付廣萌，江正清，陳志禮，高 煜

中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院 （山東 東營 257017）

目前手動(dòng)吊卡在國內(nèi)仍占據(jù)了大部分市場。伴隨著石油勘探開發(fā)在陸地和海洋的不斷深入，傳統(tǒng)手動(dòng)吊卡工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、易發(fā)生安全事故的缺點(diǎn)越來越明顯，迫切需要做出改變。液壓吊卡只需人工遙控操作，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率和安全性，實(shí)現(xiàn)了井口工具的自動(dòng)化，是吊卡發(fā)展的必然方向。

1 液壓吊卡結(jié)構(gòu)分析

研究的液壓吊卡主要由左右主體，鎖舌、扣鎖機(jī)構(gòu)，液壓系統(tǒng)和信號發(fā)射器、接收器，以及扣鎖電子報(bào)警系統(tǒng)等部件組成，如圖1所示。吊卡設(shè)有保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，其主要的受力件為主體、鎖舌、銷軸、螺栓等。為了更好地分析其結(jié)構(gòu)功能和建立可靠性模型，將液壓吊卡按其功能分為3個(gè)系統(tǒng)：控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，其具體的結(jié)構(gòu)層次如圖1。

2 液壓吊卡可靠性分析

按照液壓吊卡的結(jié)構(gòu)，對上述3個(gè)系統(tǒng)分別進(jìn)行可靠性分析，綜合后完成對整體的可靠性分析。

圖1 液壓吊卡結(jié)構(gòu)框圖

2.1 液壓吊卡液壓系統(tǒng)可靠性分析

液壓吊卡是雙油缸全液壓提供動(dòng)力，作為動(dòng)力源，液壓系統(tǒng)的正常工作與否直接關(guān)系到吊卡的正常開合，所以首先分析吊卡液壓系統(tǒng)可靠性。

如圖2所示，P為進(jìn)油口，T為出油口。當(dāng)電磁閥1DT帶電后，左位右移，高壓壓力進(jìn)入有桿腔內(nèi)，由于此為自鎖式液控單向閥，左邊的單向閥被打開。因?yàn)閱雾?xiàng)順序閥的原因，鎖緊液缸A先動(dòng)作，通過拉閂帶動(dòng)保險(xiǎn)裝置、鎖緊塊等動(dòng)作，動(dòng)作完成后，順序閥打開，開合液缸B動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)吊卡打開，打開后傳感器發(fā)出信號。從2個(gè)液壓缸里出來的油經(jīng)過節(jié)流閥后通過已打開的單向閥流回油箱；當(dāng)電磁閥2DT帶電后，右位左移，高壓壓力進(jìn)入無桿腔內(nèi)，右邊的單向閥被打開，由于單項(xiàng)順序閥的原因，開合液缸B先動(dòng)作，主體左、右頁閉合后，順序閥打開，鎖緊液缸A動(dòng)作，完成吊卡的鎖緊，實(shí)現(xiàn)吊卡關(guān)閉，鎖緊后傳感器發(fā)出信號，回流的油經(jīng)打開的單向閥回流到油箱。

圖2 液壓吊卡液壓原理圖

系統(tǒng)運(yùn)行步驟如下：

先解鎖再打開：電磁閥左通→液壓鎖左開→單向順序閥（2）打開→鎖緊液缸左移→開合液缸左移→傳感器發(fā)出信號。

先閉合后鎖緊：電磁閥右通→液壓鎖右開→單向順序閥（1）打開→鎖緊液缸右移→開合液缸右移→傳感器發(fā)出信號。

在液壓設(shè)備正常運(yùn)行階段，失效率λ(t)為不隨時(shí)間變化的恒定值，在此階段可靠度R(t)與失效率λ(t)之間的指數(shù)分布規(guī)律[1]：

表1給出了此系統(tǒng)中液壓元件的基本失效率，而吊卡屬于活動(dòng)地面設(shè)備，取環(huán)境修正系數(shù)K=10，得到應(yīng)用時(shí)的失效率λ=K·λ0。液壓系統(tǒng)的可靠度預(yù)測是在正常運(yùn)行階段利用指數(shù)分布來求取的，即 R(t)=e-K·λ0t。

先解鎖再打開或先閉合后鎖緊回路的可靠度[1]為：

各液壓元件基本失效率取平均值，代入數(shù)據(jù)得式（4）[2]：

則液壓系統(tǒng)總的可靠度[2]為：

取環(huán)境系數(shù)K=10，以100～1 000h每隔100h分析得到的液壓系統(tǒng)的可靠度值見表2。從該表中可以看出系統(tǒng)的可靠度是偏低的，這說明了系統(tǒng)在某些環(huán)節(jié)是可以加以改進(jìn)的。通過直觀分析可知，電磁閥、單向閥、節(jié)流閥和順序閥對系統(tǒng)的可靠度影響較大?，F(xiàn)就這4個(gè)液壓元件對系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析，分別取它們的可靠度下限，并重新代入數(shù)學(xué)模型中計(jì)算，結(jié)果整理于表3中（為了便于比較此處取K=10，系統(tǒng)工作時(shí)間為600h）。

表2 K=10時(shí)系統(tǒng)的可靠度

通過表2和表3可以看出環(huán)境越惡劣，各種污染物侵入系統(tǒng)的概率越大，組成系統(tǒng)元件的基本失效率增加，系統(tǒng)的可靠度會(huì)相應(yīng)下降。因此，在污染控制方面應(yīng)充分重視。

表3 各元件修改后液壓系統(tǒng)可靠度

2.2 液壓吊卡控制系統(tǒng)的可靠性分析

由圖3建立可靠性數(shù)學(xué)模型[1]為：

圖3 控制系統(tǒng)的可靠性框圖

電子元件的失效壽命通常服從指數(shù)分布其失效率和可靠度的計(jì)算公式為 R(t)=e-K·λ0t（k 取 10)，其失效率和可靠度計(jì)算結(jié)果見表4。

根據(jù)表4和圖4中數(shù)據(jù)可以看出，信號發(fā)射器、信號接收器的可靠度相比其他組件的可靠度較低，原因是因?yàn)?個(gè)組件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，電子元件比較多；另外，電池的及時(shí)更換也對設(shè)備可靠度有不小的影響。為了信號的可靠發(fā)送接收，及時(shí)地更換電池，以免造成不必要的損失。

2.3 液壓吊卡機(jī)械系統(tǒng)的可靠性分析

機(jī)械系統(tǒng)元件的可靠性數(shù)據(jù)見表5（β：形狀參數(shù)；η：尺度參數(shù)）。

表4 控制系統(tǒng)各組件失效率及其可靠度[3]

圖4 控制系統(tǒng)可靠度隨時(shí)間變化趨勢圖

根據(jù)串聯(lián)系統(tǒng)可靠性的分析方法，串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度表達(dá)式如式（7）：

式（7）給出了吊卡裝置在任意時(shí)刻點(diǎn)(0～5 000h)的可靠度表達(dá)式，以10h為間隔計(jì)算出各時(shí)間點(diǎn)的系統(tǒng)可靠度數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)運(yùn)用Matlab進(jìn)行擬合，得出此吊卡系統(tǒng)可靠度隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。機(jī)械系統(tǒng)在1 000h內(nèi)的工作可靠性見表6。

表5 機(jī)械系統(tǒng)元件的可靠性數(shù)據(jù)[4]

圖5 機(jī)械系統(tǒng)可靠度隨時(shí)間變化趨勢圖

表6 機(jī)械系統(tǒng)不同時(shí)間的可靠度

2.4 液壓吊卡的整體可靠度

液壓吊卡的整體可靠度由液壓、控制、機(jī)械3個(gè)子系統(tǒng)的可靠度串聯(lián)而成，根據(jù)串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性分析方法，可計(jì)算出液壓吊卡整體可靠度見表7。

表7 液壓吊卡的整體可靠度計(jì)算

由表7看出液壓吊卡中的液壓系統(tǒng)是吊卡工作過程中最薄弱的系統(tǒng)，也是隨使用時(shí)間的增加可靠度降低最為明顯的系統(tǒng)。

3 提高液壓吊卡使用可靠性的方法

通過上述對液壓吊卡的可靠性分析，找到了液壓吊卡系統(tǒng)中液壓污染控制、電子機(jī)械元件失效等薄弱環(huán)節(jié)，為提高使用可靠性必須按照SY/T 6100-94《石油鉆采提升設(shè)備使用與維護(hù)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[5]，進(jìn)行性能的完好性檢查，檢查各承力處的磨損情況，有無變形與裂紋，螺絲有無松動(dòng)，銷軸、開口銷是否齊全等，保證吊卡的開關(guān)靈活，安全可靠，液壓系統(tǒng)是否泄漏，控制系統(tǒng)是否靈敏可靠。若出現(xiàn)異常應(yīng)該及時(shí)處理，把失效的零件換掉。在使用期間，還應(yīng)該經(jīng)常清洗保潔，并在轉(zhuǎn)動(dòng)軸和接觸部位做好潤滑，保證液壓油的清潔等措施?？刂葡到y(tǒng)的發(fā)射、接收系統(tǒng)的可靠性由其各元器件的可靠性構(gòu)成，必須保證元器件足夠的可靠性，其密封性要充分保證，同時(shí)，電池要及時(shí)更換。對于液壓系統(tǒng)的維護(hù)尤其注意，當(dāng)?shù)蹩üぷ鞯?00h時(shí)，吊卡的可靠度已經(jīng)很低，應(yīng)該立即進(jìn)行維護(hù)和檢修。

4 結(jié)語

通過對液壓吊卡的可靠性分析，針對其中的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化，在液壓缸內(nèi)增加行程傳感器，以便判斷活塞位置，同時(shí)在吊卡鎖舌處加裝感應(yīng)式傳感器，用以判斷鎖舌開合狀態(tài)，從而設(shè)計(jì)出了新型液壓吊卡（圖6），找到了提高液壓吊卡使用可靠性的方法。該吊卡已試制成功，經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，即將投入使用。

圖6 新型液壓吊卡

[1]Marvin Rausand.系統(tǒng)可靠性理論：模型、統(tǒng)計(jì)方法及應(yīng)用[M].郭強(qiáng)，王秋芳，劉樹林，譯.2版.北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[2]許耀銘.液壓可靠性工程基礎(chǔ)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1991.

[3]黃祥瑞.可靠性工程[M].北京：清華大學(xué)出版社，1990.

[4]王超，王金，孫志禮.機(jī)械可靠性工程[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1992.

[5]SY/T 6100-94石油鉆采提升設(shè)備使用與維護(hù)[S].