馬強維

（江蘇如通石油機械股份有限公司，江蘇 南通 226400）

我國第一臺500t全液壓翻轉式吊卡于2010年研制成功，憑借其主體可翻轉90°的結構特征，與頂部驅動系統(tǒng)配合實現(xiàn)鉆具送入環(huán)節(jié)的自動化操作與遠程控制功能，滿足實際作業(yè)需要。通過結合吊卡結構特征與作業(yè)需求進行改進優(yōu)化方案的研究，對于促進鉆井速度加快與自動化水平提升具有現(xiàn)實借鑒意義。

1 方案設計

1.1 結構與參數(shù)設計

液壓翻轉式吊卡作為鉆機起下鉆環(huán)節(jié)應用到的作業(yè)設備，采用對開式結構設計，設備主體部分由主體、左活門、右活門、鎖舌體、自鎖機構、液壓缸、安全保險機構、補心機構、連桿機構以及旋轉機構組成。在技術參數(shù)設計上，吊卡的工作溫度為-20～+50℃，工作壓力為14MPa，額定載荷為4500kN，系統(tǒng)工作流量為15L/min，旋轉機構的旋轉角度控制在0～90°，采用電液控制模式。

1.2 基本工作原理

在吊卡運行過程中，主要依靠伸縮分級液壓油缸與連桿機構配合控制設備左、右兩側的活門執(zhí)行打開或閉合動作，在旋轉油缸的驅動下使旋轉機構帶動吊卡沿垂直方向進行90°翻轉，在設備內部設有自鎖機構，用于在設備運行振動過大或外部撞擊等作用下使鎖舌保持緊鎖狀態(tài)，防范因自動解鎖產(chǎn)生安全隱患，并且有效解決手動機械式吊卡作業(yè)環(huán)節(jié)頻繁更換的問題，提高操作安全性。

2 技術優(yōu)化與試驗

2.1 關鍵技術

在液壓翻轉式吊卡的關鍵結構設計上強化技術支持，涉及的關鍵技術主要體現(xiàn)在以下三個方面：（1）在自鎖機構設計上，吊卡主體部分采用對開式結構設計，通過將液壓油缸與連桿機構進行連接，驅動連桿機構轉動，進而帶動自鎖機構控制兩側活門的開啟與閉合動作。其中自鎖機構由檔銷、杠桿板、壓銷以及補心機構組成，當自鎖機構控制鎖舌體關閉時，吊卡設備處于運行作業(yè)模式，對補心機構施加一定的壓力，經(jīng)由襯套傳力至自鎖機構，使鎖銷自動頂出，將鎖舌鎖緊，有效防范在整體作業(yè)過程中吊卡自動開啟；當?shù)蹩ㄌ幱诳蛰d模式下，鎖銷松開、鎖舌彈出，解除自鎖狀態(tài)，將吊卡開啟。通過運用自鎖機構進行吊卡內部連接處理，能夠有效發(fā)揮安全保險作用，滿足設備自動化與安全作業(yè)需求。（2）在旋轉機構設計上，基于液壓驅動原理給予技術支持，當?shù)蹩ㄌ幱诠ぷ鳡顟B(tài)下，在液壓油缸的驅動下使旋轉機構開始旋轉，經(jīng)由過渡頭將扭矩傳導至擋板位置，促使吊卡主體部分旋轉出一個直角。在旋轉機構上設有一個固定夾頭，通過旋緊調節(jié)螺栓使吊環(huán)被包裹在尼龍卡箍內部夾緊，在此過程中支架始終處于垂直狀態(tài)，配合安全繩發(fā)揮對旋轉機構的有效保護作用。當鉆機執(zhí)行起下鉆操作時，通過主體結構與頂部驅動系統(tǒng)的配合，實現(xiàn)鉆桿、鉆具的自動送入操作。（3）在補心機構設計上，主要由補心襯套、定位銷、鎖銷總成組成，利用定位銷將襯套固定在吊卡主體部分上，與主體、活門實現(xiàn)緊密貼合，滿足各類規(guī)格大小管柱的要求，并通過與鎖銷總成的配合實現(xiàn)襯套的靈活便捷更換，防止在作業(yè)過程中發(fā)生襯套脫落問題，保證鉆具載荷均勻可靠被傳遞至吊卡主體結構上，借此有效減少現(xiàn)場作業(yè)設備布設數(shù)量、節(jié)約場地空間，便于提升作業(yè)效率、縮短設備維護時間。

2.2 優(yōu)化設計方案

雖然液壓翻轉式吊卡基于液壓驅動與電液模式能夠滿足實際作業(yè)需要，替代傳統(tǒng)手動翻轉模式，但僅能實現(xiàn)半自動作業(yè)，無法真正實現(xiàn)設備自動化控制，因此，還需對其設計方案進行優(yōu)化。

首先，從翻轉機構優(yōu)化入手，現(xiàn)有翻轉機構由液壓活塞桿、液壓閥組、液壓油缸、支架、吊環(huán)、吊卡、鉸鏈以及活門等構件組成，翻轉角度為90°且為勻速翻轉，其中支架設置在兩相鄰鉸鏈之間，鉸鏈的位置將直接影響液壓油缸輸出驅動力的大小，因此需尋求吊卡由0°翻轉至90°過程中產(chǎn)生的驅動力最大值，將其整合在一個集合內部，并求取其在極限條件下的最小數(shù)值，由此確定鉸鏈在支架上的最佳固定位置和對應的液壓參數(shù)，保證提高整體結構設計的合理性。設液壓系統(tǒng)安裝點位為x，吊卡主體結構與垂直方向的夾角度數(shù)為θ，液壓驅動力為F，液壓驅動力最大值為Fmax，液壓系統(tǒng)與水平方向夾角為α，翻轉機構受力模式下兩垂直段長度分別為d1和d2、l1和l2，則建立目標函數(shù)：

在此基礎上，已知翻轉機構最大旋轉角度為90°，根據(jù)鉸鏈兩點間距l(xiāng)計算出液壓油缸的位移量及約束條件分別為：

將吊卡主體結構參數(shù)帶入上式中，計算得出x的取值范圍為85～400mm。

其次，從液壓系統(tǒng)優(yōu)化入手，針對原液壓系統(tǒng)設計結構煩瑣的缺陷，選取雙平衡閥進行油缸控制，通過向左、右兩個方向調節(jié)電磁換向閥實現(xiàn)對旋轉角度的控制，當檢測到活門關閉信號將自動觸發(fā)反饋信號，使旋轉油缸浮動，借此有效減輕液壓沖擊，保證自動控制精度，并支持遠程控制功能的實現(xiàn)。

最后，從控制技術優(yōu)化入手，通過引入PLC控制技術實現(xiàn)翻轉功能，當系統(tǒng)檢測到鉆具送入吊卡設備內后，將活門關閉，此時，產(chǎn)生的信號將經(jīng)由通信通道傳送至接線箱處，防止反轉矩過大對油缸造成破壞作用，有效減輕人工作業(yè)強度，并且通電后實現(xiàn)對吊卡浮動狀態(tài)的控制，同樣支持遠程控制功能。

2.3 產(chǎn)品試驗

（1）仿真驗證。為針對經(jīng)由優(yōu)化設計后結構吊卡結構的合理性進行檢驗，采用ADAMS與Solidworks軟件建立液壓翻轉式吊卡的仿真模型。首先，選取吊卡設備的翻轉機構、自鎖機構等關鍵機構建立運動副，選擇在液壓油缸、支架鉸鏈連接部位建立Point，完成變量及不同構件屬性的設定。其次設定吊卡的工作狀態(tài)，使設備在勻速狀態(tài)下旋轉90°,在有限時間內完成翻轉運動，在此過程中測量設備中各項液壓元件以及轉動副的運動學狀態(tài)及受力特征，獲取時間與力、位移與力的線性關系。觀察仿真驗證結果可以發(fā)現(xiàn)，吊卡設備運行過程中的角速度基本控制在30°/s左右，整體數(shù)值波動不明顯，說明該機構設計方案具有較強合理性。

（2）荷載試驗。針對液壓翻轉式吊卡在不同復雜情況下的承載能力進行測試，選用拉力為20000kN的靜載試驗裝置對設備主體結構進行試拉試驗，將最高拉力值設定為額定載荷的1.5倍，即6750kN，在最大拉力狀態(tài)下保壓5min左右。觀察負載試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)由結構優(yōu)化設計后的液壓翻轉式吊卡整體承載能力較為穩(wěn)定，能夠有效適應極端拉力情況下的運行需要，符合設計要求。

（3）功能測試?？紤]到經(jīng)由優(yōu)化設計后的吊卡可實現(xiàn)自動化運行、遠程控制等功能，并且滿足實際生產(chǎn)環(huán)節(jié)對產(chǎn)品控制精度的要求，因此，需對設備功能實現(xiàn)情況進行測試。在該項目中針對吊卡設備的鎖舌體結構進行功能測試，選取液壓油缸伸出、縮回行程的最大值作為衡量指標，觀察測試結果可知，鎖舌體在整體測試過程中可實現(xiàn)靈活開關，與自鎖機構實現(xiàn)良好配合，并且設備兩側活門均可實現(xiàn)靈活啟閉，使得液壓吊卡主體部分旋轉范圍控制在0～90°，在保證旋轉角度精確的同時，進一步提高旋轉過程的勻速與平穩(wěn)度。

（4）整機聯(lián)調試驗。在完成仿真分析與設備結構、功能測試的基礎上，將液壓翻轉式吊卡與鉆機結合開展整機聯(lián)調試驗，觀察在此過程中吊卡作用的發(fā)揮情況。通過觀察整機運行過程可以發(fā)現(xiàn)，依托吊卡主體部分與頂部驅動機構的配合,使鉆具由貓道至井口及作業(yè)平臺處順利執(zhí)行送入動作，在此過程中，通過遠程控制有效發(fā)揮對旋轉機構的驅動作用，整體吊卡運行狀態(tài)保持精確、穩(wěn)定，且各項試驗操作結果的精度均滿足預期設計目標，具備良好使用性能。將該設備投產(chǎn)后配套鉆機進行整機交付，贏得客戶滿意與認可，并且在設備投入試用期間的故障率為零，符合作業(yè)精度要求，進一步提升作業(yè)質量。

3 結語

總體來看，通過基于API 8C標準與實際生產(chǎn)作業(yè)要求進行液壓翻轉式吊卡的設計與開發(fā)，針對產(chǎn)品原有翻轉機構的結構特征、驅動與控制模式進行優(yōu)化設計，最終設備投入使用后的試驗結果標明，設備內部各組成機構均可實現(xiàn)精確、穩(wěn)定、靈活運轉，支持自動化運行與遠程控制，且測試結果符合設計要求。該設備的成功研制與投產(chǎn)有效打破長期以來國外技術壟斷局面，在我國自主研制500t全液壓翻轉吊卡的基礎上實現(xiàn)技術創(chuàng)新，引入自動化技術、液壓控制系統(tǒng)強化技術支持，更好地提升設備作業(yè)效率、減輕人工作業(yè)強度與成本，具有良好應用前景。