)裝置由溢流閥和安全閥等組成，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過調(diào)定壓力時，溢流閥和安全閥會自動卸載以保障液壓系統(tǒng)的安全；液壓源正面裝有控制箱，控制箱內(nèi)裝有空氣開關(guān)和啟動按鈕，并設(shè)有手動控制閥和手動回油閥旋鈕。液壓系統(tǒng)額定工作壓力26 MPa，安全閥調(diào)定壓力31 MPa，額定流量3.5 L/min，電動機(jī)功率18 kW。拉伸試驗臺液壓系統(tǒng)原理圖如圖8所示。

圖8 拉伸試驗臺液壓系統(tǒng)原理圖Fig.8 Schematic diagram of the hydraulic system of the tensile test bench

通過自動和手動兩種控制方式控制液壓缸活塞的伸縮速率和伸縮長度，實現(xiàn)試驗臺的連續(xù)加載和逐級保載功能，步驟如下。

(1)手動控制閥、手動回油閥與電磁換向閥組合使用，實現(xiàn)加載和卸載。頂驅(qū)安裝完畢后，應(yīng)先將兩個高壓球閥打開。然后合上控制箱空開，工作人員在控制軟件中進(jìn)行如下操作：將24 V電信號傳輸給三位四通電磁閥開啟位，檢查三位四通比例電磁閥關(guān)閉位，并且在確定手動回油閥已關(guān)閉后按下控制箱上啟動按鈕，啟動油泵電機(jī)；通過手動操作控制箱上的手動控制閥旋鈕實現(xiàn)加載和卸載(活塞的前進(jìn)、后退)，順時針旋轉(zhuǎn)旋鈕，送油流量/加載速度變小直至為0，反之送油流量/加載速度增大。液壓控制系統(tǒng)通過對電機(jī)、三位四通閥及液控單向閥等的控制，可以實現(xiàn)26 MPa油壓的控制輸入。試驗結(jié)束后打開手動回油閥回油，液壓缸恢復(fù)初始狀態(tài)。

(2)自動控制閥通過計算機(jī)進(jìn)行控制，實現(xiàn)試驗臺力/位移的自動控制[13]。在自動控制方式下，仍需先將兩個高壓球閥打開，合上控制箱空開，確認(rèn)手動控制閥、手動回油閥和三位四通電磁閥已關(guān)閉。按下控制箱上啟動按鈕，啟動油泵電機(jī)，同時通過控制軟件輸入相應(yīng)保載參數(shù)，啟動自動控制程序，將24 V電信號傳輸?shù)饺凰耐ū壤姶砰y進(jìn)行閥門開度自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)液壓缸加載的自動控制。

3.2 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)采用VC++語言編程開發(fā)專用軟件，能夠設(shè)置相應(yīng)保載參數(shù)、破斷參數(shù)，以及進(jìn)行試驗力、位移的測量控制及數(shù)據(jù)處理，并且可對材料試驗的全過程進(jìn)行監(jiān)控，具有曲線、數(shù)據(jù)存儲功能及曲線放大功能[14]。圖9為參數(shù)設(shè)置界面。圖10為控制面板和曲線顯示界面。

圖9 參數(shù)設(shè)置界面Fig.9 Parameter setting inferface

圖10 控制面板和曲線顯示界面Fig.10 Control panel and curve display interface

電控系統(tǒng)硬件采用全新一代PLC SIMATIC S7-1500組件模塊。其中：電源模塊設(shè)置高低壓隔離的直流穩(wěn)壓雙電源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)PLC系統(tǒng)供電電源穩(wěn)定輸出；AI/DI輸入模塊通過采用信號放大、A/D轉(zhuǎn)換方法，完成多路模擬量和數(shù)字量信號的處理；AO/DO輸出模塊采用光電輸出、D/A信號轉(zhuǎn)換及功率二次放大的方法，完成多信號源控制[15-16]。電控系統(tǒng)控制液壓系統(tǒng)動作，實現(xiàn)試驗臺拉伸功能，其控制策略如圖11所示。

圖11 電控系統(tǒng)控制策略流程圖Fig.11 Flow chart of control strategy of electronic control system

4 實際應(yīng)用

2020年5月在某車間使用頂驅(qū)通用型1 000 t拉伸試驗臺對某40型頂驅(qū)進(jìn)行了齒輪箱大修后拉伸試驗，設(shè)定最大試驗載荷為3 375 kN(1.5倍額定載荷)。試驗結(jié)果表明，頂驅(qū)齒輪箱、提環(huán)和吊環(huán)等承載部件試驗過程中無位移變化量(即無形變)，頂驅(qū)強(qiáng)度滿足使用要求。

試驗結(jié)束24 h內(nèi)，分別使用磁粉探傷儀和超聲波探傷儀對頂驅(qū)承載部件進(jìn)行了表層探傷和內(nèi)部探傷，探傷結(jié)果良好，頂驅(qū)承載部件無損傷，驗證了拉伸試驗臺試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論及認(rèn)識

(1)設(shè)計的頂驅(qū)通用型1 000 t拉伸試驗臺利用牽引車、布距固定牽引車和升降平臺的組合安裝方式，克服了因尺寸不同而無法兼測多類型頂驅(qū)拉伸性能的難題，實現(xiàn)了70型及其以下類型頂驅(qū)兼容性拉伸檢測。

(2)為拉伸試驗臺開發(fā)的軟件系統(tǒng)可根據(jù)實際需要選擇自動、手動控制方式，具體為：通過計算機(jī)軟件控制系統(tǒng)+三位四通比例電磁閥組合實現(xiàn)自動控制，提高系統(tǒng)控制精度；通過手動控制閥+手動回油閥+三位四通電磁閥組合使用實現(xiàn)手動控制，以滿足自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，可采用手動控制方式進(jìn)行拉伸試驗的要求，并充分滿足拉伸工件的逐級保載、連續(xù)加載等多種試驗功能要求，能夠最大化地模擬頂驅(qū)現(xiàn)場實際工況，使試驗結(jié)果更具可靠性。

(3)試驗臺應(yīng)用結(jié)果表明：該試驗臺具備頂驅(qū)拉伸性能檢測能力，操作簡便，可實時顯示和打印試驗結(jié)果，同時安全性高，具有檢測破斷后自動卸載等功能。目前，該拉伸試驗臺僅考慮進(jìn)行頂驅(qū)拉伸試驗的需求，若要同時兼容鉆桿和套管等工件的拉伸試驗，可對整體尺寸采取進(jìn)一步優(yōu)化的方式，同時還可根據(jù)需要增加拉伸工件應(yīng)變檢測系統(tǒng)，對工件的應(yīng)力集中點進(jìn)行實時顯示和應(yīng)力監(jiān)測。