常玉連，田 美，高 勝，龐伶伶

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318） ＊

車載式修井機(jī)井口對(duì)中裝置設(shè)計(jì)與分析

常玉連，田 美，高 勝，龐伶伶

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318）＊

簡(jiǎn)要介紹了車載式修井機(jī)井口對(duì)中裝置的應(yīng)用背景。論述了車載式修井機(jī)井口對(duì)中裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并應(yīng)用SolidWorks仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了有限元分析，獲得了井口對(duì)中裝置在彈性地基梁基礎(chǔ)上的應(yīng)力、變形情況。

修井機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；仿真；彈性地基梁

在石油修井作業(yè)中，修井機(jī)的井口對(duì)中是保證修井作業(yè)正常進(jìn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［1－5］。但在國(guó)內(nèi)石油修井作業(yè)中，車載式修井機(jī)對(duì)中井口仍然是通過(guò)司機(jī)目測(cè)后開(kāi)動(dòng)車輛來(lái)調(diào)整修井機(jī)車體的前后、左右位置，達(dá)到修井機(jī)對(duì)中井口的。這種方法操作困難、對(duì)中精度差、調(diào)整效率低。為了解決所提出的現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，本設(shè)計(jì)提出一種車載式修井機(jī)整機(jī)對(duì)中井口調(diào)整裝置，該裝置已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)枮?0110131298.6。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該車載式修井機(jī)井口對(duì)中裝置主體分為車體調(diào)整定位單元和井口定位單元2部分。其中，車體調(diào)整定位單元由主動(dòng)端移動(dòng)軌道、從動(dòng)端移動(dòng)軌道以及連接于2個(gè)軌道之間的若干連接定位梁構(gòu)成；從動(dòng)端移動(dòng)軌道與主動(dòng)端移動(dòng)軌道在機(jī)械結(jié)構(gòu)上相對(duì)應(yīng)，在從動(dòng)端移動(dòng)滑塊的作用下可隨主動(dòng)端移動(dòng)軌道的動(dòng)作而動(dòng)作。井口定位裝置包括底座焊接框架、開(kāi)有螺栓通過(guò)槽的定位件調(diào)整座、開(kāi)有連接螺栓孔的圓弧形井口定位件。

車體調(diào)整定位單元和井口定位單元之間通過(guò)鉸接相連，主動(dòng)端軌道架和從動(dòng)端軌道架上的對(duì)應(yīng)位置處分別鑲嵌有若干個(gè)主動(dòng)端動(dòng)力滑塊和從動(dòng)端移動(dòng)滑塊，以實(shí)現(xiàn)若干個(gè)主動(dòng)端滑板和從動(dòng)端滑板能夠分別相對(duì)于主動(dòng)端軌道架和從動(dòng)端軌道架進(jìn)行水平方向的左右移動(dòng)。

車載式修井機(jī)井口對(duì)中裝置對(duì)中井口調(diào)整裝置的工作狀態(tài)如圖1。井口對(duì)中裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖2。

圖1 車載式修井機(jī)井口對(duì)中裝置工作狀態(tài)

圖2 車載式修井機(jī)井口對(duì)中裝置整體結(jié)構(gòu)

2 功能原理及實(shí)現(xiàn)

在修井機(jī)進(jìn)入井場(chǎng)前，先將井口對(duì)中裝置安裝在修井機(jī)工作位置的地面，通過(guò)井口定位單元確定車載式修井機(jī)整機(jī)對(duì)中井口調(diào)整裝置的位置。之后，觀察萬(wàn)向水準(zhǔn)儀，調(diào)整整套裝置，直至該裝置保持水平，保證主動(dòng)端動(dòng)力滑塊和從動(dòng)端移動(dòng)滑塊居于軌道的中間位置，并能夠相對(duì)軌道左右移動(dòng)。將車載式修井機(jī)開(kāi)到對(duì)中裝置的移動(dòng)軌道上，通過(guò)前、后限位塊限定修井機(jī)的前后位置，此時(shí)兩側(cè)的車輪分別位于主動(dòng)端移動(dòng)軌道和從動(dòng)端移動(dòng)軌道上。在明確修井機(jī)左、右偏移量的前提下，調(diào)節(jié)3個(gè)手動(dòng)雙作用液壓泵站來(lái)左、右移動(dòng)主動(dòng)端滑板，從而帶動(dòng)從動(dòng)端滑板左右移動(dòng)，進(jìn)而使車體實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)修井機(jī)的左右位置調(diào)整。車體位置調(diào)整好后，將車體千斤落到其支撐梁上，用于支撐整車的重力。

使用該車載式修井機(jī)時(shí)，首先通過(guò)井口定位單元來(lái)確定整個(gè)修井機(jī)專用井口對(duì)中裝置的位置；其次，將修井機(jī)開(kāi)上主動(dòng)端移動(dòng)軌道和從動(dòng)端移動(dòng)軌道后，通過(guò)控制楔形擋塊的位置，實(shí)現(xiàn)修井機(jī)前后方向位置的固定；最后，通過(guò)操縱手動(dòng)雙作用液壓泵站可以在左、右方向調(diào)整修井機(jī)的位置，從而使修井機(jī)能夠簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、高效地實(shí)現(xiàn)修井現(xiàn)場(chǎng)井口的對(duì)中，可大幅降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高修井效率。此外，調(diào)整裝置采用滾動(dòng)摩擦，可以減小摩擦力，使對(duì)中井口操作更為省力，從而為修井機(jī)的順利安裝做好準(zhǔn)備工作。

3 地基梁的有限元分析

該對(duì)中裝置為對(duì)稱結(jié)構(gòu)（如圖2），主要承載構(gòu)件是2個(gè)移動(dòng)軌道。整個(gè)裝置放置在地面上，工作時(shí)在修井機(jī)自重載荷和工作載荷的作用下，地基產(chǎn)生壓縮變形，從而導(dǎo)致地基產(chǎn)生沉降。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，必須計(jì)算基礎(chǔ)的最大沉降量和沉降差，并控制使之不超過(guò)容許范圍。將整個(gè)對(duì)中裝置的移動(dòng)軌道簡(jiǎn)化成彈性地基梁［6］（指擱置在一定彈性性質(zhì)的地基上的梁，如條形基礎(chǔ)、鐵軌下的枕木等）。由于梁的各點(diǎn)都支撐在彈性地基上，因而可使梁的變形減少，剛度提高，內(nèi)力降低。由于是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，取一側(cè)軌道計(jì)算彈性地基梁，簡(jiǎn)化模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

彈性地基的抗壓剛度是土的變形模量E0與壓縮模量Es的函數(shù)。壓縮模量Es是側(cè)限壓縮條件下的壓縮指標(biāo)，土樣只能在垂直方向上壓縮，側(cè)向應(yīng)變?chǔ)舩＝εy＝0；變形模量是無(wú)側(cè)限條件下的壓縮指標(biāo)，εx＝εy≠0，是原位測(cè)定的，它能夠真實(shí)反映土的壓縮特性。兩者具有一定關(guān)系，即

式中，E0為土的變形模量，kPa；Es為土的側(cè)限壓縮模量，kPa；β為與泊松比有關(guān)的系數(shù)。

土的變形模量E0隨土的性狀而變，軟黏土的E0值約為幾兆帕，甚至低于1MPa；硬黏土的E0值為20～30MPa；而密實(shí)的砂礫石的E0值可達(dá)40 MPa以上［2］。

在本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中，采用密實(shí)的砂礫石，其彈性模量E0＝40MPa，則有

式中，A為面積，m2。

抗壓剛度（E0A）為

總剛（3E0A）為

首先取獨(dú)立式修井機(jī)整車重力為300kN，該修井機(jī)共有6個(gè)輪胎，故每個(gè)輪胎受力大小為50kN，即每個(gè)滑塊受力為50kN。根據(jù)彈性地基梁理論進(jìn)行車載式底座的校核和分析。在進(jìn)行有限元分析時(shí)根據(jù)受力實(shí)際情況施加載荷并定義邊界條件，對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行彈性地基梁的處理，對(duì)模型劃分網(wǎng)格并進(jìn)行分析和計(jì)算。井口對(duì)中裝置應(yīng)力及位移云圖如圖4～5所示，井口對(duì)中裝置應(yīng)力曲線及位移曲線如圖6～7所示。

圖4 井口對(duì)中裝置應(yīng)力云圖

圖5 井口對(duì)中裝置位移云圖

圖6 井口對(duì)中裝置應(yīng)力曲線

圖7 進(jìn)口對(duì)中裝置位移曲線

由圖4～7可以看出，調(diào)整底座在支撐修井機(jī)車胎位置受到的力和位移都是最大的，最大應(yīng)力為105.74MPa，最大位移為2.699mm；在彈性地基梁的基礎(chǔ)上井口對(duì)中裝置整體的位移量即沉降量不大。

4 結(jié)語(yǔ)

車載式修井機(jī)井口對(duì)中裝置能夠保證修井機(jī)的位置調(diào)整，整套裝置結(jié)構(gòu)合理、可靠，操作簡(jiǎn)單，對(duì)中精度高，調(diào)整效率高，能夠解決現(xiàn)有修井機(jī)井口對(duì)中難的問(wèn)題。

［1］ 謝永金.我國(guó)修井機(jī)發(fā)展的技術(shù)現(xiàn)狀與展望［J］.石油機(jī)械，2005，33（10）：72－75.

［2］ 李連峰，黃寶麗，呂 賢，等.修井機(jī)盤式制動(dòng)器控制系統(tǒng)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（7）：31－34.

［3］ 李連峰，高棟梁，隋秀偉，等.修井機(jī)盤式制動(dòng)器模態(tài)分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（3）：59－62.

［4］ 王樹(shù)龍，鄧 奇，李俊貞，等.基于螺桿鉆具載荷特點(diǎn)的盤剎控制系統(tǒng)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（6）：73－75.

［5］ 孟憲克，呂阿波，黨寧軍，等.XJ450型修井機(jī)轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)系統(tǒng)改造［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（4）：81－83.

［6］ 龍馭球.彈性地基梁的計(jì)算［M］.北京：高等教育出版社，1981.

Design and Analysis of Vehicle－mounted Workover Rig Wellhead Aligument Structure

CHANG Yu－lian，TIAN Mei，GAO Sheng，PANG Ling－ling
（College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China）

This paper describes aplication background of Vehicle－mounted workover rig wellhead aligument structure，discusses Structural design of Vehicle－mounted workover rig wellhead aligument structure，Simulation in SolidWorks applied in base of elastic foundation Finite element analysis to Vehicle－mounted workover rig wellhead aligument structure.Obtain stress，deformation in the elastic foundation.

workover rig；structural design；simulation；elastic foundation

1001－3482（2012）03－0028－03

TE935

A

2011－09－20

常玉連（1951－），男，遼寧鞍山人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)械系統(tǒng)仿真與控制技術(shù)研究，E－mail：cyl＠nepuedu.cn。