铁钻工冲扣钳钳牙参数敏感性分析

2019-10-11闫文辉郭李彤段正勇

西安石油大学学报（自然科学版） 2019年5期

闫文辉，郭李彤，彭勇，段正勇，吴恒，胡楠

(1.西安石油大学机械工程学院，陕西西安 710065； 2.南阳理工学院机械与汽车工程学院，河南南阳 473000；3.宝鸡石油机械有限责任公司研究院，陕西宝鸡 721002)

引言

铁钻工是自动化钻井生产中钻机的配套设备，作为液压动力大钳的升级替代产品，铁钻工能够安全、高效地完成钻具的上卸扣和紧冲扣等工作。近年来，虽然国内研制铁钻工的厂商较多，但大多数还处于工业性试验、定型阶段，现场钻井作业中仍然广泛使用液气大钳[1]。铁钻工配合其他设备在钻井平台上使用，容易实现自动化控制，操作人员远离井口作业，提高了作业时的安全性。在进行作业时不需要根据钻杆直径的变化更换相应的鄂板，操作简单，工作效率高[2]。目前欧美的主要石油设备厂商已开发出几代铁钻工产品，其产品的应用也比较普遍[3]。

目前国际上常见的铁钻工产品根据结构的不同，大体可分为手臂式和落地式，主要结构均包括移动装置和钳体两部分[4]，钳体分为旋扣装置和冲扣装置，结构简单，便于保养与维修。冲扣钳由上钳和下钳组成，采用开放式箱体结构，通过夹紧液缸的伸缩带动夹持机构和滑块总成运动，从而实现钳口的开合，完成对不同直径钻具的夹持；上、下钳之间设有导轨和冲扣液压缸，通过冲扣缸的伸缩实现冲扣/紧扣动作[5]。

本文主要对铁钻工钳牙进行研究，分析钳牙与石油管柱外壁的接触、摩擦特性、磨损原因等问题，讨论关键参数对扭矩的影响，为钳牙的设计提供理论指导。并在此基础上，以管柱咬痕小于1 mm、钳牙寿命更长、提供更大的扭矩为目的，对钳牙各参数与摩擦系数之间的关系进行分析，以寻求最优参数。

1 钳牙与管柱接头外壁接触应力分析

齿形钳牙的齿形方向平行于管柱旋转轴线，考虑起钻时管柱表面的污染，钳牙齿通常不连续。以直齿形钳牙为例，卸扣过程中，垂直于管柱轴线的截面内齿形钳牙与管柱的接触示意图如图1所示。

卸扣过程中，在液压系统的作用下产生法向力Fn，推动钳牙抱紧管柱接头外壁，阻力扭矩为T。在液压力的作用下，钳牙咬入管柱接头外壁，不打滑的情况下，钳牙在液压系统的驱动下旋转，带动管柱转动，实现冲卸扣功能[6]。以钳牙的两个齿形为例，钳牙齿与管柱接头外壁的咬合状态如图2所示。

图1 卸扣过程中齿形钳牙与管柱的接触与扭转Fig.1 Contact and twist between clamp tooth and pipe string during breaking-out operation

图2 齿形钳牙与管柱接头外壁的咬合Fig.2 Occlusion of clamp tooth and external wall of pipe string joint

图2中，θ为钳牙齿的牙型角，h为钳牙齿的高度，r1、r2分别为钳牙齿的牙顶角和牙根过渡圆角半径，R为管柱外径，t为钳牙齿咬入管柱接头外壁的深度，p为钳牙齿的牙顶周向距离。

1.1 受力分析与防止打滑的条件

设钳牙齿数为n，每个齿沿管柱轴线方向的长度为l，上卸扣时的阻力扭矩为T。钳牙咬入管柱接头外壁的深度不允许过大，为安全起见，可以认为每个钳牙齿的切向力对管柱的作用力臂为R-t。则在克服阻力扭矩T时，钳牙受到的切向力为

(1)

钳牙在上卸扣过程中，压痕的单侧总是受挤压传递扭矩，挤压侧面会产生很大的摩擦力Ff。顺时针运动时，以钳牙为研究对象，分析其受力情况[7-8]，如图3所示。

图3 压痕侧面受力分析Fig.3 Stress analysis of indented side

图3中，将Fit沿咬痕侧面正交分解，即分解成垂直于压痕侧面和沿压痕侧面的2个分力Fitn和Fitt。则摩擦力

Ff=Fitnf；

(2)

式中：f为钳牙与管柱接头外壁咬痕接触面的摩擦系数。

Fitn=Fitcos∠OPQ。

(3)

在三角形△POQ中，有

(4)

综合式(1)、(3)、(4)，可得：

(5)

对于钳牙齿，匀速上卸扣过程中受力平衡，满足方程组：

(6)

综合式(1)、(2)、(5)、(6)，可得：

Fn(R-t)fv=T。

(7)

(8)

在上卸扣过程中，钳牙齿和管柱接头不允许打滑，因此钳牙齿咬入管柱接头外壁时产生的当量摩擦力矩应大于阻力矩[9]，即

(9)

1.2 钳牙咬入条件

钳牙齿在法向力Fn作用下咬入管柱接头外壁的深度为t时，每个压痕的有效受力面积为：

(10)

所以，正压力Fn在管柱接头外壁产生的压应力为：

(11)

钳牙齿要能咬入管柱接头外壁，则此应力应达到管柱接头材料的屈服强度σgy，则

(12)

实际应用时，管柱接头材料的屈服强度可以用其压痕硬度代替。

2 管柱与钳牙强度分析

2.1 压痕抗挤压强度条件

Fitn在管柱接头外表面压痕侧面的作用面积为

(13)

所以Fitn在管柱接头外表面压痕侧面产生的压应力为

(14)

为保证上卸扣过程中管柱接头外表面的接触面不被压溃，应满足

选取我院2013级护理专业四年制同一年级两个双证书班，共118名学生为研究对象，分为实验组和对照组，两组均在第二至第三学期开设护理学基础课程。两组护生在性别、年龄、入学水平方面比较，差异无显著性（P＞0.05），具体见表 1。

(15)

式中：[σgbc]为管柱材料的许用抗压强度。

2.2 钳牙齿咬入部分抗剪切强度条件

钳牙齿咬入部分的受剪面积与钳牙齿在法向力Fn作用下能咬入管柱接头外壁的深度为t时每个压痕的受力面积相同。而所受剪力则为Fit，所以钳牙齿咬入部分的剪切应力为：

(16)

则钳牙齿咬入部分的抗剪断强度条件为：

(17)

式中：[σqc]为钳牙齿材料的许用剪切强度。

2.3 牙根抗弯曲强度条件

保守地，每个钳牙齿根受到的弯矩可近似为

(18)

钳牙齿根受弯截面的抗弯系数为

(19)

所以，钳牙齿根的弯曲应力为

(20)

为避免钳牙齿的齿根折断破坏，应满足

(21)

式中：[σqb]为钳牙齿材料的许用弯曲强度。

3 钳牙齿的磨损分析

除避免上述钳牙齿的失效形式之外，另外一个不可避免的失效形式是磨损。在载荷作用下，运动副之间的摩擦导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移。磨损会影响铁钻工的效率，降低其工作的可靠性[10]。影响钳牙齿磨损的主要因素包括材料性能、载荷工况、几何结构及环境等。对于钳牙齿而言，材料性能主要是硬度和弹性模量，在满足抗弯强度、抗剪强度及抗压强度的同时，尽可能提高材料的表面硬度，选择弹性模量较高的材料。载荷工况主要是载荷大小、作用次数，载荷越大、循环次数越多，磨损量就越大。几何结构主要决定钳牙齿与管柱接头外壁的接触应力的大小、应力集中等。环境因素主要是温度、润滑，温度的升高会加速磨损，而润滑虽然有降低磨损程度的作用，但会导致摩擦力降低，容易出现打滑现象。

4 钳牙参数敏感性分析

本文研究的影响钳牙齿与管柱接头外壁接触时当量摩擦系数fv的因素有咬痕深度t、牙型角θ、钳牙牙顶倒角半径r1、管柱外半径R。根据式(8)分析4个因素对当量摩擦系数fv的影响。钳牙齿与管柱接头外壁接触时，管柱为高合金钢，钳牙为碳素钢，根据2种材料选取摩擦系数f为0.12，各参数的取值水平见表1。

表1 当量摩擦系数的因素及其水平Tab.1 Factors of equivalent friction coefficient and their levels

正交试验设计利用一套规格化的正交表[11]安排试验， 4个因素4个水平对应的可选用的正交表为L16(45)，即进行16次试验。将咬痕深度t、牙型角θ、钳牙牙顶倒角半径r1、管径外半径R这4个因素分别标记为A、B、C、D，表中有一列为空列标记为E，其正交设计及试验结果见表2。

正交试验结果的分析方法有2种，即极差分析法(直观法)和方差分析法。极差分析法具有计算简便、简单易懂等优点，是正交试验结果分析常用的方法[12]。对上述正交试验结果进行极差分析，得到极差结果见表3。

由表3可知，因素B的极差最大，表明牙型角θ对当量摩擦系数fv的影响最为显著，其次是咬痕深度t和管柱外半径R，钳牙牙顶倒角半径r1的极差最小，对当量摩擦系数fv的影响几乎可以忽略不计。

表2 正交设计及试验结果Tab.2 Design and results of orthogonal tests

表3 试验结果统计分析Tab.3 Statistical analysis of orthogonal test results

绘制咬痕深度t、牙型角θ、管径外半径R在正交试验4水平值下的当量摩擦系数fv均值折线图如图4所示。由图4可知，要求咬痕深度t≤1.0 mm时，对常用管柱直径系列(即管柱外半径R水平1、水平2、水平3，分别对应管柱直径为D=88.9 mm、114.3 mm、127 mm)，牙型角θ的最佳取值介于其水平2(θ=80°)与水平3(θ=100°)之间。