牛文杰，白永濤，余焱群，王運安，徐國慧

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 機電工程學(xué)院，山東 青島 266580；2. 山東科瑞石油裝備有限公司，山東 東營 257067)

新型對開式動力吊卡的研制

牛文杰1，白永濤1，余焱群1，王運安2，徐國慧1

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 機電工程學(xué)院，山東 青島 266580；2. 山東科瑞石油裝備有限公司，山東 東營 257067)

為了提高修井作業(yè)的效率以及自動化程度，改善現(xiàn)有修井作業(yè)環(huán)境，配合全自動智能液壓修井機的研制，根據(jù)自動吊卡的使用環(huán)境及作業(yè)工況設(shè)計了一種新型對開式動力吊卡.通過運動學(xué)計算確定吊卡關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸.利用ABAQUS有限元分析軟件，對吊卡在實際作業(yè)中的載荷狀況進(jìn)行模擬加載及分析計算.結(jié)果表明，吊卡在力學(xué)強度、疲勞壽命方面滿足使用需求，這為吊卡的實際使用提供了依據(jù).

修井作業(yè)；動力吊卡；結(jié)構(gòu)設(shè)計；運動學(xué)；力學(xué)強度；疲勞分析

隨著人類對能源的需求越來越多，石油在人類的生活中扮演了重要的角色.目前國內(nèi)大部分油田已經(jīng)進(jìn)入“三高”時期，修井作業(yè)已成為油田穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的重要措施[1].然而修井作業(yè)設(shè)備發(fā)展比較緩慢.

為了確保修井設(shè)備作業(yè)的安全可靠性、高效性并提高其自動化程度，筆者課題組設(shè)計了一種全自動智能液壓修井機.該修井機實現(xiàn)了雙根立式自動化排放管柱的作業(yè)模式，并兼容傳統(tǒng)修井作業(yè)模式，實現(xiàn)了修井作業(yè)的自動化.其中，在管柱起升系統(tǒng)中，新型自動化吊卡對于實現(xiàn)修井作業(yè)自動化具有重要的意義.

現(xiàn)有的吊卡主要分為手動吊卡和動力吊卡.其中，手動吊卡在作業(yè)過程中需修井作業(yè)人員來回拆、搬、掛吊卡重復(fù)性機械式操作，作業(yè)勞動強度大、自動化程度低，且無法使用同一個吊卡完成不同尺寸油桿管的作業(yè)，作業(yè)成本高[2].隨著科技的發(fā)展，動力吊卡[3]逐漸應(yīng)用于自動化修井作業(yè)中，如寶雞石油機械公司設(shè)計的側(cè)開式動力吊卡[4]、大慶油田及大慶石油學(xué)院共同研制的輕便式筒式吊卡[5]及美國的DEN-CON公司研發(fā)的BX-5產(chǎn)品等.但現(xiàn)有自動化動力吊卡由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備笨重、成本高等原因，沒有被廣泛應(yīng)用于油田.為了適應(yīng)自動化修井作業(yè)設(shè)備的迅猛發(fā)展，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、自動化程度高的動力吊卡顯得尤為重要.

1 對開式動力吊卡工作原理

本文設(shè)計了一款新型對開式動力吊卡，該裝置用液壓動力代替井口人工操作，實現(xiàn)了升降管柱操作的自動化，減少了井口作業(yè)人員的勞動強度.該吊卡可通過更換吊卡舌的方式，提升以及下放管徑范圍為19～114 mm的油管與抽油桿，具有適用管徑范圍廣等優(yōu)點，在“一卡多用”及自動化性能方面取得了新突破.

1.1 設(shè)計參數(shù)

全自動智能液壓修井機定位于小噸位修井機，以油田小修作業(yè)為設(shè)計目標(biāo)，最大作業(yè)井深為3 000 m.該修井機主要包括：載車變幅-支撐系統(tǒng)、管柱自動提放系統(tǒng)、管柱自動運移排放系統(tǒng)、自動化井口系統(tǒng).為適應(yīng)修井機的使用需求，參照J(rèn)B/T 6926—93《吊卡》，則吊卡的設(shè)計參數(shù)設(shè)定如表1所示.

表1 吊卡設(shè)計參數(shù)表

1.2 吊卡結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的對開式動力吊卡主要適用于油田鉆采作業(yè)過程，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示.

1.3 吊卡工作原理

吊卡的工作主要分為夾緊管柱和釋放管柱兩個過程，其工作原理如圖2所示.

在吊卡夾緊管柱時，當(dāng)油管接箍進(jìn)入吊卡中心主通徑時，液壓缸推動AC桿(主動連桿)順時針旋轉(zhuǎn)，帶動CD桿(旋轉(zhuǎn)軸與撥叉)運動，其中CD桿與滑塊(左吊卡舌)通過滑動副連接，撥動滑塊向中心運動；當(dāng)AC桿(主動連桿)順時針旋轉(zhuǎn)時，帶動BF桿(傳動連桿)，使BF桿(傳動連桿)牽引著EF桿(從動連桿)逆時針運動，同時EF桿帶動EG桿(旋轉(zhuǎn)軸與撥叉)逆時針旋轉(zhuǎn)，撥動滑塊(右吊卡舌)向中心運動，左右吊卡舌相互協(xié)調(diào)完成管柱的夾緊動作.

1—液壓缸；2—傳動連桿；3—主動連桿；4—旋轉(zhuǎn)軸；5—吊卡基座；6—左吊卡舌；7—右吊卡舌；8—傳動撥叉；9—從動連桿；10—轉(zhuǎn)軸圖1 動力吊卡結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Composition of elevator structure

圖2 對開式動力吊卡工作原理示意圖Fig.2 The principle of split-type power elevators

在吊卡放松油管時，其操作與上述動作相反.

由API 5 CT/ISO 11960:2001《套管和油管規(guī)范》可知，當(dāng)前，油田采用的油管有端部臺階型及錐面型兩種，當(dāng)?shù)蹩ㄌ嵘F面型油管時，油管自重會對吊卡舌產(chǎn)生向兩側(cè)的推力，普通的對開式吊卡不能適用于這種工況.為了同時滿足兩種不同類型的油管起升需求，本文將吊卡基座設(shè)計為斜面，能夠?qū)崿F(xiàn)油管吊卡舌的自鎖.

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計

2.1 傳動連桿尺寸參數(shù)確定

為確保吊卡在作業(yè)過程中左右吊卡舌動作同步，現(xiàn)對吊卡傳動系統(tǒng)的四連桿機構(gòu)進(jìn)行設(shè)計.在各個構(gòu)件中心處建立固定于構(gòu)件中心的局部笛卡爾坐標(biāo)系xi-yi與全局坐標(biāo)系x-y，如圖3所示，其坐標(biāo)原點為O1點.

圖3 吊卡傳動系統(tǒng)模型的坐標(biāo)系Fig.3 The coordinate system of elevator drive system model

根據(jù)構(gòu)件的廣義笛卡爾坐標(biāo)系與固定笛卡爾坐標(biāo)系之間的關(guān)系，確定構(gòu)件的D-H[6]參數(shù)表.吊卡傳動系統(tǒng)的構(gòu)件運動約束與參數(shù)如表2所示.

表2 吊卡傳動系統(tǒng)的D-H參數(shù)表

表2中：θ為構(gòu)件局部笛卡爾坐標(biāo)系與固定笛卡爾坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)角，均以逆時針方向旋轉(zhuǎn)為正；x為構(gòu)件局部笛卡爾坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點在固定坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)；y為構(gòu)件局部笛卡爾坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點在固定坐標(biāo)系的縱坐標(biāo)；L為構(gòu)件的長度.

依據(jù)構(gòu)件裝配條件，建立吊卡傳動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)等效約束模型：構(gòu)件1上的Q1點與固定笛卡爾坐標(biāo)系x-y的坐標(biāo)原點O1重合，其代數(shù)約束方程為

(1)

同理，根據(jù)構(gòu)件上的鉸接點之間的重合關(guān)系，建立相應(yīng)的代數(shù)約束方程為

(2)

(3)

(4)

固定桿件長度的約束方程為

(5)

取q=[x1,y1,θ1,x2,y2,θ2,x3,y3,θ3,L2]，則組合的運動學(xué)約束方程為

(6)

式(6)中各個約束方程是獨立的[7]，系統(tǒng)的自由度為3n-(2p1+ph),其中，n為活動構(gòu)件數(shù)目，p1為低副個數(shù)，ph為高副個數(shù).傳動系統(tǒng)具有一個自由度，需要加以驅(qū)動約束.在吊卡作業(yè)過程中，構(gòu)件1在驅(qū)動的作用下以角速度ω轉(zhuǎn)動，則有驅(qū)動約束為

ΦD(q(t),t)=θ1-ωt

(7)

由式(6)和(7)確定吊卡傳遞系統(tǒng)的運動學(xué)方程為

(8)

在任意瞬時ti，對式(8)兩邊關(guān)于時間微分，得角速度方程[8]為

(9)

Φ(q(t),ti)′·q(ti)′=

(10)

因左右吊卡舌作業(yè)需要同步，構(gòu)件1的角速度ω1與構(gòu)件3的角速度ω3在誤差允許的范圍內(nèi)始終保持相同，即

ΦK=ω1-ω3≈0

(10)

結(jié)合式(5)、(10)和(11)求解出傳動連桿的位姿函數(shù)[9].根據(jù)計算參數(shù)建立三維模型，并在ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical system)軟件中進(jìn)行運動學(xué)分析，其分析結(jié)果如圖4所示.

(a) 主動、從動連桿的角速度

(b) 左、右吊卡舌速度

(c) 左、右吊卡舌運動位移差圖4 吊卡運動學(xué)參數(shù)Fig.4 Kinematics parameters of elevator

由圖4可知，主動連桿與從動連桿的角速度在作業(yè)過程中存在差異，致使執(zhí)行機構(gòu)吊卡舌的運移速度出現(xiàn)偏差，但總體上影響較小，使左右吊卡舌產(chǎn)生的最大位移差為1.93 mm，與油管尺寸相比，該位移差可忽略.

2.2 接觸工作面斜度設(shè)計

為使吊卡能適用于錐面型的油管，本文將吊卡基座上的接觸工作面設(shè)計為斜面，該斜面需要設(shè)計合適的角度.若斜面角度過小，則不能實現(xiàn)吊卡舌的自鎖，無法安全地卡緊油管；若斜面角度過大，在打開吊卡舌時，操作困難甚至無法打開，影響正常作業(yè).為確保吊卡能夠在作業(yè)過程中安全可靠，需要滿足式(12).

Gsin(α1-α2)-Gcos(α1-α2)μ=F

(11)

式中：G為油管柱重力；α1為油管錐面角度；α2為吊卡基座斜面角度；μ為吊卡舌摩擦因數(shù)；F為吊卡舌平衡作用力.

在設(shè)計中，由設(shè)定值取G=600 000 N，α1=18°，μ=0.15.為保證吊卡舌在工作狀態(tài)下能夠可靠工作，則需要F≤0，將數(shù)據(jù)代入式(13)中：

tan(α1-α2)≤μ

(13)

通過計算可得吊卡基座斜面角度α2=18°.

3 強度分析

傳統(tǒng)的強度剛度分析的方法是以力學(xué)知識為基礎(chǔ)，計算零件受到的應(yīng)力和產(chǎn)生的應(yīng)變.但是該方法計算量大，不易模擬零件的真實工作環(huán)境，計算結(jié)果與實際結(jié)果相差較大[10].采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行分析，將復(fù)雜零件離散為大量的單元，并且模擬真實工作環(huán)境，既提高了計算的速度，也提高了結(jié)果的精度.

3.1 建模與網(wǎng)格劃分

在ABAQUS中建立動力吊卡結(jié)構(gòu)模型，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分.因吊卡結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用自由線性的形式對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格形式為C10R8，并對吊卡上的受力部分網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，效果如圖5所示.

圖5 吊卡網(wǎng)格劃分模型Fig.5 The grid model of elevator

3.2 加載工作載荷

在吊卡工作過程中，井下油管的重力主要由吊卡舌的錐面來承擔(dān)，該吊卡的額定/最大鉤載為300/600 kN.為保證吊卡在工作狀態(tài)下能夠安全地作業(yè)，以最大鉤載600 kN為設(shè)計依據(jù)，則吊卡舌工作時承受的壓強(p)為

(14)

式中：G為最大鉤載；α1為油管錐面角度；d為油管本體直徑；D油管接箍外徑；H為吊卡舌與油管接觸高度.

參照API 5 CT/ISO 11960：2001《套管和油管規(guī)范》，設(shè)置d=73 mm，D=89 mm，H=25 mm，α1=18°，故吊卡舌承受的壓強為

(15)

在工作中，吊卡吊耳的上截面固定，對其添加固定約束.吊卡左右吊卡舌上均加載工作載荷29.16 MPa.吊卡及吊卡舌的材料選用高強度鑄鋼[11]，楊氏模量E=209 000 MPa，泊松比υ=0.269.定義在左右吊卡舌的沖擊載荷如圖6所示.

圖6 吊卡沖擊載荷Fig.6 Impact load of the elevator

3.3 計算結(jié)果分析

給吊卡定義相關(guān)接觸后進(jìn)行靜力學(xué)分析，以第四強度理論[12]為基礎(chǔ)求得的等效應(yīng)力如圖7所示.

(a) 吊卡

(b) 吊卡舌上圖7 吊卡與吊卡舌的應(yīng)力分布圖Fig.7 Stress distribution of elevator and elevator tongue

由圖7可以看出，吊卡的最大應(yīng)力發(fā)生在吊卡舌處，最大應(yīng)力為215.8 MPa.吊卡材料的最大屈服強度為355 MPa，在其允許應(yīng)力范圍內(nèi)，因此吊卡能夠滿足修井作業(yè)的強度要求.

4 疲勞載荷分析

零件在循環(huán)載荷的作用下，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生細(xì)微變化及裂紋的形成和擴展，最終形成疲勞損傷.疲勞損傷是估算變載荷作用下結(jié)構(gòu)和零件有限壽命的重要參考，因此有必要對吊卡的疲勞載荷進(jìn)行分析.

當(dāng)材料承受高于疲勞極限應(yīng)力時，每一個循環(huán)都使材料產(chǎn)生一定的損傷，這種損傷是可以積累的，n次恒載荷所造成的損傷等于其循環(huán)比C=n/N，其中，n為恒載荷作用次數(shù)，N為該恒定載荷下的疲勞壽命.則變幅載荷的損傷等于其循環(huán)比之和，即：

(12)

式中：l為變幅載荷的應(yīng)力等級；ni為第i級載荷的循環(huán)次數(shù)；Ni為第i級載荷下的疲勞壽命.當(dāng)損傷積累到臨界值Df時，就發(fā)生了疲勞破壞.吊卡舌的材料選用高強度鑄鋼，其疲勞曲線方程[13]為

(13)

式中：m為隨材料和應(yīng)力狀態(tài)而定的指數(shù)，對于鋼的拉彎應(yīng)力中取m=9；N為循環(huán)次數(shù)；σrN為材料循環(huán)次數(shù)為N時的疲勞極限；N0為材料的循環(huán)基數(shù)，對于鑄鋼取N0=107；σr為材料循環(huán)基數(shù)N0所對應(yīng)的疲勞極限，工程中取σr=0.49σB.吊卡舌的疲勞曲線如圖8所示.

圖8 吊卡疲勞壽命曲線Fig.8 The fatigue life curve of elevator

由吊卡的有限元分析可知，在作業(yè)過程中，吊卡所受最大應(yīng)力為215.8 MPa，在材料的無限壽命區(qū)域范圍內(nèi)，能夠滿足吊卡正常工作的需求.

5 結(jié) 論

(1) 按照設(shè)計參數(shù)額定鉤載/最大鉤載為300/600 kN，完成了一種新型動力吊卡的設(shè)計與分析，該吊卡通過動力油缸代替人工實現(xiàn)油管的自動卡緊與放松，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低等優(yōu)點.

(2) 應(yīng)用ABAQUS對吊卡進(jìn)行靜力學(xué)分析及疲勞分析，能夠保證吊卡在動載荷與沖擊載荷的工況下安全可靠的工作.

(3) 該吊卡的受力分析結(jié)果顯示其應(yīng)力在材料的允許安全范圍.該吊卡技術(shù)方案可行，其結(jié)構(gòu)簡單，適用管徑范圍廣，自動化程度高， 能夠滿足全自動智能液壓修井機對起升管柱的自動化要求.

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Design of New Split-Type Power Elevators

NIUWen-jie1,BAIYong-tao1,YUYan-qun1,WANGYun-an2,XUGuo-hui1

(1. School of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China;2. Shandong Kerui Petroleum Equipment Co. Ltd., Dongying 257067, China)

In order to improve the efficiency and automation degree of work-over operation，ameliorate the work-over operation environment and cooperate with the development of fully automatic intelligent hydraulic well repairing machine，a new split-type power elevator was designed based on the working environment and working conditions of automatic elevator. The key structure of power elevator was designed according to kinematics calculation. The loading simulation and calculation of elevator load conditions in practical operation were carried out by using ABAQUS finite element analysis software. The analysis results show that the elevator conforms to the usage requirements in the aspect of mechanical strength and fatigue life, which provide the basis for the actual use of elevators.

work-over operations; power elevator; structure design; kinematics; mechanical strength; fatigue analysis

1671-0444 (2016)04-0512-06

2015-12-31

山東省自然科學(xué)基金資助項目(ZR2014EL015)

牛文杰(1967—)，男，甘肅寧縣人，教授，博士，研究方向為石油鉆采機械設(shè)計、計算機圖形學(xué). E-mail: niu_wj67@126.com

TE 935

A