关于20DBX斜井钻机液压动力钳的一些问题
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关于20DBX斜井钻机液压动力钳的一些问题
摘要:本文就20DBX斜井钻机的液压大钳在上下运动时出现的失衡问题进行了定性的分析,
从缩小累积误差,增大误差范围两点入手,提出了一些改进意见
关键词:斜井钻机 液压大钳 多级油缸 允许误差
20DBX斜井钻机是利用井架倾斜一定角度后,由地面开始钻斜井,适用于钻
定向井、浅层水平井等井型。钻机属于车载拖装钻机,与常规钻机相比,可减少
井场占地面积和钻机的移运时间。20DBX斜井钻机用途广泛,是我公司开发可用
于海洋、海滩和陆地的斜井、直井、斜定向井、丛式井施工,还可用于钻地热井,
开发地热资源等。
20DBX斜井钻机的另一突出特点就是其井口工具利用液压原理的高度自动
化。液压机械手,液压式排管架,液压大钳,气动卡瓦,这些井口工具完全可以
在司钻房内实现一体化操作,大大提高了起下钻、钻杆上卸扣的效率,也提高了
其安全性能。高度液压自动化的同时也出现了一些问题,比如液压大钳的上下运
动的问题。
液压大钳是在石油钻机上使用的一种工具,主要是用液压驱动进行管类钻具
紧扣、松扣作业的拧卸工具。液压大钳又称动力大钳或钻杆动力钳,其动力是气
动或电动。液压大钳分为上钳、下钳两部分,下钳只卡紧下部管体或接头,上钳
卡紧上部管体或接头后能够正转、反转,可代替普通大钳及旋绳器完成拧卸操作,
安全、减轻体力劳动。
20DBX斜井钻机采用的是江苏如石机械有限公司所生产的TZQ340/100Y型液
压动力钳,主钳由液压马达驱动,经过齿轮减速带动钳头旋转,实现夹紧和旋转
管柱,背钳由液压缸驱动夹紧;主钳与背钳通过连杆机构和升降液压缸连接,可
调节之间的距离。同时,出于上卸扣的需要,大钳整体也通过四个小型液压缸在
大钳四个端角处连接到井架,可整体沿轨道前后上下移动。
在进行大钳的整体上下移动时,发现大钳此功能无法实现,在给出缩缸和出
缸的信号后,大钳不能上下移动。在排除了液压管线的问题和电磁阀的故障可能
性后,问题只有可能出现在四个多级液压缸上。在给出缩缸的信号后,液压管线
明显有动静,司钻房压力表也显示有压力,可是四个多级缸没有动作。一种可能
性是油缸拉力不够:
根据上图油缸铭牌可知,油缸外径85mm,活塞外径即油缸内径55mm,额定压
力21MPa,由此可知此油缸最小拉力:
NmmNPSF125.498675514.341/12122
所以四个多级油缸的最小提升力为NFF5.199468125.4986744总
而液压大钳的总质量是3200kg,即32000N,由此可见,液压缸拉力远大于
液压大钳的重量,拉力是足够大的。此种可能性排除。
经过反复多次试验和仔细观察,发现四个油缸中在同一侧的两个其实是有微
量的收缩量,其余两个没有丝毫收缩。收缩的两个油缸一侧的轨道和井架之间缝
隙较大,而未收缩的两个油缸一侧的轨道和井架之间几乎没有缝隙,两侧轨道的
提升量有差别。用水平仪测出液压大钳在油缸收缩起升时确实不平衡,由此得知
是因为起升时大钳不平衡导致大钳卡在轨道上。正常起升时,轨道和井架之间的
间隙只有2-3毫米,大钳只要有少许倾斜,就会卡在轨道上,不能正常运作。而
导致大钳倾斜的直接原因就是四个多级油缸的不同步性,或者说同步性不够,由
于四个端角的液压缸位置不同,从而导致液压管线长度不一,就会造成油缸少量
的不同步性。四个油缸分布在大钳四个端角,每一个油缸的同步性都不一致,从
而导致四个端角的起升时机存在一定误差,一个端角一点误差,四个端角的综合
误差就会比较大,同时因为轨道之间的间隙较小,配合较紧密,本来就不能允许
太大的误差,所以就导致了大钳的卡在轨道上,上下动作不能实现。
为了解决这个问题,就要从两个方面入手,一方面尽量减少油缸的累积综合
误差,另一方面加大大钳轨道的误差允许量,使其允许误差量大于油缸的综合误
差量。考虑到四个油缸的累积综合误差较大,可以适当减少油缸数量,将四个端
角的油缸位置移到两侧的中间位置,从而大大降低综合误差量。但是减少了油缸
的数量,总的提升力也会相应减少,为了增加提升力只能选择行程较大的单级油
缸。这样,四个端角的多级油缸换成两侧中间位置的单级油缸,从而减少了油缸
的累积综合误差。同时,在油缸管线分流处设置一个比例调节补偿阀,在油缸进
油口处安装流量传感器,时刻监测两路液压油分流量大小,通过PLC闭环控制系
统进行补偿调节,这样就会大大减少两个油缸的同步误差。另一方面,采用中间
双缸相比较四个端角的四缸结构而言,其轨道之间的误差允许范围大大增大。
轨道之间的误差范围增加,油缸的同步性累积误差减少,当轨道之间的允许
误差范围大于油缸的同步性误差时,液压大钳的上下动作问题迎刃而解。
其实,20DBX斜井钻机中出现的好多问题都是基于液压方面的问题,纷繁复
杂的液压系统是一个令人很头疼的问题。设计者的意图很很明显,就是打造一套
高度机械自动化、人性化的钻机,可是这就需要很多高科技产品和一套庞杂的液
压系统,越是复杂的东西越是容易出现问题,而且出现问题后,一般非专业人员
很难发现并解决。所以解决目前20DBX斜井钻机所出现问题的一切指导思想就是
——简化,在尽量不损失其功能的前提下进行优化,一条液压线路上能用一个换
向阀,不用七个;实现同一个功能的线路越少越好;一些可有可无的辅助功能可
以适当弃用。还有,在设计和拟制一项功能时,应适当考虑现有的加工技术和水
平,并不是越精密越好的,只要达到其功能水平就可以了,适当考虑其经济适用
性。
20DBX斜井钻机的前景非常广阔,我们现在的主要任务就是使得我公司自主
研发的首套2000m斜井钻机顺利、保质保量的出厂,去井队展现自己的耀眼光辉。
为了这样的目标,我们现在要排除万难,想尽一切办法,去克服和解决钻机在调
试过程中出现的一系列问题。为以后研发的更多更先进更人性化的钻机取得宝贵
的经验。
感谢
本文的顺利完成要感谢参与安装调试20DBX斜井钻机的各位现场的师傅们,
以及我们的技术员,他们的很多想法给了我很大的启发;也感谢井队来厂验收的
客户提出了很多宝贵的意见,很多的改进措施都是基于他们提出的建议,在此一
并感谢。
参考文献
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杨世平,胡朝刚等编. 液压起升钻机同步系统的设计. 四川,广汉:四川宏华石油设
备有限公司,2008
2.
张俊豪,王荣花编. 多级油缸的结构分析. 广东,广州:广东技术师范学院天河学院,
2008
王进全主编. 钻机总装实验教材. 陕西,宝鸡:宝鸡石油机械有限责任公司,2009