(1.中國石油大學勝利學院機械與電氣工程系，山東東營 257000; 2.勝利油田疾病預防控制中心，山東東營 257000)

(1.中國石油大學勝利學院機械與電氣工程系，山東東營 257000; 2.勝利油田疾病預防控制中心，山東東營 257000)

由于國內(nèi)陸地鉆機利用鉆臺氣動絞車或吊車實現(xiàn)鉆桿上下鉆臺時不穩(wěn)定、效率低，本文設計了一套用于陸地鉆機的鉆桿自動起升系統(tǒng)，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，極大地縮短了鉆井周期，提高了鉆井效率。并利用ANSYS有限元軟件對該系統(tǒng)的關鍵部件進行了有限元分析和結構優(yōu)化，優(yōu)化后的系統(tǒng)具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性，滿足長期使用的需要。

陸地鉆機;鉆桿起升;自動傳送;有限元分析;結構優(yōu)化

0 前言

目前國外在鉆桿自動起升系統(tǒng)方面技術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)和處理裝置主要有龍門起重機、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。其主要缺點是系統(tǒng)結構龐大，占用較多的井場空間。國內(nèi)的鉆桿自送提升技術尚處于研究階段，目前采用的鉆桿起升方式主要有兩種，一是利用鉆臺氣動絞車，二是利用吊車。氣動絞車輸送管柱時作業(yè)穩(wěn)定性低、設備及人身風險大、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。

1 鉆桿自動起升系統(tǒng)結構

鉆桿自動起升系統(tǒng)主要由旋轉臂總成和豎直桁架組成，其結構如圖1所示。

其中旋轉臂總成是鉆桿自動起升系統(tǒng)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換的核心部件。如圖2所示，旋轉臂總成由旋轉臂和起升架組成。旋轉臂由鉆桿夾具手(圖3)、旋轉手臂、L型臂等零部件組成;起升架由起升架本體、導向機構和液壓缸等零部件組成。旋轉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。旋轉臂在液壓缸的作用下沿著鉸接點旋轉，旋轉角度范圍是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。

圖1 鉆桿自動起升系統(tǒng)結構圖Fig.1Structure of drill rod automatic lifting system

在鉆井過程中，旋轉臂向鉆臺輸送鉆桿時，液壓缸活塞推動旋轉臂，旋轉臂繞著旋轉臂和起升架之間的連接支點旋轉，讓鉆桿由水平位置旋轉到垂直位置。在鉆井結束后，旋轉臂液壓缸活塞收縮，旋轉臂夾具手夾住鉆桿使其從垂直位置轉換為水平狀態(tài)。其工作示意圖如圖4所示。

圖4 旋轉臂工作過程圖Fig.4Working process of rotating arm

起升架主要包括起升架本體、導輪總成、液壓缸等結構組成(圖5)。起升架的上部旋繩扣連接液壓絞車驅動的鋼絲繩。在起升架的上部和下部以及八個頂點處分別設計了滾輪組和導輪組(圖6)。滾輪組和豎直支架的內(nèi)壁相切，導輪組和豎直桁架的前壁相切，當起升架在液壓絞車的驅動下提升時，導輪總成沿著豎直桁架的內(nèi)壁和前壁滾動上升。滾輪組在豎直桁架的內(nèi)壁滾動，除起到導向的作用之外，約束了起升架提升過程中左右方向上的自由度;導輪組在豎直桁架的前壁上滾動，約束了起升架在提升時前后方向的自由度，因此導輪總成是起升架的核心組成部件。旋繩扣組、液壓缸安裝支座和旋轉臂的安裝支座均焊接在起升架本體上。起升架的安裝如圖7所示。

圖5 起升架裝配體結構圖Fig.5Structure of lifting mechanism assembly

2 工作原理

在鉆井作業(yè)中，鉆桿自動起升系統(tǒng)是將鉆桿從井場排放架自動傳送至鉆臺，在鉆井結束后，將鉆桿排放到井場排放架的自動化操作。該系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)用鋼絲繩提調和甩下鉆桿的高危險操作，通過遠程控制區(qū)的監(jiān)控系統(tǒng)，可實時顯示和記錄作業(yè)工序、設備的狀況以及對鉆桿的定位和系統(tǒng)化管理。鉆桿自動起升系統(tǒng)的旋轉臂工作流程如圖8和圖9所示。鉆桿自動起升系統(tǒng)旋轉臂上的夾具手抓取鉆桿，然后在液壓絞車的驅動下提升，當提升至目標高度，液壓缸驅動旋轉臂繞鉸接點旋轉，最終將鉆桿旋轉至垂直位置，將鉆桿傳送給下一級系統(tǒng)后旋轉臂驅動液壓缸驅動旋轉臂旋轉歸位，鉆井工人控制液壓絞車放下旋轉臂繼續(xù)抓取下一根鉆桿，如此重復進行。在鉆井結束后，旋轉臂夾具手夾住鉆桿后旋轉臂開始旋轉，將鉆桿由垂直位置旋轉為水平，然后旋轉臂下降，最終將鉆桿放在鉆桿輸送系統(tǒng)的輸送機上，輸送機進行后續(xù)的鉆桿排放工作;然后旋轉臂旋轉上升繼續(xù)抓取鉆桿，拆卸鉆桿，如此重復進行。

3 有限元分析

3.1 靜力學計算

3.1.1 旋轉臂總成的受力分析

鉆桿水平時旋轉臂總成的受力情況如圖10所示。G1為旋轉臂裝配體的重量，G1=4 421.8 N;G2為副旋轉臂、連接臂、拉桿、夾具手安裝支座和夾具手重量之和，G2=1 680.6 N;G3為包括起升架總裝配體、液壓缸、銷軸等，G3=5 184.2 N;G4為單根鉆桿的重量，G4=3 400 N; F0為提升力;F1為左下側導向輪與桁架之間的法向作用力;f1為左下側導向輪與桁架之間的摩擦力，f1=λF1，λ=0.15;F2為右上側導向輪與桁架之間的法向作用力;f2為右上側導向輪與桁架之間的摩擦力，F(xiàn)2=λF2。

圖10 旋轉臂總成受力分析Fig.10Force analysis of rotating system

當鉆桿位于水平位置時，旋轉臂裝配體的中心位于鉸接點的左端，因此整個旋轉臂裝配體有逆時針方向的轉動趨勢，這些力最終通過滾輪系統(tǒng)作用在豎直桁架上。因此當鉆桿水平時，滾輪組中左下方滾輪、右上方滾輪和豎直桁架之間的作用力較左上方、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、旋轉臂、起升架看作一個整體進行力學分析。以O點為旋轉中心，由力的平衡

解方程組得F0=18 738 N;F1=F2=36 819.5 N。

3.1.2 旋轉臂的受力分析

把鉆桿、旋轉臂看作一個整體進行靜力學分析，初始狀態(tài)受力簡圖如圖11所示。

圖11 旋轉臂受力分析Fig.11Force analysis of rotating arm

式中，F(xiàn)液為液壓缸的拉力，F(xiàn)液=44 438.3 N。

因此得鉸鏈的受力為

3.2 結構分析

為了保證鉆桿自動起升系統(tǒng)安全可靠工作，對利用ANSYS有限元分析軟件對旋轉臂、起升架、豎直桁架等三個核心零件進行結構分析。旋轉臂的材料選用16 Mn，材料的屈服極限為240 MPa，安全系數(shù)取1.33，計算的許用應力為180.45 MPa。從圖12和圖13的分析結果知，在旋轉臂和起升架的鉸接部分發(fā)生了應力集中，最大應力為160 MPa，小于許用應力，最大變形位移為2.68 mm，滿足強度要求。

為減輕起升架的重量，起升架采用方鋼管焊接而成，材料選用20號鋼，材料的屈服極限為195 MPa，安全系數(shù)取1.33，可得許用應力為145 MPa。從圖14的分析結果知，在提升扣和起升架與旋轉臂鉸接處均出現(xiàn)了應力集中，最大應力為16.2 MPa，小于許用應力，滿足強度要求。

圖15 起升架位移圖Fig.15Displacement nephogram of lifting mechanism

從圖16～圖17分析結果知，整體結構的最大應力發(fā)生在桁架底部的固定端，最大應力為40.1 MPa，桁架整體向右傾斜約9.7 mm，按A3最低鋼屈服應力235 MPa計，安全系數(shù)取1.5，可得許用應力為156.7 MPa，而桁架的最大應力為40.1 MPa，安全系數(shù)是3.9，因此整個結構是安全的。

圖16 豎直桁架應力圖Fig.16Stress nephogram of vertical truss

3.3 模態(tài)分析

對旋轉臂結構進行模態(tài)分析，主要是得到結構的頻率與振型，提取結構前三階固有頻率分別為8.568 Hz、10.822 Hz、27.716 Hz。前三階振型如圖18所示。

根據(jù)以上的計算結果，分析旋轉臂結構振型圖，整體在第一固有階頻率在X-Y平面內(nèi)發(fā)生擺動，在第二階固有頻率旋轉臂在Y-Z平面內(nèi)發(fā)生擺動，在第三固有頻率整體旋轉臂機構繞Y軸發(fā)生擺動。由此可以得出，旋轉臂整體機構在低階頻率范圍內(nèi)做平面擺動，整體變形較小，剛度儲備能量較大，滿足安全使用的要求。

4 結論

本文設計的鉆桿自動起升系統(tǒng)是陸地石油鉆機的配套機構，該系統(tǒng)結構可靠，占據(jù)較小的井場空間，對鉆機井架入口高度要求低;能夠實現(xiàn)鉆桿上下鉆臺的自動化操作，不僅降低了鉆井工人的勞動強度，保護了鉆桿本體和絲扣，節(jié)約了鉆井成本，而且極大地縮短了鉆井周期，提高了鉆井效率。

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陸地鉆機鉆桿自動起升系統(tǒng)的設計與優(yōu)化

尹曉麗1，劉衍聰1，趙義明1，朱玉華1，姚梅1，王利生2

Design and optimization on automatic lifting system of land rig rod

YIN Xiao-li1，LIU Yan-cong1，ZHAO Yi-ming1，ZHU Yu-hua1，YAO Mei1，WANG Li-sheng2
(1.Shengli Institute of China University of Petroleum，Dongying 257000，China; 2.Disease Prevention and Control Center of Shengli Oilfield，Dongying 257000，China)

It is the instability and low efficiency that land rig lift drill rod up and down using pneumatic hoist rig or crane.This paper designs a set of automatic lifting system for land drill rod.The system can made drill rod automatic transmission between the drill pipe rack and the derrick floor，greatly shorten the drilling cycle and improve drilling efficiency.Some key parts structure of the system is analyzed and optimized in ANSYS software.So strength of optimized system，stiffness and stability are enough，and meet the requirements for long-term use.

land rig;drill rod lifting;automatic transmission;structure optimization

TH134.21

A

1001-196X(2014)05-0077-06

2014-01-02;

2014-03-20

山東省科技攻關項目(2009GG1005003)

尹曉麗(1985-)，女，碩士，助教，主要從事工程圖學和石油鉆采機械方面的教學和科研工作。