任明杰 谷瑞杰 馬 輝 馬海寬

(1．中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西710032；2．金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，陜西710032)

隨著石油天然氣的開發(fā)，鉆井深度越來越深，一般在200～3000 m，深井在4500 m以上，我國最深油井在新疆塔里木盆地，井深達(dá)8408 m。井深的增加，對鉆井器具的要求也越來越高。鉆桿是石油、天然氣行業(yè)進(jìn)行油氣資源勘探、開發(fā)過程中不可缺少的工具，是組成鉆柱的主要部件。在石油鉆探開采時，鉆桿是用螺紋一根接一根連接起來使用的，最常見的連接方式有公母連接和接箍連接。鉆桿通常在內(nèi)外全是鉆井液的井里作業(yè)，承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉力、壓力和液壓力等交變載荷，復(fù)合應(yīng)力大，容易產(chǎn)生疲勞裂紋，尤其是在較大位移的定向井和水平井里，鉆桿工作環(huán)境更加惡劣。螺紋連接處是鉆桿應(yīng)力最集中，也是最薄弱環(huán)節(jié)，多數(shù)鉆桿的事故出現(xiàn)在該部位。所以，提高鉆桿連接處的機(jī)械強(qiáng)度是降低事故率的關(guān)鍵。如果采取模鍛方式，把鉆桿端部車螺紋部分的管壁鐓粗加厚，不僅增加了壁厚尺寸，而且能夠細(xì)化材料晶粒，形成纖維組織，將會極大地提高其管端部分的機(jī)械強(qiáng)度，為此研發(fā)了液壓管端鐓粗機(jī)。

1 液壓管端鐓粗機(jī)的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 本體結(jié)構(gòu)與機(jī)架形式

液壓管端鐓粗機(jī)的本體結(jié)構(gòu)由機(jī)架、油缸、動梁、模具以及輔助部分組成。按照鐓粗工藝要求，本體設(shè)計成立式壓緊部分和水平鐓粗部分，立式壓緊部分由機(jī)架、液壓缸、動梁和凹模組成，機(jī)架由上梁、下梁、側(cè)梁、垂直拉桿、螺母組成。垂直拉桿、螺母采用預(yù)應(yīng)力連接方式，將整個機(jī)架組成一個剛性很大的整體，承受垂直方向上的載荷。主缸、回程缸安裝在上梁上，其活塞桿與動梁連接，驅(qū)動動梁在上、下梁之間往復(fù)運(yùn)動。水平鐓粗部分由水平拉桿、螺母以及鐓粗缸組成，鐓粗缸水平安裝在側(cè)梁上，兩個側(cè)梁同樣用拉桿螺母連接。

如圖1為10 MN液壓管端鐓粗機(jī)本體結(jié)構(gòu)，壓機(jī)的垂直壓下力為10 MN，水平鐓粗力為5 MN。立式壓緊部分采用三梁四柱結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)的拉桿壓套結(jié)構(gòu)組合成拉桿側(cè)梁結(jié)構(gòu)。主缸為大直徑柱塞缸，通過缸筒法蘭與上梁連接，壓機(jī)工作時，向上的反作用力通過缸筒法蘭傳遞給上梁。柱塞下端與動梁連接，給動梁提供向下的壓力。主缸兩側(cè)是缸徑較小的回程缸，是兩個等直徑的活塞缸，通過缸筒法蘭與上梁連接，活塞桿下端與動梁連接，其主要作用是驅(qū)動動梁向上回程，動梁下降時，也能提供向下壓緊力，動梁下面與上模座連接，上凹模安裝在上模座中，動梁側(cè)面通過左右側(cè)梁上的銅板導(dǎo)向。兩個側(cè)梁支撐整個機(jī)架，承受垂直拉桿預(yù)緊力。下模座安裝在下梁上，下梁通過垂直拉桿、螺母與上梁連接，壓機(jī)工作時垂直方向所產(chǎn)生的載荷通過上下梁由垂直拉桿和螺母承受。

水平鐓粗部分同樣為梁柱結(jié)構(gòu)，水平鐓粗缸是一個活塞缸，通過螺栓法蘭與右側(cè)梁連接，兩側(cè)側(cè)梁通過水平拉桿、螺母連接，凸模通過螺栓固定在鐓粗缸活塞桿端部，鐓粗時活塞缸驅(qū)動凸模向前，凸模鐓粗工件所產(chǎn)生的載荷通過兩個側(cè)梁和下模傳遞到水平拉桿和螺母上。

1.2 機(jī)架零件結(jié)構(gòu)設(shè)計和力學(xué)計算

1.2.1 垂直壓下缸的設(shè)計

壓機(jī)垂直壓下缸為柱塞缸，結(jié)構(gòu)如圖2所示，柱塞在導(dǎo)套中運(yùn)動，與缸體不接觸，有一定間隙，所以除了安裝導(dǎo)套和密封的部分外，缸體內(nèi)部可以不加工或粗加工。

1—主缸 2—回程缸 3—垂直拉桿 4—螺母 5—上梁 6—水平拉桿 7—螺母 8—動梁 9—上模座 10—上凹模 11—下凹模 12—下模座 13—左側(cè)梁 14—下梁 15—右側(cè)梁 16—凸模 17—鐓粗缸

1—缸體 2—柱塞 3—導(dǎo)向套 4—密封 5—壓套 6—壓蓋 7—活塞 8—缸底

1.2.2 油缸的設(shè)計與計算

1.2.2.1 油缸直徑的計算

由于壓下力10 MN較大，因此采用一個大柱塞缸和兩個小活塞缸的結(jié)構(gòu)，柱塞缸只能單向作用，所以反向運(yùn)動依靠可以雙向運(yùn)動活塞缸?；钊紫蛏系尿?qū)動載荷F只是動梁、上模座、凹模、柱塞的重量和摩擦力，不超過0.1 MN，所以可以選用較小缸徑。按照傳統(tǒng)設(shè)計主缸承受80%的載荷，兩個回程缸各承受10%的載荷，所以主缸設(shè)計額定載荷F主=8 MN；回程缸額定壓下載荷F回=1 MN；按照液壓系統(tǒng)額定壓力P=25 MPa，計算油缸主缸柱塞直徑d1：

按照密封規(guī)格取d1=630 mm?；爻谈谆钊睆紻2為：

按照密封規(guī)格取d2=160 mm。壓機(jī)回程缸的提升力為：

F提=πP(D22-d22)4=0.44745 MN

1.2.2.2 缸體壁厚的計算

要求缸體有足夠的強(qiáng)度和沖擊韌性，由于主缸采用螺栓連接，其材料用45鋼調(diào)質(zhì)處理，安全系數(shù)通常取n=5，許用應(yīng)力[σ]=σbn=120 MPa。Pmax為液壓系統(tǒng)的最高壓力，為額定壓力的1.25倍，即：Pmax=1.25P=31.5 MPa；導(dǎo)套壁厚t=10 mm，D1=d1+2t=650 mm。

主缸缸體壁厚[1]為：

δ01≥PmaxD1(2.3[σ]-3Pmax)=112.7 mm

回程缸缸體壁厚為：

δ02≥PmaxD2(2.3[σ]-3Pmax)=38 mm

所以，取主缸缸體壁厚δ01=115 mm，回程缸缸體壁厚δ02=40 mm。

1.2.2.3 缸體底部厚度的計算

由于缸體底部為平面，其厚度δ按照四周嵌住的圓盤強(qiáng)度近似計算[1]。主缸缸底壁厚為：

回程缸缸底壁厚：

取δ1=195 mm，δ2=65 mm。

1.2.2.4 缸體頭部法蘭壁厚的計算

設(shè)計中，選取主缸參數(shù)b1= 60 mm，ra1=570 mm；回程缸參數(shù)b2=50 mm，ra2=260 mm。主缸的最大壓下力F1=1.25F主=10 MN；回程缸的最大壓下力F2=1.25F回=1.25 MN。

取h1=105 mm，h2=50 mm。

1.2.3 水平鐓粗缸設(shè)計與計算

1.2.3.1 鐓粗缸的結(jié)構(gòu)

由于水平鐓粗力不大，加上本體架構(gòu)的限制，鐓粗缸采用一個活塞缸，如圖3，活塞桿及其活塞密封為運(yùn)動部件，在缸體中做直線往復(fù)運(yùn)動，并把缸體分成不同油壓的活塞桿腔和活塞腔，法蘭6通高壓油，法蘭10通低壓油時，活塞向右，反之，法蘭6通低壓油，法蘭10通高壓油時，活塞向左運(yùn)動，活塞缸既能完成工作行程，又能實現(xiàn)回程，因此，簡化了壓機(jī)結(jié)構(gòu)。

1.2.3.2 鐓粗缸的計算

水平鐓粗缸材料同樣采用45鋼調(diào)質(zhì)處理，其算法與垂直油缸的算法相同[1]，計算如下：

(1)鐓粗缸缸筒直徑D3

式中，F(xiàn)鐓為水平鐓粗力，F(xiàn)鐓=5 MN；按照密封規(guī)格取D3=500 mm。

(2)活塞缸直徑d3

(3)缸體底部厚度δ3

取δ3=150 mm

(4)缸體頭部法蘭壁厚h3

設(shè)計中，選主缸參數(shù)：b3=60 mm，ra3=400 mm；水平鐓粗缸最大鐓粗力F3=1.25F鐓=6.25 MN

取h3=100 mm

1.2.4 機(jī)架螺母的設(shè)計與計算

1.2.4.1 一般性基本假設(shè)

三梁四柱壓機(jī)機(jī)架是一個空間機(jī)架，采用以下基本假設(shè)：

(1)三梁四柱機(jī)架前后幾乎是對稱的，所以用平面框架代替對稱的空間框架。

(2)對于法蘭連接的工作缸，以一對集中力代替通過法蘭傳給上梁的一圈均布力，集中力作用于半個法蘭環(huán)形支撐面的重心。

(3)主缸作用到動梁上的力以集中力代表。

(4)下模座作用到下梁上的力，假設(shè)為集均布荷。上下橫梁簡化成等慣性矩的梁。

1.2.4.2 拉桿的設(shè)計與計算

如圖4，拉桿的作用是承受垂直方向的工作載荷。壓機(jī)工作時，拉桿受拉力作用伸長，在側(cè)梁和上下梁的結(jié)合面會出現(xiàn)縫隙，不僅影響機(jī)架的剛性，結(jié)合面反復(fù)作用也會出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象，所以拉桿采用加熱預(yù)緊的方式，組裝機(jī)架時，先將螺母冷態(tài)擰緊，然后用電熱棒伸到拉桿中心孔中加熱使其伸長，達(dá)到一定溫度后，將螺母再擰緊一定角度。這樣，拉桿冷卻收縮后，就在螺母與上下梁之間以及上下梁與側(cè)梁之間產(chǎn)生一個很大的預(yù)緊力，超過拉桿的工作應(yīng)力，所以壓機(jī)工作時，機(jī)架整體剛性很好。

1—壓套 2—活塞桿密封 3—導(dǎo)向套 4—活塞桿 5—缸體 6—法蘭 7—活塞密封 8—缸底螺母 9—缸底螺母 10—法蘭

圖4 拉桿的結(jié)構(gòu)和計算圖

(1)拉桿直徑d

模具安裝在梁的中心位置，壓機(jī)壓下時不會偏載，四個拉桿受力均勻，拉桿選用45鋼，安全系數(shù)取8，許用應(yīng)力[σ]=6008=75 MPa，拉桿最小面積處的直徑d由壓力公式導(dǎo)出：

取d=235 mm。式中，P為壓機(jī)最大載荷12.5 MN。由于拉桿為單向受力，根據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JBT 2001.73—1999《水系統(tǒng) 45°鋸齒形螺紋牙型與基本尺寸》，選用應(yīng)力條件較好的45°螺紋：Ys250×8。

(2)拉桿加熱預(yù)緊

通常拉桿的預(yù)緊應(yīng)力取90～120 MPa[2]，本次拉桿計算應(yīng)力取75 MPa，預(yù)緊應(yīng)力σj取100 MPa>75 MPa。

拉桿的伸長量：λ=LσjE=2.08 mm

螺母的旋轉(zhuǎn)弧長：S=λπDt=310 mm

拉桿的加熱溫度：T=σj(αE)+T0=41.6℃+T0

式中，L為拉桿在機(jī)架內(nèi)的長度，L=6160 mm；E為鋼的彈性模量，E=2×105MPa；D為螺母的外徑；t為螺距；T0為室溫；α為鋼的線膨脹系數(shù)，α=1.2×10-5。

1.2.5 橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計

上梁、下梁和側(cè)梁的外形尺寸比較大，重量也大，占鐓粗機(jī)本體總重的絕大部分。為節(jié)約材料和減輕重量，將梁設(shè)計成用鋼板焊接的箱形結(jié)構(gòu)，在安裝缸體和拉桿的部分設(shè)計成圓筒形，中間加筋板，載荷大的地方筋板設(shè)置密一些，以提高剛性，降低局部應(yīng)力。鋼板材料選用16Mn，機(jī)械強(qiáng)度高，焊接性能好。圖5為鐓粗機(jī)本體上梁結(jié)構(gòu)。

圖5 上梁結(jié)構(gòu)

2 液壓管端鐓粗機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計

2.1 液壓控制系統(tǒng)

液壓管端鐓粗機(jī)靠液壓傳動，其主要動作包括兩部分：(1)動梁帶動模具上、下運(yùn)動。向下合模壓緊鋼管，向上抬模松開鋼管。(2)水平鐓粗缸前進(jìn)、后退。前進(jìn)時驅(qū)動凸模鐓粗管料，后退時拔模，凸模脫離鍛件。

液壓管端鐓粗機(jī)動作順序：動梁下降→動梁停止→鐓粗缸前進(jìn)→鐓粗缸停止→鐓粗缸后退→鐓粗缸停止→動梁抬起→動梁停止。

液壓管端鐓粗機(jī)屬于大噸位高速壓機(jī)，要求液壓系統(tǒng)必須是高壓力、大流量。因此，液壓控制系統(tǒng)采用插裝閥集成系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，能夠一閥多用的特點。并且插裝閥具有通油能力大，流阻系數(shù)小，密封好，耐壓高等一系列優(yōu)點。由于動梁空程下降和上升時速度快，主缸缸徑大，為能夠給主缸及時補(bǔ)液和排液，采用充液系統(tǒng)，能夠在動梁主缸下降時給主缸快速補(bǔ)液，在動梁上升時快速排液。

2.2 液壓動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)是向鐓粗機(jī)提供高壓油液，以驅(qū)動動梁和鐓粗缸運(yùn)動，完成壓緊、合模與鐓粗動作，由于鐓粗機(jī)動作速度快，要求壓力恒定，動作精度高，所以采用泵直接傳動的方式。

2.2.1 油泵、電機(jī)的選型

根據(jù)鐓粗機(jī)工作的特點，考慮設(shè)備成本和運(yùn)行成本，泵組選用高壓泵(PH=31.5 MPa)和低壓定泵(PL=10 MPa)組合的方式，即鐓粗缸工作行程用高壓大流量泵供油，保證鐓粗缸的速度和壓力，動梁下降，上下模合模后，用高壓小流量保壓泵供油，保證壓緊油缸腔內(nèi)壓力，動梁快速下降時，用充液系統(tǒng)給主缸供油，泵組只給主缸加壓。水平鐓粗空程階段采用高、低壓大流量泵同時供油，并且采用差動連接的方式，使鐓粗缸快速前進(jìn)，以提高生產(chǎn)節(jié)奏。

2.2.2 油箱及其附件

油箱在液壓系統(tǒng)中的主要作用是儲存油液和降溫，同時也可以分離油液中的氣體以及沉淀，過濾油液中的污物、鐵屑等。油箱的液面與外界大氣相連通，油液很容易被污染，為此在油箱頂部安裝空氣濾清器，大氣過濾后才能與液面相通。在油箱的回油口安裝回油濾油器，與排油口用隔板隔開。所有管口均沒入最低液面以下，避免吸油管吸空或者回油管回油時產(chǎn)生氣泡。為了能夠觀察油箱的液位高度，在油箱側(cè)面安裝液位計。

3 結(jié)論

針對油氣深井勘探中需要高強(qiáng)度鉆桿的實際需求，研發(fā)了液壓管端鐓粗本體和液壓系統(tǒng)，得出以下結(jié)論：

(1)設(shè)計液壓管端鐓粗機(jī)主機(jī)本體結(jié)構(gòu)，通過理論計算，校核了上梁、主缸、鐓粗缸、拉桿等主要零件的應(yīng)力，總結(jié)了一套關(guān)于類似結(jié)構(gòu)壓機(jī)主要零件的強(qiáng)度校核算法。

(2)設(shè)計了液壓管端鐓粗機(jī)的液壓控制系統(tǒng)和液壓動力系統(tǒng)。