沙漠移运钻机拖撬起升机构的同步问题研究

2014-11-18刘永胜廖丽华王维旭周天明李凯于浩

机床与液压 2014年20期

刘永胜，廖丽华，王维旭，周天明，李凯，于浩

(1.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西宝鸡 721002;2.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡 721002)

据统计，我国的钻井费用约占石油工业总投资的40%，钻井成本已经成为影响原油开采成本的一个关键因素［1］。钻井成本包含两个方面:(1)直接钻井成本;(2)钻井前期和钻井后期的辅助成本，即运输成本和停工成本［2］。在当前激烈竞争的石油行业中，设计开发能够缩短搬迁时间的整体移运钻机，可以大大降低钻井前期成本即运输成本，是降低钻井成本的有效途径［3］。

1 沙漠移运钻机简介

近年来某公司研制成功的ZJ50DBT 和ZJ70DBT系列沙漠移运钻机，能够实现井架、底座在工作位置的整体移运，井架和底座均处于下放位置的整体移运，拆掉井架将底座单独整体移运3 种移运方式。该钻机结构新颖、独特，其形式为抬桥式机构，左右基础之间通过两个横梁和连接架连接。井架、底座在工作位置进行整体移运时，液压缸顶起主机拖撬部分，通过拖撬两端的鹅颈承重，轮胎受力着地，牵引车牵引运输［4］。如图1 所示。

主机拖撬起升采用液压同步的方式。ZJ50DBT 系列钻机整体移运质量有700 多吨，由于采用了液压传动，其动力设备可以与主机分开安置，对于此种负载特别大的场合，可以通过加大液压缸直径或采用多缸联合工作的方式来解决。当采用多缸驱动，可以驱动的负载理论上是没有限制的。此种场合采用多缸驱动为宜。

图1 沙漠移运钻机示意图

2 常用同步控制回路

在多缸工作的液压系统中，常常会遇到要求两个或两个以上的执行元件同步动作的情况。实现多缸同步动作的方式有多种，常见的同步回路有:机械刚性联接同步回路、液压缸串联同步回路、调速阀同步回路、分流集流阀同步回路、同步缸同步回路、同步马达同步回路、电液比例调速阀同步回路、伺服阀同步回路等［5］。这些回路的控制精度和价格也相差较大，实际应用中应根据系统的具体要求进行合理的设计。

3 拖撬起升机构同步回路的选择

沙漠移运钻机拖撬起升机构升降要求由8 个相同型号的液压缸共同完成。由于每打完一口井钻井才需移运到下一个井位，间隔时间很长，起升机构使用很不频繁，为了既能满足使用要求又能节约成本，现有设计只考虑开环控制回路。设计时尽量保证8 个液压缸的负载均匀。但实际情况中，由于液压缸位置的安装误差和液压缸内部零件的加工误差，通向各液压缸的管路长短、管路的弯曲次数和度数不同以及管道内壁的粗糙度不同等原因，使油液的阻力不同，都可以造成在同样的负载下液压缸需求的压力不一样。这个问题不妥善地解决将严重影响主机拖撬的起升和下降，甚至造成事故。考虑到八个工作液压缸的负载相对来说是比较均匀的，而负载的不均匀性经常会有小的波动，且人工调节使得8 个液压缸的负载一致比较困难，故不采用调速阀等的调节方法，采用分流集流阀同步回路和同步马达同步回路来实现同步工作较为可行，这里仅选用分流集流阀来实现其同步工作。当采用不同的液压系统方案时，可以产生不同的效果。单从分流集流阀的性质和用途出发，机械地来确定液压系统;另一种根据分流集流阀的特性并应用一些力学以及几何学知识加以分析，从而简化达到更好的效果。

4 设计方案分析

考虑到分流集流阀的性质(单从分流集流阀的基本回路方案来讨论，不是具体的液压系统的原理图)。这里采用3 种方案来分别讨论:

(1)方案一

从性能上来机械地应用分流集流阀，如图2 所示，系统中的8 个液压缸由3 组3 种型号的7 个分流集流阀来保证液压缸1、2，3、4，5、6，7、8 之间的同步。泵的流量通过各级分流集流阀均匀地分配到8 个液压缸，从而保证其同步性能。从理论上来说该种方案是可行的，但是在实际中该种方案不能奏效，随着控制元件的增加、管路的加长，势必造成压力能的损失增大、油温升高、系统效率降低，达不到同步性要求的精度。

图2 方案一

(2)方案二

如图3 所示，系统由2 组2 种型号的3 个分流集流阀来共同实现系统同步，它们之间的不同步性在液压缸的运动中能自动补偿。

图3 方案二

以第一组液压缸为例，当液压缸顶起负载时，若液压缸1 的负载小于液压缸2 的负载时，缸1 就先动作，此时缸3、4 也同时顶起负载，对液压缸1、2、3、4 的共同负载来说，即使它们的负载是不连续的，总是具有一定的牵连作用。在结构上使4 个液压缸具有一定的刚度也是容易做到的，所以液压缸1 稍微一顶起，实际上是微量的升起或者是一种升起的趋势，这种改变必然增加缸1 对负载的承担，从而使缸2 负载向减小的方向变化，当这种变化仍然使缸1 的负载小于缸2 的负载时，那么此变化会一直持续下去直到缸1 和缸2 的负载相等为止。使液压缸1、2 负载自动趋于相等，从而保证了它们之间的同步性。同理，液压缸3、4，5、6，7、8 也能实现负载自动补偿。第一组液压缸和第二组液压缸也能实现自动补偿功能，从而保证了整个工作台面同步升降。

(3)方案三

通过方案二的讨论，并考虑到8 个液压缸的负载是一个矩形负载。从几何学的对称性出发，一个矩形负载只要它的两根对称轴能够同步地升降就能保证整个矩形上的各个点同步地升降。方案三的液压原理如图4 所示，这里把8 个液压缸在矩形负载上的空间布置方案分为3 种，如图5 (a)、(b)、(c)所示。这3 种空间布置方案只有图(a)要求整个负载具有一定的刚度;图(b)只要求两条对称轴具有一定的刚度，但负载对8 个液压缸的均布比较难达到;图(c)也只要求矩形负载的两条对角线有一定的刚度，这种布置方式负载的均匀性也比较容易达到，所以是一种较好的布置方式。

图4 方案三

图5 液压缸布置图

ZJ50DBT 系列钻机采用的就是方案二和图5 (a)的空间布置方式，在实际的应用中能够较好地实现同步控制要求。但是如果采用图5 (c)的空间布置方式，该液压系统就只需两个分流集流阀就能实现同步。液压缸1、2，7、8 和3、4，5、6 的负载不均匀性通过八个分别在两条对角线上两组液压缸的运动来达到自动均匀，同步原理同方案二。

通过比较后发现，方案二优于方案一，方案三优于方案二，方案三应用几何学的对称思想后，液压回路中只用了两个同种型号的分流集流阀就能达到工作要求并且管道的规格也相应减少，降低了设备制造的费用，由于少了一个分流集流阀使系统的效率也得到了相应的提高。从液压系统设计角度，不失是一种好的优化设计方案。