□ 陳 剛 □ 王耀華 □ 冉木子 □ 王 超 □ 高 妍

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2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司 陜西寶雞 721002

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1 分析背景

近年來,油氣資源的勘探開發(fā)趨于深層化和復(fù)雜化,高難度的鉆探作業(yè)已成為常態(tài)。作為鉆井系統(tǒng)的核心設(shè)備,鉆井泵已朝著大功率、低脈動的方向發(fā)展。面對鉆井泵的發(fā)展趨勢[1-3],為提升五缸鉆井泵的工作性能,筆者對五缸鉆井泵關(guān)鍵零部件加工進(jìn)行研究,將加工難度較大的曲軸作為研究對象,發(fā)現(xiàn)在粗車加工曲軸偏心位時,會由于加工余量大、質(zhì)量分布不均勻而引起加工系統(tǒng)不平衡,導(dǎo)致設(shè)備損壞和發(fā)生安全事故[4-5]。可見,對曲軸偏心位粗車加工系統(tǒng)平衡問題進(jìn)行分析,是實現(xiàn)曲軸高效、安全加工的前提。

2 加工系統(tǒng)建模

曲軸毛坯采用整體鍛造工藝,加工余量大。為了提高加工效率,在偏心位粗車加工前,采用線切割方法去除部分加工余量。曲軸毛坯線切割后模型如圖1所示?？紤]到曲軸自身質(zhì)量、偏心位外形,以及現(xiàn)有配重工裝類型等情況,選用普通2 m臥式車床,采用主配重與輔助配重相結(jié)合的方式,應(yīng)用三爪卡盤夾持對曲軸偏心位進(jìn)行加工。

▲圖1 曲軸毛坯線切割后模型

根據(jù)曲軸加工要求,構(gòu)建曲軸偏心位粗車加工系統(tǒng)模型,如圖2所示。

▲圖2 曲軸偏心位粗車加工系統(tǒng)模型

3 加工系統(tǒng)平衡方程組

將曲軸偏心位粗車加工系統(tǒng)模型簡化為動力學(xué)分析模型,如圖3所示。

依據(jù)質(zhì)心運動定理,應(yīng)用理論力學(xué)中的動量定理和動量矩定理,建立曲軸質(zhì)心、主配重質(zhì)心和輔助配重質(zhì)心所受外力在X軸、Y軸上的投影方程,從而構(gòu)建加工系統(tǒng)的平衡方程組[6-7]。結(jié)合實際工況,對加工系統(tǒng)平衡方程組進(jìn)行整理,得到:

+∑miriω2sin (φ+Δφi)

(1)

▲圖3 曲軸偏心位粗車加工系統(tǒng)動力學(xué)分析模型

(2)

(3)

[mQzqrqω2sinφ+∑miziriω2sin(φ+Δφi)]

(4)

式中:mi為配重塊質(zhì)量;ri為配重塊質(zhì)心回轉(zhuǎn)半徑;ω為機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)角速度;φ為曲軸質(zhì)心繞機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)角度;Δφi為配重塊初始位中心軸線與曲軸初始位中心軸線在XOY面上投影線的夾角;FXO為加工系統(tǒng)內(nèi)各質(zhì)心所受外力對O點在X軸方向上的反作用力;FYO為加工系統(tǒng)內(nèi)各質(zhì)心所受外力對O點在Y軸方向上的反作用力;FXW為加工系統(tǒng)內(nèi)各質(zhì)心所受外力對W點在X軸方向上的反作用力;FYW為加工系統(tǒng)內(nèi)各質(zhì)心所受外力對W點在Y軸方向上的反作用力;l為O點與W點間距離,即曲軸總長;g為重力加速度。

4 參數(shù)分析

式(1)～式(4)中曲軸參數(shù)mQ、zq、rq隨曲軸偏心位加工程度而變化,由于曲軸外型不規(guī)則,因此這三個參數(shù)無法由公式確定。為此,應(yīng)用Unigraphics三維建模軟件模擬曲軸五個偏心位的加工過程[8-9],并記錄在不同加工工序狀態(tài)下的各參數(shù)值。

曲軸五號偏心位模擬粗車加工過程如圖4所示,各參數(shù)值見表1。

▲圖4 曲軸五號偏心位模擬粗車加工過程

表1 曲軸五號偏心位粗車加工過程參數(shù)值

其余四處偏心位的加工過程參照五號偏心位加工過程的模擬方法進(jìn)行類同模擬。

整理現(xiàn)有配重,根據(jù)機(jī)床轉(zhuǎn)盤配重安裝區(qū)域的實際尺寸來確定配重質(zhì)心回轉(zhuǎn)半徑取值,具體見表2。

由于再分析資料的時間分辨率為6 h,時間分辨率為10 min的風(fēng)塔資料顯得尤為可貴,能夠更有效地反映海風(fēng)鋒風(fēng)場的日變化規(guī)律。以090716個例為例,分析蘇北,蘇中,蘇南海岸3個風(fēng)塔的各層風(fēng)速風(fēng)向時間變化(圖8)。

表2 配重質(zhì)心回轉(zhuǎn)半徑取值

考慮到曲軸偏心位剩余加工余量仍然較大,因此選用a類配重作為主配重,選用b、c、d、e、f類配重作為輔助配重,作用為平衡曲軸與主配重之間的殘余不平衡量。

根據(jù)加工系統(tǒng)模型和機(jī)床轉(zhuǎn)盤配重安裝區(qū)域,確定式(1)～式(4)中Δφi值,具體見表3。

表3 Δφi值

現(xiàn)有配重工裝均為對稱結(jié)構(gòu),質(zhì)心Z軸坐標(biāo)為各類配重工裝厚度的1/2。

5 加工系統(tǒng)可控平衡因子

通過對式(1)～式(4)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)式(1)與式(3)中含有相同的動反力項cosφ和cos(φ+Δφi),式(2)與式(4)中含有相同的動反力項sinφ和sin(φ+Δφi),為此,僅對式(1)與式(2)進(jìn)行分解,將表3中的Δφi代入式中,并對變量φ進(jìn)行分項整理,得到:

(5)

ω2cosφ

(6)

(7)

(8)

6 解決方案

根據(jù)分析,確定加工系統(tǒng)可控平衡因子K。將參數(shù)代入K,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,確定輔助配重最優(yōu)選裝方案,從而將加工系統(tǒng)的不平衡量最小化,實現(xiàn)對曲軸偏心位進(jìn)行高效、安全的加工[10]。

按照分析流程,制訂曲軸五號偏心位粗車加工過程輔助配重選裝方案,如表4、圖5所示。

表4 曲軸五號偏心位粗車加工過程輔助配重最優(yōu)選裝方案

粗車工序1加工過程中,輔助配重選用e類,質(zhì)量290 kg,質(zhì)心回轉(zhuǎn)半徑設(shè)定為503 mm。

粗車工序2加工過程中,輔助配重選用e類,質(zhì)量290 kg,質(zhì)心回轉(zhuǎn)半徑設(shè)定為515 mm。

粗車工序3加工過程中,輔助配重選用e類,質(zhì)量290 kg,質(zhì)心回轉(zhuǎn)半徑設(shè)定為541 mm。

粗車工序4加工過程中,輔助配重選用e類,質(zhì)量290 kg,質(zhì)心回轉(zhuǎn)半徑設(shè)定為584 mm。

參照五號偏心位加工過程輔助配重最優(yōu)選裝方案的制訂流程,對其余四處偏心位加工過程輔助配重最優(yōu)選裝方案進(jìn)行制訂。

按照以上輔助配重最優(yōu)選裝方案,完成對曲軸偏心位的粗車加工。加工完成后對曲軸偏心位結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行檢測,結(jié)果均符合設(shè)計要求。曲軸偏心位粗車加工現(xiàn)場如圖6所示。

7 結(jié)束語

筆者為解決曲軸類零部件加工系統(tǒng)平衡問題提出了一種新的思路,采用理論分析找出加工系統(tǒng)的可控平衡因子,通過合理選擇配重類型與安裝位置,將加工系統(tǒng)的不平衡量控制在最小范圍內(nèi),保證了加工的高效、安全。

在對加工系統(tǒng)平衡問題進(jìn)行理論分析時,僅考慮軸承反作用力、曲軸重力、配重塊重力,對其它因素并未考慮,使分析結(jié)果還不夠全面。在實際加工中,不平衡量還有減小的空間。在日后相關(guān)問題的研究中,對加工系統(tǒng)平衡的影響因素還需要進(jìn)行更全面的分析,使理論分析更加精準(zhǔn),用于指導(dǎo)實際加工。

▲圖5 曲軸五號偏心位粗車加工過程輔助配重最優(yōu)選裝方案

▲圖6 曲軸偏心位粗車加工現(xiàn)場