章發(fā)明，溫平，杜青忠，王東

（1.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070；2.蘭州市第三中學(xué)，蘭州 730030；3.吉林途興石油機(jī)械有限公司，長(zhǎng)春 130014）①

轉(zhuǎn)矩是影響井下工具螺紋上緊質(zhì)量的重要參數(shù)［1－2］。目前，國(guó)內(nèi)使用的井下工具液壓拆裝架有國(guó)外生產(chǎn)的，也有經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)的國(guó)內(nèi)產(chǎn)品。主鉗有力臂式和齒輪齒條式2種。力臂式主鉗鉗口呈閉式圓形，沿圓周均布6只夾持液缸，工作時(shí)各液缸活塞桿夾持頭伸出，夾持穿過(guò)鉗口的井下工具。主鉗上對(duì)稱布置的2只擰扣液缸的活塞桿推拉傳力桿，實(shí)現(xiàn)上卸扣［2］。該種結(jié)構(gòu)使得力臂的長(zhǎng)度隨液壓缸轉(zhuǎn)角而變化，由于沒(méi)有測(cè)量液壓缸轉(zhuǎn)角，而是取力臂為定值，通過(guò)實(shí)測(cè)液壓力來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)矩的測(cè)量誤差較大。主鉗前端安裝的旋扣器采用摩擦輪傳遞轉(zhuǎn)矩［3］，采用間接方法測(cè)量轉(zhuǎn)矩，誤差大，且沒(méi)有測(cè)量轉(zhuǎn)速。齒輪齒條式主鉗是一種新結(jié)構(gòu)，由擰扣液缸推拉齒條，齒條帶動(dòng)擰扣大齒輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。該結(jié)構(gòu)便于實(shí)時(shí)測(cè)量主鉗的轉(zhuǎn)矩，測(cè)量精度高，控制簡(jiǎn)單。旋扣是通過(guò)齒式離合器及齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，便于測(cè)量轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。本文主要分析2種結(jié)構(gòu)主鉗轉(zhuǎn)矩的測(cè)量方法及由力臂變化產(chǎn)生的誤差，不涉及測(cè)量?jī)x表、數(shù)據(jù)采集和處理單元等誤差。

1 力臂式主鉗

1.1 結(jié)構(gòu)

力臂式主鉗主要由主鉗架、鉗口夾持裝置、擰扣液缸、傳力桿等組成，如圖1。井下工具被傳送入鉗口夾持裝置后，夾持液缸夾緊工具，擰扣液缸活塞桿推拉傳力桿，帶動(dòng)鉗口夾持裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，完成擰卸扣工作。擰扣液缸缸體通過(guò)銷軸連接在主鉗架兩邊的側(cè)板上，液缸活塞桿伸出或縮回的過(guò)程中，迫使擰扣液缸缸體圍繞連接銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)。鉗口夾持裝置旋轉(zhuǎn)角度β的變化，引起擰扣液缸活塞桿與傳力桿的夾角α的變化，造成擰扣力臂的長(zhǎng)度變化，擰卸扣轉(zhuǎn)矩隨之發(fā)生變化。

圖1 力臂式主鉗結(jié)構(gòu)

1.2 理論轉(zhuǎn)矩計(jì)算

主鉗的幾何尺寸及受力簡(jiǎn)化如圖2所示：A 點(diǎn)為鉗口夾持裝置中心；B 點(diǎn)為擰扣液缸缸體連接銷軸中心；C 點(diǎn)為擰扣液缸活塞桿與傳力桿連接軸中心；E 點(diǎn)為C 點(diǎn)的初始位置，此時(shí)兩桿垂直。β為鉗口夾持裝置轉(zhuǎn)過(guò)的角度；F為擰扣力。α為AC 直線與BC 直線的夾角。過(guò)A 點(diǎn)做BC的垂線，垂足為D 點(diǎn)，AD 線的長(zhǎng)度即等于擰扣力臂長(zhǎng)度。主鉗轉(zhuǎn)矩由擰扣力和擰扣力臂決定，擰扣力可通過(guò)安裝在擰扣液缸活塞桿上的傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量，擰扣力臂長(zhǎng)度可通過(guò)計(jì)算得到（計(jì)算公式中的AD 表示線段長(zhǎng)度，即A 點(diǎn)到D 點(diǎn)的直線長(zhǎng)度。其他線段的長(zhǎng)度用同樣方式表示，不再敘述）。

圖2 主鉗幾何尺寸及受力分析

擰扣時(shí)，鉗口夾持裝置轉(zhuǎn)過(guò)β角，擰扣力臂長(zhǎng)度AD 計(jì)算式為

主鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸確定后，圖2中AB、AC 和BE 長(zhǎng)度是定值。需計(jì)算sinα的表達(dá)式。

在三角形ABC 中，由正弦定理得

在三角形ABC 中，根據(jù)余弦定理得

而∠BAC＝β＋∠BAE。

由式（1）～（3）化簡(jiǎn)得

則力臂式主鉗擰扣轉(zhuǎn)矩為

將式（4）代入式（5）得：

擰扣轉(zhuǎn)矩M 是擰扣液缸力F 和鉗口夾持裝置轉(zhuǎn)動(dòng)角β的函數(shù)，F(xiàn)值確定后M 隨轉(zhuǎn)角β的變化而變化。

1.3 實(shí)際轉(zhuǎn)矩測(cè)量

在力臂式主鉗結(jié)構(gòu)中，由于角度傳感器難以安裝，鉗口夾持裝置轉(zhuǎn)動(dòng)角β值不可測(cè)量。在實(shí)際工作中，力臂式液壓拆裝架主鉗的擰扣轉(zhuǎn)矩M1是通過(guò)測(cè)量擰扣液缸壓力，由式（6）計(jì)算得

式中：S為擰扣液缸的實(shí)際承壓面積（鉗口夾持裝置順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，S 等于液缸活塞面積；鉗口夾持裝置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，S 等于液缸活塞面積與活塞桿面積之差），m3；p為擰扣液缸壓力，MPa；AC為圖2中A 點(diǎn)到C 點(diǎn)的直線長(zhǎng)度，m。

1.4 轉(zhuǎn)矩測(cè)量誤差分析

由于在轉(zhuǎn)矩測(cè)量中沒(méi)有考慮轉(zhuǎn)角變化對(duì)力臂的影響，測(cè)量所得轉(zhuǎn)矩值與實(shí)際值存在較大誤差。以天津立林公司的Ⅱ型液壓拆裝架為例，對(duì)應(yīng)圖2中的幾何尺寸為：AC＝AE＝0.75 m，AB＝0.76 m，BE＝0.125 m。當(dāng)鉗口夾持裝置轉(zhuǎn)動(dòng)角β分別為10°、20°、30°、40°時(shí)［3］，假設(shè)在各種轉(zhuǎn)角時(shí)擰扣液缸推、拉力相同，分別為F1、F2、F3、F4；利用式（5）～（6）計(jì)算理論轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩的相對(duì)誤差，如表1。鉗口夾持裝置轉(zhuǎn)動(dòng)角度越大，由于擰扣力臂長(zhǎng)度誤差，引起擰扣轉(zhuǎn)矩的相對(duì)誤差也越大，相對(duì)誤差最大可達(dá)到10.3%。

表1 力臂式主鉗擰卸扣轉(zhuǎn)矩的測(cè)量誤差

2 齒輪齒條式主鉗

2.1 結(jié)構(gòu)

齒輪齒條式主鉗主要由擰扣液缸、齒條、導(dǎo)向桿、鉗口夾持裝置等組成，如圖3。擰扣大齒輪、旋扣齒輪和鉗口夾持裝置套裝在1個(gè)筒式傳動(dòng)軸上，2只擰扣液缸對(duì)稱布置。擰扣液缸的活塞桿與齒條相連，齒條與擰扣大齒輪嚙合，液缸推拉齒條帶動(dòng)擰扣大齒輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩［4］。擰卸扣時(shí)，掛合液缸推動(dòng)齒式離合器，使筒式傳動(dòng)軸與擰扣大齒輪連接，同時(shí)脫開旋扣齒輪。需要旋扣時(shí)，掛合液缸拉動(dòng)齒式離合器，使筒式傳動(dòng)軸與旋扣齒輪連接，同時(shí)脫開擰扣大齒輪與筒式傳動(dòng)軸的連接。

2.2 轉(zhuǎn)矩測(cè)量

擰扣液缸活塞桿上安裝拉、壓力傳感器，可實(shí)時(shí)測(cè)量拉、壓力值。擰扣大齒輪的節(jié)圓半徑是轉(zhuǎn)矩力臂，其長(zhǎng)度是常量。主鉗的轉(zhuǎn)矩M2為

式中：F5、F6為2只擰扣液缸活塞桿上力傳感器的測(cè)量值，N；R為擰扣大齒輪的節(jié)圓半徑，m。

由式（7）可知，M2的測(cè)量誤差僅與F5、F6的測(cè)量誤差有關(guān)，與R 無(wú)關(guān)，因此測(cè)量精度高。

擰卸扣轉(zhuǎn)矩可以連續(xù)測(cè)量，即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。通過(guò)液壓拆裝架測(cè)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集測(cè)量擰扣液缸活塞桿上拉、壓力傳感器值，反饋到控制液壓系統(tǒng)中擰扣液缸液壓管路上安裝的高精度比例溢流閥來(lái)調(diào)節(jié)壓力，達(dá)到控制液缸力，形成轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制回路［5］。根據(jù)需要可在測(cè)控系統(tǒng)的控制計(jì)算機(jī)上設(shè)定工具要求的擰卸扣轉(zhuǎn)矩值，拆裝架的擰卸扣扭矩達(dá)到要求值時(shí)，將自動(dòng)停止。

圖3 齒輪齒條式液壓拆裝架主鉗結(jié)構(gòu)

3 旋扣轉(zhuǎn)矩

力臂式液壓拆裝架主鉗和齒輪齒條式液壓拆裝架主鉗的主要功能是滿足擰扣時(shí)的緊扣和卸扣時(shí)的繃扣要求。為提高工作效率都配備了旋扣器，旋扣器結(jié)構(gòu)不同，旋扣轉(zhuǎn)矩測(cè)量方法也有所不同。

3.1 力臂式主鉗旋扣

力臂式主鉗前端安裝有1臺(tái)旋扣器，利用旋扣器兩邊夾口軸上安裝的2只旋扣液馬達(dá)提供動(dòng)力，旋扣液馬達(dá)輸出軸上的齒輪帶動(dòng)旋扣器夾口中的2只被動(dòng)齒輪［6］。被動(dòng)齒輪軸上裝有摩擦輪，4個(gè)摩擦輪同步旋轉(zhuǎn)。當(dāng)液缸推動(dòng)旋扣器夾口夾緊工具時(shí)，摩擦力帶動(dòng)夾口中的井下工具旋扣（如圖4）。該結(jié)構(gòu)是通過(guò)液壓力計(jì)算輸出旋扣液馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩，再根據(jù)井下工具外圓尺寸、摩擦因數(shù)等參數(shù)，粗略計(jì)算得出旋扣轉(zhuǎn)矩。由于采用間接測(cè)量方法，誤差大，且不能測(cè)量旋扣轉(zhuǎn)速。

圖4 力臂式主鉗旋扣器

3.2 齒輪齒條式主鉗旋扣

旋扣時(shí)，利用主鉗上的掛合液缸推動(dòng)齒式離合器，脫開擰扣大齒輪與筒式傳動(dòng)軸的連接，同時(shí)掛合筒式傳動(dòng)軸與旋扣齒輪［7］，如圖3。其傳動(dòng)鏈為：旋扣液馬達(dá)—輸出軸上連接的小齒輪—過(guò)渡齒輪—旋扣齒輪—筒式傳動(dòng)軸—主鉗鉗口夾持裝置—井下工具。旋扣液馬達(dá)的輸出軸上安裝了轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，直接測(cè)量小齒輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速值，通過(guò)計(jì)算得出井下工具的旋扣轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速［3］。實(shí)現(xiàn)了旋扣轉(zhuǎn)矩的連續(xù)測(cè)量和控制。

計(jì)算式為

式中：M3為旋扣轉(zhuǎn)矩，N·m；n為旋扣轉(zhuǎn)速，r／min；M0為轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)矩值，N·m；i為齒輪傳動(dòng)比；N為轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速值，r／min。

4 結(jié)論

1）齒輪齒條式主鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，可測(cè)量和控制擰卸扣轉(zhuǎn)矩、旋扣轉(zhuǎn)矩和旋扣轉(zhuǎn)速，測(cè)量精度高。測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)旋扣轉(zhuǎn)速的測(cè)量，擰扣液缸動(dòng)作次數(shù)的統(tǒng)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)旋扣圈數(shù)準(zhǔn)確計(jì)量。

2）目前已為長(zhǎng)城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院設(shè)計(jì)、生產(chǎn)了1臺(tái)齒輪齒條式主鉗液壓拆裝架，轉(zhuǎn)矩測(cè)量、控制穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高，使用效果良好。

3）應(yīng)提高動(dòng)密封處的加工精度，選用優(yōu)質(zhì)可靠的密封件，提高設(shè)備的整體可靠性。

［1］李再均，鮮奇飚，張興超，等.雙臺(tái)肩鉆具接頭臺(tái)肩距離的數(shù)值模擬和力學(xué)分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（4）：47－52.

［2］奚杰峰，張春婉，馬新沛.鉆挺螺紋接頭上卸扣過(guò)程力學(xué)分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（11）：54－57.

［3］天津市立林石油機(jī)械有限公司.YCZ－ⅢA 型液壓拆裝架使用說(shuō)明書［Z］.2005.

［4］章發(fā)明，楊永安，張永紅，等.鉆采井下工具拆裝架新型主鉗裝置：中國(guó)，ZL201220080162.7［P］.2012－10－03.

［5］曹鈞，王寶貴，顧愛(ài)中.螺桿鉆具拆裝架液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.液壓與氣動(dòng)，2001（3）：23－25.

［6］朱孝錄.齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)［K］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［7］李國(guó)斌.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.