顶驱通用型1 000 t拉伸试验台的研究与设计*

杨如意 于成龙 段立俊

(大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院)

0 引 言

作为钻机的关键配套设备之一，钻机顶部驱动装置(以下简称顶驱)是集机、电、液和智能化控制于一体的技术密集型产品，属于当今石油钻井中的前沿装备，其主要功能是驱动钻柱旋转、旋紧或松开钻柱接头、沿导轨上下移动完成钻井作业。

顶驱的齿轮箱是整个顶驱传动系统和主电机系统等的支撑部件，同时与吊环连接，承载钻柱重力。提环是顶驱装置重要的承载零件，销轴通过提环与齿轮箱相连，上部吊装在游车大钩上，承担顶驱和钻柱的总体重力。根据GB/T 31049—2014《石油钻机顶部驱动装置》相关规定，顶驱出厂和大修后应对齿轮箱、提环及吊环等承载部件进行1.5倍额定载荷拉伸试验，确保顶驱使用的安全性和可靠性。

目前国内市场常用的顶驱为40、50及70型顶驱，70型顶驱额定载荷4 500 kN，顶驱生产厂家包括北石、天意、景宏以及美国Varco。考虑到顶驱拉伸载荷试验的必要性和顶驱类型的多样性[1-2]，本文开展了顶驱通用型拉伸试验台技术的研究工作，并制定了相应的技术方案。

1 技术分析

1.1 整体结构

图1为拉伸试验台主体功能实现设计图。该试验台的主体设计思路为：利用液压升降平台调整顶驱放置高度；通过两个牵引车连接顶驱两端提环和吊环，从而固定顶驱；利用计算机处理系统通过控制PLC，调节液压缸伸缩带动连杆，对顶驱施加载荷；传感器检测拉力和位移信号并传输到计算机处理系统，通过该系统显示试验结果。

图1 拉伸试验台主体功能实现设计图Fig.1 The design diagram of the main function realization of the tensile test bench

根据以上设计思路，利用Solidworks软件构建了拉伸试验台三维模型，如图2所示。该顶驱通用型1 000 t拉伸试验台整体采用卧式结构，可对70型及其以下型号顶驱进行1.5倍额定载荷拉伸试验。试验台主要由主机架、位移及拉力检测系统、电液伺服系统及计算机处理系统等部分组成。

通过对试验台应力集中部位进行理论计算，并使用Solidworks软件进行强度校核，最终确定试验台主体材料选用Q345B，耳板结构及其附近高应力区域与应力集中处材料选用Q460，应力过大的筋板材料选用Q690。

1.2 工作原理

拉伸试验台将顶驱提环一端固定，另一端通过PLC控制系统控制电液伺服阀的启闭，使液压缸活塞杆带动顶驱吊环一侧进行拉伸。

拉伸工艺流程为：确定试验顶驱类型后，一方面作业人员将顶驱平卧放置在升降平台上，根据试验台拉伸方向水平线的高度确定顶驱升降位置，选用相应的吊环工装匹配接口，将顶驱与试验台进行连接，然后通过销轴固定牵引车，并在牵引车处安装位移传感器；另一方面，在计算机软件控制系统中设置相应的顶驱拉伸载荷及保载时间等参数，待顶驱安装完毕后，安装防护罩，启动控制程序开始试验[3-9]。

程序启动后，试验台油缸开始动作，逐渐拉紧工件，并按照设定的保载值和保载时间自动调节伸缩速度，同时在计算机显示屏上生成相应的拉力和位移随时间的变化曲线。试验过程中一旦发生拉力突然减小、位移变化量突然增大的情况，破断保护机构动作，系统立即卸载，防止对拉伸工件造成进一步的损坏。试验结束后可打印试验曲线，便于后续分析和讨论。试验台控制系统工作流程示意图如图3所示。

图3 拉伸试验台控制系统工作流程示意图Fig.3 Schematic diagram of the work flow of the control system of the tensile test bench

1.3 主要技术特点

(1)利用牵引车和布距固定牵引车实现试验台对不同长度顶驱的兼容性，首先根据顶驱的长度确定布距固定牵引车的位置，用销轴将其与主机架固定，再将顶驱提环与牵引车通过牵引销固定，保证不同长度的顶驱都可以在试验台进行试验。

(2)采用双组液压升降台系统实现试验台对不同高度顶驱的兼容性，根据不同类型顶驱设定不同的升降高度，使试验台拉伸方向能够始终与顶驱中心在同一水平线上。

(3)打破拉力测量的固有观念，采用反压式传感器测量系统，拉力测量范围大，占用空间小。

(4)采用电液伺服系统，将电控系统和液压系统结合，通过PLC系统控制电磁换向阀等阀组与油泵电机的配合动作，实现试验台的逐级保载及连续加载功能。

(5)通过软件设置相应顶驱的载荷参数，并能根据需要选择拉伸试验的自动/手动控制方式。

1.4 主要技术参数

公称拉力10 000 kN，测量范围2～100%FS(连续全程测量)，测量精度±1%；位移行程1 000 mm，测量精度±1%FS；最大测试尺寸(长×宽×高)6 500 mm×2 150 mm×1 100 mm；外形尺寸(长×宽×高) 21 500 mm×3 300 mm×2 000 mm；适合顶驱类型225～450 t。

2 拉伸试验台结构设计

2.1 主机架

根据北石、景宏、天意及Varco等公司设计的顶驱外形尺寸，确定了拉伸试验台被测试产品最大尺寸为6 344 mm×1 875 mm×1 400 mm。试验台主机架整体结构由主机梁、防护罩、布距固定牵引车、牵引小车、底座及地脚螺栓等组成(见图4)。主机架底座通过地脚螺栓与地面连接固定。整机全长16 920 mm，总高度1 820 mm。

1—防护罩；2—主机梁；3—底座；4—牵引小车；5—布距固定牵引车。

主机梁与布距固定牵引车通过销轴进行连接，布距固定牵引车(见图5)利用滑轮结构可在主机梁上实现每步500 mm移动，并通过操作杆控制布距销轴的伸缩，实现其与主机梁的连接固定，从而将拉伸载荷传导到主机梁上。牵引小车一端通过吊环工装与顶驱连接，另一端与加载系统进行螺栓连接，从而实现对顶驱工件的牵引。

1—布距销轴；2—操作杆；3—滑轮；4—工装接口。

2.2 加载系统

加载系统由液压缸、承载拉杆、牵引拉杆、各部分连接件和滑道等组成，结构如图6所示。它通过液压缸活塞杆逐步带动承载拉杆、活塞杆连接件、牵引车连接件及负载侧连接件在滑道上运动，通过牵引拉杆带动牵引小车向顶驱工件传递载荷，并对顶驱进行拉伸，从而实现加载功能[10]。

液压缸包括缸体、活塞杆和加强箍3部分，两侧设置为法兰结构，以与试验台连接，加强箍厚度为20 mm，作用是防止缸体变形。液压缸额定压力为26 MPa，活塞杆行程为1 000 mm[11]。

2.3 升降平台

起升平台由顶板、底板、支臂、套筒和液压缸等组成，结构如图7所示。通过调节液压缸伸缩长度来调节升降台高度。每个套筒与两个支臂组合，以满足升降时支架的长度要求。起升平台单只载荷为60 kN，升降行程700 mm。

2.4 信号采集系统

顶驱拉伸试验主要监测施加载荷值和位移变化量两个参数，因此信号采集系统主要选用拉伸传感器和位移传感器进行信号采集和传输[12]。

2.4.1 拉伸传感器

市场上常用拉力检测传感器为S式传感器，体积较大，强度较低，本文研选了轮辐式应变传感器。该传感器外形扁而大、强度高，通过采用反压式连接结构将其安装在试验台中，不仅可实现载荷检测功能，同时也减少了试验台占用的空间。

1—顶板；2—液压缸；3—套筒；4—支臂；5—底板。

2.4.2 位移传感器

本文选用了光电编码式位移传感器。试验时在顶驱安装完毕后将其固定在牵引车上，精准测量顶驱拉伸工件的位移变化量，为拉伸工件的试验结果提供可靠依据。

3 控制系统及功能设计

3.1 液压系统

试验台配套液压系统主要采用电控液原理，主要由油箱、油泵电机组、手动控制阀、自动控制阀、手动回油阀、电磁换向阀、高压球阀、管路、滤清装置、安全保护装置、压力表和液位计等组成。其中：液位计为上下双联液位计，安装在油箱右侧，用来观察液面高度；安全保护装置由溢流阀和安全阀等组成，当系统压力超过调定压力时，溢流阀和安全阀会自动卸载以保障液压系统的安全；液压源正面装有控制箱，控制箱内装有空气开关和启动按钮，并设有手动控制阀和手动回油阀旋钮。液压系统额定工作压力26 MPa，安全阀调定压力31 MPa，额定流量3.5 L/min，电动机功率18 kW。拉伸试验台液压系统原理图如图8所示。

图8 拉伸试验台液压系统原理图Fig.8 Schematic diagram of the hydraulic system of the tensile test bench

通过自动和手动两种控制方式控制液压缸活塞的伸缩速率和伸缩长度，实现试验台的连续加载和逐级保载功能，步骤如下。

(1)手动控制阀、手动回油阀与电磁换向阀组合使用，实现加载和卸载。顶驱安装完毕后，应先将两个高压球阀打开。然后合上控制箱空开，工作人员在控制软件中进行如下操作：将24 V电信号传输给三位四通电磁阀开启位，检查三位四通比例电磁阀关闭位，并且在确定手动回油阀已关闭后按下控制箱上启动按钮，启动油泵电机；通过手动操作控制箱上的手动控制阀旋钮实现加载和卸载(活塞的前进、后退)，顺时针旋转旋钮，送油流量/加载速度变小直至为0，反之送油流量/加载速度增大。液压控制系统通过对电机、三位四通阀及液控单向阀等的控制，可以实现26 MPa油压的控制输入。试验结束后打开手动回油阀回油，液压缸恢复初始状态。

(2)自动控制阀通过计算机进行控制，实现试验台力/位移的自动控制[13]。在自动控制方式下，仍需先将两个高压球阀打开，合上控制箱空开，确认手动控制阀、手动回油阀和三位四通电磁阀已关闭。按下控制箱上启动按钮，启动油泵电机，同时通过控制软件输入相应保载参数，启动自动控制程序，将24 V电信号传输到三位四通比例电磁阀进行阀门开度自动调节，实现液压缸加载的自动控制。

3.2 电控系统

电控系统采用VC++语言编程开发专用软件，能够设置相应保载参数、破断参数，以及进行试验力、位移的测量控制及数据处理，并且可对材料试验的全过程进行监控，具有曲线、数据存储功能及曲线放大功能[14]。图9为参数设置界面。图10为控制面板和曲线显示界面。

图9 参数设置界面Fig.9 Parameter setting inferface

图10 控制面板和曲线显示界面Fig.10 Control panel and curve display interface

电控系统硬件采用全新一代PLC SIMATIC S7-1500组件模块。其中：电源模块设置高低压隔离的直流稳压双电源结构，实现PLC系统供电电源稳定输出；AI/DI输入模块通过采用信号放大、A/D转换方法，完成多路模拟量和数字量信号的处理；AO/DO输出模块采用光电输出、D/A信号转换及功率二次放大的方法，完成多信号源控制[15-16]。电控系统控制液压系统动作，实现试验台拉伸功能，其控制策略如图11所示。

图11 电控系统控制策略流程图Fig.11 Flow chart of control strategy of electronic control system

4 实际应用

2020年5月在某车间使用顶驱通用型1 000 t拉伸试验台对某40型顶驱进行了齿轮箱大修后拉伸试验，设定最大试验载荷为3 375 kN(1.5倍额定载荷)。试验结果表明，顶驱齿轮箱、提环和吊环等承载部件试验过程中无位移变化量(即无形变)，顶驱强度满足使用要求。

试验结束24 h内，分别使用磁粉探伤仪和超声波探伤仪对顶驱承载部件进行了表层探伤和内部探伤，探伤结果良好，顶驱承载部件无损伤，验证了拉伸试验台试验结果的准确性。

5 结论及认识

(1)设计的顶驱通用型1 000 t拉伸试验台利用牵引车、布距固定牵引车和升降平台的组合安装方式，克服了因尺寸不同而无法兼测多类型顶驱拉伸性能的难题，实现了70型及其以下类型顶驱兼容性拉伸检测。

(2)为拉伸试验台开发的软件系统可根据实际需要选择自动、手动控制方式，具体为：通过计算机软件控制系统+三位四通比例电磁阀组合实现自动控制，提高系统控制精度；通过手动控制阀+手动回油阀+三位四通电磁阀组合使用实现手动控制，以满足自动控制系统出现故障后，可采用手动控制方式进行拉伸试验的要求，并充分满足拉伸工件的逐级保载、连续加载等多种试验功能要求，能够最大化地模拟顶驱现场实际工况，使试验结果更具可靠性。

(3)试验台应用结果表明：该试验台具备顶驱拉伸性能检测能力，操作简便，可实时显示和打印试验结果，同时安全性高，具有检测破断后自动卸载等功能。目前，该拉伸试验台仅考虑进行顶驱拉伸试验的需求，若要同时兼容钻杆和套管等工件的拉伸试验，可对整体尺寸采取进一步优化的方式，同时还可根据需要增加拉伸工件应变检测系统，对工件的应力集中点进行实时显示和应力监测。