摘 要：目前國內(nèi)陸地鉆機主要是利用鉆臺氣動絞車和吊車實現(xiàn)鉆桿上下鉆臺的起升任務(wù)，不僅穩(wěn)定性底、設(shè)備及人身風(fēng)險大、效率底，而且占用場地大、費用高。為此設(shè)計了一套用于陸地鉆機的鉆桿自動起升裝置，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)鉆桿在井場排放架和鉆臺之間自動傳送，用較少的鉆井工人即可完成傳統(tǒng)的鉆桿起升工作，這極大地縮短了鉆井周期，提高了鉆井效率。利用ANSYS有限元軟件對關(guān)鍵部件進行了有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的系統(tǒng)具有具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性，滿足長期使用的需要。

關(guān)鍵詞：陸地鉆機；鉆桿起升；自動傳送 1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前國外在鉆桿自動起升裝置方面技術(shù)比較先進的公司是挪威Aker Kvaerner MH公司。該公司的管子傳送系統(tǒng)和處理裝置主要由龍門起重機、折臂起重機、管子輸送機、橋式起重系統(tǒng)和鉆臺操縱臂等裝置[1-2]。其主要缺點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，占用較多的井場空間。國內(nèi)在鉆桿自送提升技術(shù)尚處于研究階段，目前采用的鉆桿起升手段主要由兩種方式，一是利用鉆臺氣動絞車，二是利用吊車[3-5]。氣動絞車輸送管柱時作業(yè)穩(wěn)定性低、設(shè)備及人身風(fēng)險大、效率不高，而利用吊車輸送管柱占用場地大、費用高、穩(wěn)定性亦差。

2 鉆桿自動起升裝置的結(jié)構(gòu)

鉆桿自動起升裝置主要由旋轉(zhuǎn)臂、起升架和豎直桁架組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。旋轉(zhuǎn)臂臂是鉆桿自動起升裝置的末端執(zhí)行器，是實現(xiàn)鉆桿上下鉆臺和鉆桿由水平位置到垂直位置轉(zhuǎn)換的核心部件。旋轉(zhuǎn)臂由鉆桿夾具手、旋轉(zhuǎn)手臂、L型臂等零部件組成；起升架由起升架本體、導(dǎo)向機構(gòu)和液壓缸等零部件組成。旋轉(zhuǎn)臂的前部有兩個鉸支點，上部的鉸支點與液壓缸活塞鉸接，下部的鉸支點與起升架的鉸支點鉸接。旋轉(zhuǎn)臂在液壓缸的作用下沿著鉸接點旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度范圍是0°～90°；同時在起升架的提升下沿著豎直桁架上下移動，實現(xiàn)鉆桿的上下鉆臺的輸送工作。

3 有限元分析

3.1 靜力學(xué)計算

當(dāng)鉆桿位于水平位置時，旋轉(zhuǎn)臂裝配體的中心位于鉸接點的左端，因此整個旋轉(zhuǎn)臂裝配體逆時針方向的轉(zhuǎn)動趨勢，這些力最終通過滾輪系統(tǒng)作用在豎直桁架上。因此當(dāng)鉆桿水平時，滾輪組中左下方滾輪和右上方滾輪和豎直桁架之間的作用力較左上方和右下方的滾輪和豎直桁架之間的作用力大，故取左下方和右上方滾輪和豎直桁架之間的作用力進行受力計算。把鉆桿、旋轉(zhuǎn)臂、起升架看作一個整體進行力學(xué)分析，由力的平衡：

3.2 結(jié)構(gòu)分析

對為了保證鉆桿自動起升裝置安全可靠工作，對利用ANSYS有限元分析軟件將3.1靜力學(xué)計算的結(jié)果分別施加在旋轉(zhuǎn)臂、起升架、豎直桁架上進行結(jié)構(gòu)分析。旋轉(zhuǎn)臂的材料選用16Mn，材料的屈服極限為240MPa，許用應(yīng)力為180MPa。分析結(jié)果顯示在旋轉(zhuǎn)臂和起升架的鉸接部分發(fā)生了應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為160MPa，小于許用應(yīng)力，滿足強度要求。

桁架選用的A3鋼焊接而成，材料的屈服極限為力235MPa，許用應(yīng)力為157MPa，分析結(jié)構(gòu)顯示，整體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為40.1MPa，發(fā)生在桁架底部的固定端，安全系數(shù)是3.9，因此整個結(jié)構(gòu)是安全的。

3.2 模態(tài)分析

對旋轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，主要是得到結(jié)構(gòu)的頻率與振型，提取結(jié)構(gòu)前三階固有頻率分別為：8.5682、10.822、27.716 Hz。結(jié)果顯示，旋轉(zhuǎn)臂整體機構(gòu)在低階頻率范圍內(nèi)做平面的擺動，整體變形較小，剛度儲備能量較大，滿足安全使用的要求。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)的鉆桿上下鉆臺是利用鉆臺氣動絞車和利用吊車提升和摔下，對鉆桿本體和絲扣造成了極大的破壞，同時威脅到鉆井工人的人身安全。鉆桿自動起升裝置實現(xiàn)了鉆桿上下鉆臺的自動化操作，保護了鉆桿本體和絲扣，降低了工人的勞動強度，提高了工作環(huán)境的安全系數(shù)，節(jié)約了鉆井成本；此外該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，安全可靠，占據(jù)較小的井場空間，對鉆機井架入口高度要求低，可在各種鉆機中配套使用。

參考文獻

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[2]Boyadjieff George I.An overview of top-drive drilling system applications and experiences.[C].IADC/SPE 14716，1996：435-442.

[3]尹曉麗，張中慧，牛文杰，等.海洋鉆井平臺立根自動連接系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化[J].石油機械，2011（2）：27-30.

[4]尹曉麗，牛文杰，張中慧.鉆桿自動傳送系統(tǒng)的及設(shè)計方案[J].石油礦場機械，2009（7）：42-46.

[5]閆成新，賀慶強，尹曉麗.石油鉆桿運移裝置起升臂設(shè)計及優(yōu)化[J]重型機械，2009（5）：55-57

作者簡介：尹曉麗（1985-），女，山東臨沂人，碩士，助教，主要從事工程圖學(xué)和機械教學(xué)與科研。