石油钻杆提升装置承重轮总成设计.pdf

2 0 1 0年 5月 第 3 5卷 第 5期 润滑与密封 L UB RI CATI ON ENGI NEERI NG Ma v 2 0 1 0 V0 1 ． 3 5 No ． 5 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 40 1 5 0 ． 2 0 1 0 ． 0 5 ． 0 1 7 石 油钻杆提升装置承重轮总成设计 闫成新 中国石油大学 华东 机 电工程学院山东东 营 2 5 7 0 6 1 摘要 针对石油钻杆提升装置承重轮总成特殊的工作状 况，提 出设计方案 ； 基于力学分析对轴承、轴系及弧板等 承重轮总成主要部件进行设计计算 ，设计 自适应弧板保证总体结构与导轨 良好的接触 ，选用带防尘罩 的轴承及缝隙式密 封解决了浮动支承下轴承的密封及润滑问题 ，设计了合理的承重轮总成结构。 关键词 承重轮总成；方案设计 ；轴承选型 ；有 限元 中图分类号 T E 9 3 4 ． 2 文献标识码 A文章编号 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 0 5 0 7 4 4 De s i g n o n Be a r i n g W h e e l Uni t o f Dr i l l i n g Pi pe Co n v e y i ng S y s t e m Yal l Ch e n g x i n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m，Do n g y i n g S h a n d o n g 2 5 7 0 6 1 ，C h i n a A b s t r a c t D e s i g n s c h e n l e o f b e a r i n g w h e e l u n i t B WUw a s p r o p o s e d c o n s i d e r i n g i t s s p e c i a l w o r k i n g c o n d i t i o n s ．T h e b e a tin g，t h e a x i s s e r i e s a n d t h e a r e l i k e h o l d e r we r e d e s i g n e d ba s e d o n me c h a n i c a l a n a l y s i s o n BWU． T h e a r e l i k e h o l d e r wa s d e s i g n e d wo r k i n g t o fit t h e r a c k a d a p t i v e l y f o r me c h a n i c a l b a l a n c e ． T h e b e a tin g wi t h d u s t s h i e l d a n d c h i n e s t y l e s e a l wa s c h o s e n f o r g o o d l u b ric a t i o n a n d s e a l u n d e r t h e flo a t i n g c o n d i t i o n． Th e r e a s o n a b l e s c h e me o f BW U wa s o b t a i n e d ． Ke y wo r d s b e a r i n g wh e e l u n i t ； s c h e me d e s i g n； b e a tin g l e c t o t y p e； f i n i t e e l e me n t 在石油钻井过程 中 ，钻杆需要从 堆场运移到钻井 平台，以进行下一步的钻井或接立根操作。石油钻杆 运移机构可以实现操作任务 的 自动化 ，实现钻杆 的 自 动运移 ～ 。该机构通过绞车带动提升架 实现钻杆上 下运动 ，其 中提升架 承重轮设计是一个难点。本文作 者给出了提升架承重 轮总成 的设计方案 ，基于力学分 析对轴承 、轴 系及弧板等承重轮总成主要部件进 行了 设计计算 ，设 计了 自适应受力平衡 的弧板结构 ，选定 了轴承的型式及其密 封 、定位方式 ，确定了合理 的承 重轮总成结构。 1 提升机构简介 提升机构 主要 由前铰支座 、承重轮总成 、提升架 本体 、后铰支座 、绞 车悬绳等结构组成 ，其结构如 图 1 所示 。提 升 架本 体抱 合 在 4个 导轨 立柱 方 形钢 管 外侧 ，靠提 升 架上 的承 重轮 组 8个 承 重 轮 总 成 使提升架 与导轨 产生 滚动摩 擦并 承受 系统 产生 的侧 向压力 ，在绞车悬绳 的提升作用下完成提升钻杆 的操作 。承重轮总成共有 8组 ，单组承重轮总成在提 收稿 日期 2 0 0 91 l 一2 3 作者简介 闫成新 1 9 6 9 一 ，男 ，博士 ，副教授 ，主要从事 石油机械设计 、模式识别与 智能系统等方 面的研究 ． E m a i l y a n j a e k 1 6 3 ． C O B． 升架上 的安装方式如图 2 所示 。 1 ． 前铰 支座 2 ． 承 重轮 总成 3 ． 提升 架本 体 4 ． 后铰 支座 5 ． 导轨 6 ． 绞 车悬 绳 图 1 提升机构简图 F i g 1 S k e t c h o f l i f t i n g s t r u c t u r e 2承重轮 总成方案设计 2 ． 1 承重轮 总成的工作状 态分析 承重轮总成安装于提升架本体，使得提升架能够 在升降过程 中保持平稳、顺畅地工作 ，不会发生倾 斜、卡阻现象。承重轮总成主要承受侧向压力的作 2 0 1 0年第 5期 闫成新 石油钻杆提升装置承重轮总成设计 7 5 用 ，系统在 提升 钻 杆 、旋转 钻杆 过 程 中全 部 的侧 向 力都 由承重轮总成承担 。 I ．承 重 轮总 成 2 ． 螺母 3 ．加 强焊 片 4 ．提 升架 钢 管 ● 图2 承重轮总成固定方式 Fi g 2 F i x ma n ne r o f b e a rin g wh e e l u n i t 承重轮总成的工作状态对承重轮设计提 出如下 要 求 1 承重 轮轴 主轴及 旁轴 应 能承受较 大 的 力 ； 2 承重轮架 弧板 应具有较强 的承载能力 ； 3 承重轮的密封与润滑问题应适 当考虑，保证既 能 良好地转动 ，又有适 当 的密封 ； 4 承 重轮 在提 升架升降过程中既要能够与导轨良好接触 ，又不会产 生卡阻现象。 2 ． 2 承 重轮 总成 的方案设计 o I 承 重轮 架 弧板 2 ． 轴承 盖 。 3 ． 螺钉 。 4 ． 滚动 轴承 s ． 轴承 套 6 6 ．压紧 套 5 7 ．螺母 4 8 ．旁轴 {9 ．主轴 1 图 3 承重 轮总成 设计 方案 F i g 3 S c he me o f b e a r i n g wh e e l u n i t 根据前述工作状态分析及设计要求，初步设计承 重轮总成总体方案如图 3所示，其安装方式见 图2 。 为使承重轮在升降过程中都做到既能与导轨 良好接 触 ，又不至于卡阻 ，设计 了两 组相 同且对称 的轮 系 ， 中间主轴与承重轮架之间为间隙配合，使得两轮系能 够 随承重轮架轻微摆动 ，以抵消 由于导轨或提升架加 工 、变形等导致的误差 ，并 实现两 轮系的 自适应 受力 平衡 。承重轮 主轴两端都分别使用螺纹连接与承重轮 架及提升架固定 见图 2 。因承重轮旁轴 自由端位 于提升架一侧 ，为便于安装与拆卸，将旁轴与承重轮 架也做成螺纹连接形式，安装时先将旁轴轴系安装完 成 ，使用螺钉 、螺母 、轴承套 、轴承盖等将 轴承固定 见图3 ，然后将旁轴轴系与承重轮架固定 ，三轴都 安装好后再将承重轮总成安装于提升架上。 3 承重轮总成的详细设计 3 ． 1 承重轮 总成受力分析 3 ． 1 ． 1 钻杆 水平时的受力分析 把钻杆 、旋转臂 、滑车看作一个整体进 行力学 分 析 。在钻杆水平状态时 ，承受系统作用力的承重轮总 成为提升架左下方及右上方各两组 ，且两边 承受的力 相等 ，受力简图见图 4 。 图4钻杆水平时的起升系统受力图 F i g 4 F o r c e s k e t c h o f l i f t i n g s y s t e m o n p i p e h o riz o n t a l 由总力平衡得 F o G 1 G 2 G 3 1 F l F 2 2 G33 2 3 0G 22 1 9 2． 5 7Fo4 7 0 Gl x4 2 0 ． 8 1 ．， 8 7 0F 2 x 1 2 0 0 3 滚动摩擦 f l A F ， A F 2 4 由式 1 ， 2 ， 4 得 F o 2 A F 2 G l G 2 G 3 5 将式 5 代人式 3 得 G 3 X 3 2 3 0G 22 1 9 2 ． 5 72 A F 2 4 7 0 G 1 G 2G 3 4 7 0G l x4 2 0 ． 8 1A F 28 7 0F 2 1 2 0 0 6 取 A 0 ． O 1 ，并 已 知 G l3 0 7 ． 2 3 3 k g ，G 2 5 1 6 ． 1 9 8 k g ，G 3 2 0 ． 0 6 9 k g ，解式 6 得 7 6 润滑与密封 第 3 5卷 F221 4 6 9 ． 6 5 7 N 该力 由右 侧 两 组 承 重 轮 承 担 ，其 中一 组 受 力 即主轴受力 为 F} F2 ／ 21 0 7 3 4． 8 2 9 N 由此计算旁轴受力 即轴承受力为 F旁轴 F主 轴／ 25 3 6 7 ． 41 N 水平状态下 系 统未抓 钻 杆时 的受 力应 小 于上 述 值 ，不再重复计 算。 3 ． 1 ． 2 钻杆铅垂 时的受 力分析 仍把钻杆 、旋转臂 、滑车看作一个整体进行力学 分析 。在钻杆铅垂状态时 ，承受 系统作用力 的承重轮 总成 为提升架左上方及右下方 各两组 ，且两边承受 的 力相等 ，受力简图见图 5 。 图5 钻杆铅垂时的起升系统受力图 F i g 5 F o r c e s k e t e h o f rif t i n g s y s t e m O n p i p e v e r li e a l 由总力矩平衡得 F2 X 1 20 0 F0470 G 1 4 0 7 ． 7 3 G 3 3 9 1 8 I厂 1 8 7 0 420．8 l G 此状态 下式 1 ， 2 ， 4 ， 5 式 4 ， 5 代人式 7 得 7 仍成立 。将 F 2 1 2 0 0 2 A F 2G l G 2 G 3 4 7 0 Gl 4 2 0 ． 8 1G 21 4 0 7． 7 2G33 9 1 8A 8 7 0 解上式得 F2 1 3 1 1 2 ． 1 N 该力 由右 侧 两 组 承 重 轮 承 担 ，其 中 一 组 受 力 即主轴受力 为 F 轴F2 ／ 26 5 5 6 ． 0 5 N 由此计算旁轴受力 即轴承受力为 F旁轴 主 轴／ 2 3 2 7 8 ． 0 3 N 铅垂状态下放 下钻杆后 的受力应小于上述值 ，不 再重复计算 。 3 ． 2轴承 选型、密封与定位设计 3 ． 2 ． 1 轴承的工作速 度 根据绞 车 的工 作 状 态 ，提 升 速 度 为 3 0 m ／ m i n ， 下放速度 为 6 0 m ／ ra i n ，由此计算轴承转速为 提升阶段 n r r D n 升 升 ／ 1 T D 3 o ／ 叮 T 1 1 0 1 0 一 。 8 6 ． 8 r ／ ra i n 下降阶段 n r r D 窿 n 降 降 ／ 叮 T D 6 0 ／ 1 T 1 1 0 1 0 一 1 7 3 ． 6 r ／ m i n 3 ． 2 ． 2轴 承 的 选 型 轴承的选型应根据受力 、转速 、实际工作环境以 及成本 等情况综合考虑 。从受力来 看 ，由于是多个轴 承共同受 力 ，单个轴承 的受力 比较小 ，冲击载荷也不 大 。从转 速看 ，属 于转 速较 高 n1 0 r ／ ra i n 的轴 承。轴承面临的工作状态比较特殊 ，是内圈固定，外 圈转动，并且是单端固定的浮动支承，这对轴承的密 封及定位提出了较高 的要求 。另外 ，轴承是在野外石 油井场工作 ，灰尘较大，轴承的防尘及润滑也应当作 为重要的考虑因素 。 综合上述情况 ，选择带防尘罩 的 6 0 0 0 2 Z系列深 沟球轴承 。该类 轴 承双侧 带 防尘 盖 ，可作 为 浮动 支 承 ，安装 使用 时不 用清洗 和 添加 润滑 脂 ，且 成本 较 低 ，这些 特点都是非常适用于本系统的。另外 ，由于 钻井过程是 2 4 h不停 钻 ，要求 该轴 承 的预期寿 命应 大于 4 0 0 0 0 h 。 初选轴承 6 3 0 9 ． 2 Z ，该轴承基本参数如下 额定载 荷 C 5 2 ． 8 k N ，额定静载荷 C o 3 1 ． 8 k N ，极 限转速 脂润滑6 3 0 0 r ／ m i n ，内径 4 5 m r n ，外径 1 0 0 m m。 3 ． 2 ． 3轴 承 的 校 核 该轴承为浮动支承 ，理论 上轴 向受力 为 0 ，但实 际会 因变形等因素产生 与导轨 的轴向滑动摩擦 ，由此 计算该滑动摩擦力作为轴向载荷。选滑动摩擦因数 0 ． 1 ，则轴向力 F ／ x F 0 ．15 3 6 7． 415 3 6 ． 7 4 N 由手册知 i 1 ， 8 ，D 1 7 ． 4 6 2 ，计算 0 ． 2 2得 e 0 ． 2 ，由 F ． ／ F r 1 8 X1 7 ． 4 6 2 一 ’’ 0 ． 1e ，取 X1 ，Y0，得 当量动载荷 P为 P F 5 3 6 7 ． 4 1 N 由手册知 4 ． 3 1 ， 0 ． 5 7 5 ， 1 ，轴承所需基本额定动载荷为 8 1 ． 2 ， ， T 1 ， Cf J Jd 一 5 3 6 7 ． 414 8 ． 2 8 k N-p 一0 ． 5 7 51 ‘ 一 ‘ 由于 CC 5 2 ． 8 k N，因此 该 轴 承选 择 合 理。 进 一步校核知轴承额定静载荷也符合要求 ，轴承实际 寿命 5 2 8 8 9 h ，同样满足要求 。 3 ． 2 ． 4轴承的密封 与定位 油脂 润滑常用非接触式密封 ，这种密封形式恰好 2 0 1 0年第 5期 闫成新石油钻杆提升装置承重轮总成设计 7 7 适用于本文轴承外圈转动且 为浮动支承的工矿。常用 于油脂 润滑的密封形 式有缝 隙式与沟槽式 2种 ，见 图 6 所示。由于承重轮总成轴向尺寸空间有限，密封 盖不会 过宽 ，不适 于开 沟槽 ，因此选用 缝 隙式 密 封 ， 起到进一步防尘 、增 强密封效果 的作用 。 a 缝 隙 式 b 沟槽 式 图6 用于油脂润滑的2种非接触式密封形式 Fi g 6 Two t y p e o f n o n c o n t a c t i n g s e a l s t y l e f o r g r e a s e l ub - r i c a t i o n a c h i n e s t y l e s e a l ； b d e l v e s t y l e s e a l 轴 承的内圈靠轴肩及压 紧套定位 ，轴承 的外 圈与 轴承套一起转动 ，由轴承盖 2 见图2 和轴承套 5 嵌合到一起并由螺钉 3拧紧。轴承盖与轴承套轴向有 一 定 间隙 ，保证轴承盖能够压 紧轴承外 圈。 3 ． 3轴 系设计 主轴与旁轴是承重轮 总成两个重要 的零件 ，其受 力必须满足强度要求 。其结构形式见 图 3零件 8和零 件 9 。两轴 的材 料都 选用 4 5 钢 ，并要 求进 行调 质处 理 ，增强轴 的强 度及 韧性 。通过 静力 学计 算及 C O S M O S X p r e s s 对两轴的有限元分析 ，满 足强度 要求 ，应 力分布在合理范围内，没有发现异常结构与尺寸不合 理现象 。 3 ． 4弧板设计 弧板也是承重轮总成 的重要受力零件 ，其结构形 式见图 1及图3所示。弧板既与主轴相连使承重轮总 成挂接在提升架上，又与两旁轴相连固定轴承，起着 自适应调 节 两 轮 组 平 衡 的 作 用 。弧 板 选 用 材 料 为 Q 4 2 0 C，满足静力学要求 。圆角结 构会对 弧板 的应 力 分布产生较大影响 ，弧板设计 中尤其应当注意 ，见图 7 a 无 圆角 弧 板应 力分 布 b 有 圆 角弧 板应 力 分布 图7 圆角对弧板应力分布的影响 F i g 7 A ff e c t i o n o f f i l l e t o n a r c l i k e h o l d e r ’ S s t r e s s d i s t r i b u t i o n a n o fi l l e t ； b w i t h fi l l e t 4结 论 承重轮总成在石油钻杆运移机构 中是一个非常重 要的部件，其工作状况比较特殊。要求总体结构与导 轨很好地接触且无 卡阻现象 ，轴承既要外 圈能 随轴承 套转动，又要有较好 的密封与润滑 ，且 能够在 浮动状 态下工作。本文作 者给 出 了承重 轮总 成 的设 计 方案 ， 基于力学分析对轴 承 、轴 系及弧板 等承重轮总成 主要 部件进行了设计计算 ，在结构上设计了自适应受力平 衡的弧板结构，保证承重轮总成与导轨的良好接触， 选用带防尘罩的轴承及缝隙式密封解决了浮动支承下 轴承的密封及润滑问题，设计了合理的承重轮总成结 构，为石油钻杆运移机构整体设计打下了良好的基础。 参 考文献 【 1 】尹晓丽， 牛文杰， 张中慧． 钻杆自动传送系统及设计方案 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 7 4 2 4 6 ． Y i n Xi a o l i ， N i u We n j i e ， Z h a n g Z h o n g h u i ．De s i g n S c h e me o f D ri l l i n g P i p e A u t o m a t i c C o n v e y i n g S y s t e m[ J ] ． O i l F i e l d E q u i p me n t ， 2 0 0 9， 3 8 7 4 2 4 6 ． 【 2 】闫成新， 贺庆强， 尹晓丽． 石油钻杆运移机构起升臂优化设 计[ J ] ． 重型机械， 2 0 0 9 1 0 5 5 5 8 ． Ya n C h e n g x i n， H e Q i n g q i a n g， Y i n Xi a o l i ． De s i g n a n d O p t i mi z a t i o n o n H o l d i n g A r m o f D ri l l i n g P i p e C o n v e y i n g U n i t [ J ] ． H e a v y Ma c h i n e r y ， 2 0 0 9 1 0 5 5 5 8 ． 【 3 】成大先． 机械设计手册 第二卷[ M] ． 5版．北京 化学工业 出版社， 2 0 0 8 7 2 6 6 ．