劉超，黃許澎，張志偉，任艷柱，陳德剛，陳昊翔

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721002）

0 引 言

中東地區(qū)如沙特阿拉伯、科威特等的大型油氣田多分布在沙漠區(qū)域，石油鉆機(jī)在這些區(qū)域搬遷經(jīng)常采用輪式移運(yùn)方式[1-2]，將鉆機(jī)整體或井架、底座分別作為一個(gè)移運(yùn)單元進(jìn)行運(yùn)輸，以達(dá)到加快搬遷速度、提高效率、節(jié)省成本的目的。

目前的輪式移運(yùn)裝置結(jié)構(gòu)中鵝頸通過(guò)牽引銷和牽引座與輪軸總成連接（如圖1），依靠牽引車牽引輪軸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，無(wú)法原地調(diào)整輪胎方向，在對(duì)正井口時(shí)只能通過(guò)牽引車多次往復(fù)牽引調(diào)整才能對(duì)正井口，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

為此，我們研制了鉆機(jī)移運(yùn)裝置輪軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)[3]，提高了輪式移運(yùn)裝置的轉(zhuǎn)向能力，簡(jiǎn)化了移運(yùn)底座對(duì)正井口的操作過(guò)程，解決了輪軸無(wú)法原地轉(zhuǎn)向的問(wèn)題。

1 技術(shù)分析

圖1 常規(guī)輪式移運(yùn)鉆機(jī)鵝頸結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 轉(zhuǎn)向鵝頸結(jié)構(gòu)示意圖

輪軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)向耳板[4]、旋轉(zhuǎn)軸、液壓缸、液壓缸固定耳板等組成。轉(zhuǎn)向耳板設(shè)計(jì)有方孔結(jié)構(gòu)，安裝在旋轉(zhuǎn)軸的方接頭上，旋轉(zhuǎn)軸通過(guò)耳座與輪軸固定連接，這樣轉(zhuǎn)向耳板與輪軸可以同步轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向液壓缸缸筒通過(guò)銷軸固定在套筒二上，活塞桿端頭與轉(zhuǎn)向耳板連接。

轉(zhuǎn)向時(shí)，液壓缸伸出推動(dòng)轉(zhuǎn)向耳板轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)方形接頭傳遞轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩到旋轉(zhuǎn)軸和輪軸連接耳座上，帶動(dòng)輪軸總成完成原地轉(zhuǎn)向。在旋轉(zhuǎn)軸下端面設(shè)計(jì)有鎖定結(jié)構(gòu)，在不需要轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)工作時(shí)，可以用螺栓鎖定，避免外力轉(zhuǎn)向造成油缸損壞。

圖3 帶轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)輪式移運(yùn)裝置轉(zhuǎn)向示意圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓缸缸筒與活塞桿端頭均設(shè)計(jì)為可自由轉(zhuǎn)動(dòng)連接，活塞桿推動(dòng)轉(zhuǎn)向耳板轉(zhuǎn)向時(shí)液壓缸可隨之自行調(diào)整方向，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不但可以避免應(yīng)力集中，還可增大轉(zhuǎn)向角度。

旋轉(zhuǎn)軸是該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的核心部件，因結(jié)構(gòu)限制，旋轉(zhuǎn)軸的主體長(zhǎng)度近2 m，在保證使用強(qiáng)度的前提下，將旋轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)成中空鋼套，以減輕質(zhì)量。為了降低加工制造難度，提高產(chǎn)品綜合性能，將此鋼套設(shè)計(jì)成由上、中、下三部分圓筒組焊而成。

輪軸連接耳座用螺栓固定在輪軸總成上，旋轉(zhuǎn)軸與耳座間采用銷軸連接。在移運(yùn)過(guò)程中，如路面不平導(dǎo)致同一輪軸的左、右側(cè)輪胎存在高差時(shí)，輪軸可以以銷軸為旋轉(zhuǎn)軸自由旋轉(zhuǎn)，保證輪軸上兩個(gè)輪胎都接觸地面，可以避免底座載荷分布不均造成輪軸爆胎或其他構(gòu)件的變形，如圖5所示。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 轉(zhuǎn)向液壓缸選型

要使輪軸轉(zhuǎn)向液壓缸需要克服的力矩為

式中：Tqy為輪胎轉(zhuǎn)向引起的轉(zhuǎn)矩，kN·m；Tmt為輪軸與銅套摩擦產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，kN·m；Tk2為套筒端面摩擦力產(chǎn)生的彎矩，kN·m。

輪胎轉(zhuǎn)向引起的轉(zhuǎn)矩為

圖4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)剖視圖

圖5 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與輪軸連接

式中：F1為單個(gè)輪軸上的移運(yùn)載荷，kN；μ為輪胎與地面滾動(dòng)摩擦因數(shù)；Slt為輪軸轉(zhuǎn)向力臂，mm。

輪軸與銅套摩擦產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為

式中：k3為銅套與套筒間摩擦因數(shù)；Ltt為摩擦力工作力臂，mm。

套筒端面摩擦力產(chǎn)生的彎矩為

式中：Fk2為套筒端面摩擦力，N；Lk2為套筒端面摩擦力工作力臂，mm。

因此液壓缸推力為

式中，L為液壓缸工作力臂，mm。

通過(guò)計(jì)算得出輪軸轉(zhuǎn)向需要的推力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)最大設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向角度定為15°，通過(guò)放樣（如圖6）液壓缸的兩個(gè)極限位置，確定液壓缸的工作行程S≥S1-S2。

3.2 方形接頭規(guī)格確定

移運(yùn)轉(zhuǎn)向時(shí)扭轉(zhuǎn)力矩通過(guò)焊接在旋轉(zhuǎn)軸上的方形接頭傳遞到旋轉(zhuǎn)軸上，方形接頭承受轉(zhuǎn)矩為Tz。

方接頭的最小邊長(zhǎng)為

圖6 液壓缸的兩個(gè)極限位置

式中：a為扭轉(zhuǎn)系數(shù)；τ為材料抗剪強(qiáng)度，MPa。

3.3 旋轉(zhuǎn)軸規(guī)格確定

設(shè)計(jì)時(shí)初步確定旋轉(zhuǎn)軸的選型，輪軸轉(zhuǎn)向引起的剪應(yīng)力為

式中，Wt2為鋼套抗扭截面系數(shù)，m3。

移運(yùn)時(shí)牽引力引起的剪應(yīng)力為

式中，A2為鋼套截面積，m2。

牽引力引起的彎曲應(yīng)力（作用下銅套下段）為

式中：Mq2為牽引力引起的彎矩，J；W2為鋼套抗彎截面系數(shù)，m3。

等效應(yīng)力大小為

計(jì)算出各應(yīng)力均小于相應(yīng)的許用應(yīng)力，鋼套選定的設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。

3.4 輪軸連接銷軸設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)軸與輪軸連接耳座間采用銷軸連接，該銷軸主要承受移運(yùn)載荷F（根據(jù)輪胎額定承載能力計(jì)算）和輪胎轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)矩Tz。

銷軸的截面面積為式中：l為旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)向時(shí)工作力臂，mm；Fv為容許剪切應(yīng)力，MPa。

3.5 鵝頸有限元分析

鵝頸作為移運(yùn)系統(tǒng)中關(guān)鍵的承載部件，鉆機(jī)底座移運(yùn)時(shí)，鵝頸承受移運(yùn)載荷和牽引車的牽引力，因此鵝頸必須要有足夠的強(qiáng)度[3]。鵝頸由材質(zhì)為Q345的鋼板焊接而成，移運(yùn)載荷和牽引力通過(guò)外套筒傳遞到鵝頸上。

采用ANSYS軟件對(duì)鵝頸進(jìn)行有限元分析。鵝頸的有限元模型和加載情況如圖7所示，鵝頸的計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖7 額頸受力及約束模型

圖8 鵝頸應(yīng)力云圖

從鵝頸的應(yīng)力云圖可以看出，最大等效應(yīng)力為170.77 MPa。

支座材料為Q345，ReL=325 MPa，根據(jù)AISC (335-89)，材料的許用應(yīng)力為

鵝頸強(qiáng)度滿足使用要求。

4 試驗(yàn)與應(yīng)用情況

4.1 試驗(yàn)情況

移運(yùn)裝置制造完成與鉆機(jī)底座進(jìn)行了配裝，并進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向試驗(yàn)。操作轉(zhuǎn)向液壓缸（控制液壓缸同步，使各輪軸轉(zhuǎn)向角度偏差不超過(guò)1°），分3次（轉(zhuǎn)向5°、10°、15°）將輪軸轉(zhuǎn)到最大轉(zhuǎn)向角度，然后將輪軸分3次轉(zhuǎn)到直線行駛位置。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作正常，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足使用要求。

4.2 應(yīng)用情況

圖9 底座輪式移運(yùn)井場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

我公司生產(chǎn)的ZJ70DBT鉆機(jī)配套了新設(shè)計(jì)的具有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的底座移運(yùn)裝置，根據(jù)油田用戶反饋信息，我公司生產(chǎn)的帶轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的底座輪式移運(yùn)裝置使用情況良好。底座移運(yùn)時(shí)輪軸可控角度轉(zhuǎn)向與常規(guī)輪式移運(yùn)裝置相比操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)，移運(yùn)底座對(duì)正井口效率高，對(duì)正位置精確。

目前，該移運(yùn)裝置輪軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用在我公司輪式移運(yùn)產(chǎn)品中，尤其在新疆、沙特、科威特等沙漠地區(qū)油田使用效果尤為突出，受到用戶的肯定和贊揚(yáng)，為公司移運(yùn)產(chǎn)品樹(shù)立了良好形象。

5 結(jié) 論

1）移運(yùn)裝置輪軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)合理，轉(zhuǎn)向操作方便，極大地提高了鉆機(jī)搬遷效率；2）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可原地最大15°轉(zhuǎn)向，減小了鉆機(jī)移運(yùn)時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑，降低了對(duì)路面的要求，提高了底座的移運(yùn)通過(guò)性；3）在鉆機(jī)井口對(duì)中時(shí)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)提高了鉆機(jī)對(duì)正井口中心的準(zhǔn)確性。