自适应天车导绳轮的结构设计

□ 李永飞 □ 周小明 □ 王小权 □ 曾兴昌 □ 王军伟

1.宝鸡石油机械有限责任公司 陕西宝鸡 721002 2.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司 陕西宝鸡 721002 3.长城钻探工程有限公司 北京 100101

1 设计背景

天车起升系统是钻机的重要组成部分[1-3]。提升钻杆时,钢丝绳通过天车导绳轮缠绕在绞车滚筒上。绞车滚筒为带有绳槽的圆柱结构。现有天车导绳轮结构如图1所示。随着绞车滚筒容绳量的增加,钢丝绳很容易产生乱绳现象。钢丝绳在绞车滚筒上左右移动,在导绳轮轮缘处会产生一个偏角[4],由此钢丝绳在导绳轮轮缘处会产生很大的侧向力,不仅加剧导绳轮偏磨,而且使导绳轮轴承工作工况更恶劣[5-7]。导绳轮与绞车滚筒工作示意图如图2所示。导绳轮焊接在天车架上,钢丝绳在绞车滚筒上进行轴向移动缠绕,与导绳轮径向中心面形成夹角α和β,α和β在一定范围内变化。由于导绳轮与绞车滚筒径向中心面存在偏心距e,因此α与β不相等。由此,导绳轮在绳槽出绳点会受到较大的侧向力F1与F2作用[8-9]。侧向力很容易使钢丝绳在绞车滚筒上产生乱绳现象,同时也会影响导绳轮的稳定性,加剧磨损,缩短轴承及钢丝绳的使用寿命。当侧向力过大时,会导致轴承压板的压紧螺钉松动,使轴承脱落。

笔者以如何减缓或消除导绳轮所受钢丝绳的侧向力为主要研究内容,对自适应天车导绳轮进行结构设计与受力分析。结果表明,所设计的自适应天车导绳轮从根本上消除了导绳轮在绳槽出绳点所受的侧向力,关键零部件的强度完全满足天车的使用要求。

▲图1 现有天车导绳轮结构

2 现有天车导绳轮结构特点分析

通过对钢丝绳乱绳及导绳轮偏磨的分析可知,当钢丝绳偏离导绳轮位置时,会在导绳轮轮槽处及钢丝绳与滚筒接触面产生侧向力。偏离距离越大,侧向力就越大。当钢丝绳与绞车滚筒间的摩擦力不足以克服侧向力时,钢丝绳就很容易在绞车滚筒上滑动,导致乱绳现象。这一侧向力还会使导绳轮轴承产生很大的倾覆力矩,加剧导绳轮轮缘的偏磨,甚至造成导绳轮失稳或轴承脱落。因此,减小钢丝绳与绞车滚筒及导绳轮之间的侧向力,对于减少绞车滚筒乱绳,缓解导绳轮偏磨具有实际意义。导绳轮或绞车滚筒所受钢丝绳的最大侧向力为:

▲图2 现有天车导绳轮与绞车滚筒工作示意图

F1=Fsinα

(1)

F2=Fsinβ

(2)

式中:F为天车提升钻杆时钢丝绳的拉力。

由上述分析可以看出,减小钢丝绳对导绳轮及绞车滚筒的侧向力,可以从三方面进行研究。

(1)适当减小绞车滚筒宽度,可以减小钢丝绳位于绞车滚筒两端时与导绳轮径向中心面的夹角。

(2)增大导绳轮与绞车滚筒间的距离,可以减小钢丝绳位于绞车滚筒两端时与导绳轮径向中心面的夹角。

(3)改进导绳轮结构,使导绳轮在转动的同时可以随钢丝绳左右摆动,进而减小甚至消除钢丝绳位于绞车滚筒两端时与导绳轮径向中心面的夹角。

由于钻井设备受空间布局的限制,若减小绞车滚筒宽度,会增大绞车滚筒上缠绕钢丝绳的厚度,这样不利于绞车滚筒的设计和现场实际使用。受钻台面的限制,也不可能将导绳轮与绞车滚筒之间的距离无限增大,并且这样做对减小钢丝绳位于绞车滚筒两端时与导绳轮径向中心面的夹角并不显著。

对导绳轮结构进行研究,在保持各钻井设备结构布局不变的前提下,使导绳轮可以随钢丝绳在一定范围内左右摆动一定角度,进而在很大程度上减小甚至消除钢丝绳位于绞车滚筒两端时与导绳轮径向中心面的夹角。导绳轮径向中心面与钢丝绳的夹角为0°,导绳轮在轮缘处不会受到钢丝绳侧向力的影响,这样就不会导致导绳轮偏磨、失稳或轴承脱落现象,同时可以在很大程度上降低钢丝绳在绞车滚筒上乱绳的概率。

3 自适应天车导绳轮结构

通过对现有导绳轮的受力分析,以实现导绳轮随钢丝绳一起自由摆动一定角度为目标,将导绳轮设计为可绕钢丝绳中心线旋转一定角度的结构[10]。自适应天车导绳轮结构如图3所示,主要包括固定支架、可转动支架等。可转动支架通过同轴的上部旋转轴及下部转动支座,可以相对固定支架左右摆动一定角度。将导绳轮安装在可转动支架上,实现导绳轮以钢丝绳中心线为轴线在一定范围内左右摆动,进而达到减小甚至消除钢丝绳在导绳轮轮缘处偏磨的目的,同时减少甚至消除绞车滚筒乱绳。

▲图3 自适应天车导绳轮结构

天车在提升钻杆的过程中,钢丝绳在绞车滚筒上缠绕并做轴向移动,在钢丝绳与绞车滚筒的接触面及导绳轮轮缘上均产生侧向力。由于导绳轮可以相对固定支架在一定范围内随钢丝绳左右摆动一定角度,因此导绳轮在轮缘侧向力的作用下,与可转动支架一起绕固定支架左右摆动一定角度,并且始终使导绳轮径向中心面与钢丝绳共面,从而达到消除钢丝绳对导绳轮轮缘及钢丝绳与绞车滚筒接触面产生侧向力的目的,同时降低钢丝绳在绞车滚筒上乱绳的可能性,减小导绳轮的磨损。

自适应天车导绳轮与绞车滚筒工作示意图如图4所示。

▲图4 自适应天车导绳轮与绞车滚筒工作示意图

4 关键部件强度分析

自适应天车导绳轮工作时,可转动支架主要通过上部旋转轴及下部转动支座与固定支架相连实现转动。由工作原理分析可以看出,可转动支架在受力情况下相当于一个悬臂梁,固定支架、可转动支架及相应接触面的接触强度较大。笔者对自适应天车导绳轮上述关键部件进行强度分析[11-14]。

自适应天车导绳轮有限元模型如图5所示,载荷约束如图6所示。

▲图5 自适应天车导绳轮有限元模型

经有限元计算,天车钢丝绳所承受的最大拉力为277.4 kN。为安全起见,假设导绳轮进出钢丝绳平行,因此可转动支架两个连接孔上的受力为554.8 kN。

▲图6 自适应天车导绳轮载荷约束

由此,对可转动支架每个轴承孔施加的力的大小为277.4 kN。

固定支架及可转动支架材料为Q355B低合金结构钢,屈服强度为325 MPa。上部旋转轴、下部固定座、下部转动支座材料均为35CrMoA合金钢,屈服强度为540 MPa。

固定支架应力云图如图7所示,可转动支架应力云图如图8所示,上部旋转轴应力云图如图9所示,下部固定座应力云图如图10所示。

▲图7 固定支架应力云图

由图7～图10可知,自适应天车导绳轮所有关键部件的最大应力均远小于材料的屈服极限。因此,自适应天车导绳轮的结构强度满足天车的使用要求。

▲图8 可转动支架应力云图

▲图9 上部旋转轴应力云图

▲图10 下部固定座应力云图

5 结束语

笔者通过对目前石油钻机天车导绳轮严重偏磨、绞车滚筒钢丝绳乱绳的原因及天车导绳轮的结构进行分析,设计了一种自适应天车导绳轮。经理论分析及对自适应天车导绳轮关键部件进行有限元分析,确认这一自适应天车导绳轮从根本上消除了导绳轮所受的侧向力,同时消除了导绳轮偏磨、钢丝绳磨损、钢丝绳在绞车滚筒上乱绳现象,关键部件强度均满足材料强度要求和天车使用要求。