4台液压马达驱动的海洋钻井支撑转盘研制.pdf

设计与制造 2 0 1 3 年 第3 期 第2 6 卷， 总 第1 2 5 期 机械研究与应用 4台液压马达驱动的海洋钻井支撑转盘研制 杨西萍， 魏孔财 兰州兰石国民油井石油工程有 限公 司， 甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0 摘要 针 对机械驱 动转盘和 电驱动转盘存在传 动链 长、 整机 质量大， 扭矩小 、 钻 井效率低 等问题 。研制开发 了液压驱 动 支撑转盘 。液压马达安装在转盘机座 内， 配备 P L C远程控制 系统 ， 可对驱动转盘的液压马达进行 同步控 制， 还 可与 液压卡 瓦配套使 用， 保证 卡瓦传递较 大扭矩 时的稳定性。该转盘体积小 ， 质量轻 ， 易于实现过载保护 ， 能更好的满足海 洋钻井工艺的实际要 求。 关键 词 液压驱动支撑转盘 ；结构特 点 ； 工作原理 ； 回转 支承 中图分类号 T E 2 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 3 0 3 一 O 1 1 4 0 3 De v e l o pme n t o f Hy d r a ul i c Dr i v e n Ro t ar y-s u pp o r t Ta b l e f o r Offs ho r e Dr i l l i n g YANG Xi p i n g，W EI Ko n g -c a i L a n z h o u L S - n a t i o n n a l O i l w e l l P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g C o ． ， d ， L a n z h o u G a n s u 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Me c h a n i c a l d r i v e r o t a r y t a b l e a n d e l e c t r i c d ri v e n r o t a r y t a b l e e x i s t s o me p r o b l e ms s u c h a s l o n g t r a n s mi s s i o n c h a i n、 mu l t i p l e c o mp o n e n t s 、 b i g s i z e a n d l a y o u t d i f f i c u l t i e s i n t h e o f f s h o r e d r i l l i n g p l a t f o r m．A h y d r a u l i c d r i v e n s u p p o r o t a ry t a b l e i s d e v e l o p e d，h y d r a u l i c mo t o r i s mo u n t e d i n t h e r o t a r y t a b l e， P L C r e mo t e c o n t r o l f u n c t i o n s a r e e q u i p p e d， wh i c h c a n a c h i e v e s y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o l o f t h e h y d r a u l i c mo t o r d r i v e n r o t a ry t a b l e ，a n d s u p p o r t i n g t h e u s e o f h y d r a u l i c k a v a ．I t c a n e n s u r e t h e s t a b i l i t y o f k a v a t r a n s f e r a n d l a r g e t o r q u e ．T h e t a b l e e a s i l y i mp l e me n t o v e r l o a d p r o t e c t i o n a n d i mp r o v e s a f e t y p e rfo r ma n c e ．T h e r o t a ry t a b l e ha s t h e a d v a n t a g e s o f s ma l l v o l u me，S O t h e o v e r l o a d p r o t e c t i o n i s e a s i l y r e a l i z e d， a n d i s a bl e t o me e t t h e a c t u a l n e e d s o f t h e o f f s h o r e d r i l l i n g p r o c e s s ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c r o t a r y s u p p o r t a b l e ；r o t a t i o n；c a l c u l a t e d s t r e n g t h 1 引 言 由于海洋钻井大功率顶驱的使用 ， 已不需要转盘 按钻井工况设计转速， 在下隔水管 、 悬持钻具 、 活动钻 具时， 要求转盘具有较大的支撑能力 和通孔直径 ， 较 高的扭矩和较低 的转速。另外 ， 常规机械驱动转盘和 电驱动转盘传动链长、 整机质量大， 扭矩小 ， 钻井效率 低 ， 而液压驱动支撑转盘则不同， 具有较大支撑能力 和通孔直径 ， 较高 的扭矩。 目前 ， 德 国 WI R T H公 司 有 R T S S X X H 系列 液压 驱 动支 撑转 盘 ， 美 国 N A T I O N A L O I L WE L L V A R C D公 司有 R S T系列液压驱 动支撑转盘 。两种 系列 的转盘无论是 在结 构上， 还是在液压系统及控制形式上都各不相 同。国内其 他几个有能力 的制造商近几年也设计 了高速马达和 减速器安装在常规转盘输入轴端的转盘 ， 笔者的公司 也在直升机吊装钻机上 曾经开发使用过 。但国内还 没有厂家设计与常规转盘不一样的液压驱动支撑转 盘。经过大量的调研和论证 ， 确定此种产品具有广泛 的市场前景， 属于可开发项 目。 2 液压驱动支撑转盘常规用途 1 与顶驱一同使用， 配套液压卡瓦， 上卸扣时 可产生 1 2 0 0 0 0英尺／ 磅 1 6 3 2 0 0 N i n 的扭矩； 2 使用顶驱钻井时 ， 液压支撑转盘可缓慢地定 位钻头到任一方向进行定位钻井 0～ 5 r ／ mi n ； 3 下套管时缓慢旋转避免卡钻 ， 卡钻保持在 5 ～1 5 r ／mi n[ 3 主要技术参数 1 转盘机械部分通孔直径为 1 2 5 7 ． 3 m m 4 9 ． 5 i n ； 最大静载荷为 9 0 0 0 k N； 最大工作扭矩为 6 2 5 6 0 N in； 最高转速 2 5 r ／ m i n ； 齿轮传动 比 6 ． 7 5 。 单排四点接触球式 回转支承 外齿式 。 2 液压系统液压马达型号 1 1 9～1 0 4 3 伊 顿 ； 马达排量 9 4 0 c m ／ r 5 7 ． 4 i n ／ r ； 连续流量 1 7 0 x 4 6 8 0 L P M 4 5 x 4 1 8 0 G P M ； 扭矩 最高 为 2 7 0 0 N n l 2 3 9 1 0 i b i n ； 扭矩 连续 1 6 2 5 N m 1 4 4 0 0 i b i n ； 最高 转 速 1 7 3 r ／ m i n ； 最高 压 力 2 1 M P a 3 0 0 0 P s i ； 最高转速 7 8 4 r ／ mi n ； 安装型式 四孔法兰。 4 结构特点及工作原理 液压驱动支撑转盘 见附图 ， 主要由机座 、 转 台 主补心装置 、回转支承 主轴承 、 液压驱 动快速 轴总成 、 液压联锁制动装置 旋转制动和线制动 、 集 液环 配套使用液压卡瓦 、 上盖等零部件组成。转 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 1 8 作者简介 杨西萍 1 9 6 3 一 ， 女 ， 陕西 澄城人 ， 工程师 ， 主要从事钻采机械设计研究方面的工作 。 1 1 4 机械研究与应用 2 0 1 3 年 第3 期 第2 6 卷， 总 第1 2 5 期 设计与制造 盘是通过四个液压马达齿轮驱动 回转支承大齿 圈来 实现钻杆 的旋转工作。为提高大齿圈的承载能力 ， 采 用模数较大的渐开线 圆柱直齿齿轮。齿轮及轴承均 采用脂润滑润滑 管线接入 ， 集中润滑 。 液压驱动支撑转盘是采用先进 的闭式液压控制 系统和 P L C远程来控制的。转盘 的机座是板焊组合 件 ， 其机座主要是用做支承和齿轮 与轴 承的闭式 防 尘。转台是用 4个液压马达齿轮驱动大齿圈来转动 的， 转台与机座间采用迷 宫结构 ， 并在转 台圆周有一 整体集液环 ， 以防止泥浆进入机座内。转盘的通孔直 径 、 主补心的有关配合尺寸均符合 A P I 7 K规范的要 求。转盘的主补心内部 1 3的锥面直通顶面 ， 这样 长、 短卡瓦均能使用。其配套补心等附件均能与常规 转盘通用。 配备的 P L C远程控制 系统 ， 可对驱动转盘 的四 个液压马达进行 同步控制 。还可与液压卡瓦配套使 用 ， 保证卡瓦的稳定性 ， 传递较大 的扭矩 ， 且易于实现 过载保护 ， 提高安全性能， 更好的满足海洋钻井工艺 的实际需要。 图 1 转盘机械部分结构简图 1 ． 机座2 ． 转 台3 ． 回转支撑4 ． 液压联锁制动装置 5 ． 大齿 圈6 ． 液压驱动快速轴总成7 ． 小齿 轮 8 ． 液压 马达9 ． 上盖l O ． 集液环 5 机械部分主要承载件的选择 5 ． 1 回转支承 转盘轴承 的选择 轴承的选择首先应能满足产 品结构和使用性 能 的需要 ， 其次也要考虑到轴承的设计和供货条件 。在 满足产品结构和使用性能 的前提下尽量选用 已生产 过的现有的轴承模式 ， 这样轴承 的质量 比较可靠 ， 成 本低 ， 交货期易保证。 但此次轴承的选择不光要考虑以上问题 ， 还跟以 往常规转盘用石油机械行业的轴承不同 ， 属于跨行业 计算选型。 依据 J B ／ T 1 0 8 3 9 2 0 0 8 建筑施工机械与设备一 单排球式回转支承 ； 选型计算方法附录 A 最大静载 荷 C 0 d s i n 。 当 5 0 。 时 ， C 0 1 4 5 8 6 ． 6 k N 1 3 5 0 0 k N； 单排 球式回转支承选型应满足下式要求 C 。 ／ C 。 。 5 ． 1 ． 1回转支承承载特点 回转支承是一种能够同时承受较大的轴 向负荷、 径 向负荷和倾覆力矩等综合载荷 的大型特殊结构轴 承。通常 ， 自身带有安装孑 L ， 润滑油孔和密封装置 ， 可 以满足各种不 同工况条件下各类主机 的不 同需 求。 转盘轴承本身具有结构 紧凑、 引导旋转方便 、 安装简 便和维护容易等特点 。 此次选用的回转支承是单排 4点接触球式轴承。 4点接触球转盘轴承具有较高 的动负荷能力。轴承 的内圈与转盘机座的承载座圈用螺栓连接 ， 承受钻杆 柱和套管柱 的全部负荷 ， 轴承外圈为齿轮 ， 用螺栓连 接转台装置 ， 被液压马达所带动的 4个小齿轮驱动。 5 ． 1 ． 2 回转支承的润滑 回转支承在重载低速的工况条件下工作 ， 采用充 填润滑脂的润滑型式对轴承施以润滑 ， 润滑脂是锂基 润滑脂 。轴承的内圈对称部位有 四个润滑油杯 ， 定期 远程对油杯进行注油 ， 以润滑钢球轨道 。 5 ． 1 ． 3回转支承的密封 回转支承的密封是为 了防止已充填的润滑脂 向 外泄漏 ， 同时也防止外界的尘埃 、 杂质及水份侵入轴 承内部而影响正常工作。由于 回转支承处于重载低 速下工作 ， 故轴承的密封型式采用橡胶密封圈密封和 迷宫式密封两种结构 。 5 ． 2 液压联锁制动装置的设计 在转盘 的底部装有制动大齿 圈向左和向右方 向 转动的液压联锁制动装置。当制动转台时， 左右掣子 之一被液压控制的操纵杆送入齿 圈的任意齿 位中的 一 个 。这样在制动时就可配套使用液压卡瓦。 5 ． 3 回转支承大齿圈和小齿轮的选择 考虑到此次转盘传递最大扭矩为 6 2 5 6 0 N m。 回转支承齿圈 、 小齿轮 的传扭 能力要 能满足设备需 要。通过多种选择参数 计算及论证 ， 最后采用大模 数、 小齿轮选择正 0 ． 5的变位系数 、 提高齿面调质淬 火硬度等方法 ， 以提高齿 面接触 强度及 齿根弯 曲强 度 ， 保证传扭能力及使用寿命。 对 于大小 齿 轮 的变位 系 数 ， 通 过 阅读相 关 资 料 ， 变位系数对 大齿轮 回转 支承齿 轮 的强度 影 响较小 ； 对 小齿 轮 的影 响较 大 。故 在保 证所 需 重 合度和齿顶厚 的前提 下使小齿 轮选择 尽可能 大的 变位系数 。 5 ． 4 液压马达小齿轮输入轴轴承的选择 选用是单面带密封的深沟球轴承， 其轴承在装配 时， 填人适量的润滑剂， 在安装使用时不用清洗和添 加润滑剂。其型号为 6 2 1 2 R Z 。这种轴承在结构和使 用性能方面均能满足设备要求。 1 1 5 设计与制造 2 0 1 3 年 第3 期 第2 6 卷， 总 第1 2 5 期 机械 研究 与应用 6 转盘主要受力零件的强度计算 6 ． 1 大齿轮和小齿轮 1 大 齿 圈 材 料 为 4 2 C r Mo ， 调 质 淬 火 处 理 H R C 5 5 ， 模数 l 4， 齿数 1 3 5 。 根据计算 齿 面接触强度安全系数为 1 ． 8 5 2 ； 齿 根弯曲强度的安全系数为 2 ． 6 0 3 。 精度等级 8 7 7 G J ， G B 1 0 0 9 5 8 8 ； 新精度等级 为 8 F p 、7 f p 、 F 、F B G B ／ T 1 0 0 9 5 ．1 ， 8 F r G B ／ T1 0 0 95． 2， 8F w GB／Tl O 0 9 5． 2。 2 小齿轮输入轴材料为 4 0 C r N i 2 Mo A， 齿轮部 分需要调质淬火处理 H R C 5 5 ， 齿轮模数 1 4， 齿数 2 0 。 根据计算 齿 面接触强度安全系数 为 1 ． 7 0 1 ； 齿 根弯曲强度的安全系数为 4 ． 1 3 9 。 精度等级 8 7 7 G J ， G B 1 0 0 9 5 8 8 。新精度等级 为 8 F p 、7 f p 、 F 、 F B G B ／ T 1 0 0 9 5 ． 1 ， 8 F r G B ／ T1 0 0 9 5． 2， 8F w GB／T1 0 0 9 5． 2。 6 ． 2板焊 机座 支撑转盘涉及的安全系数及设计 验证均应符合 A P I 规范要求。板焊机座在最大静负荷 9 0 0 0 k N的 工况下， 校核危险截面的安全系数为 2 ． 1 1 A P I 7 k要 求对主载荷途径 中结构件的最小安全系数为 1 ． 6 7 。 6 ． 3 转台与回转支承大齿圈螺栓组受转矩的联接强 度校核 依据 J B ／ T 1 0 8 3 9 2 0 0 8 建筑施 工机械与设备 一 单排球式 回转支承 选型计算方法附录 A 预紧扭矩 M 7 x o - x d ／ l O 1 4 6 8 0 0 6 N m m 上接 第 1 1 3页 系统中的可编程序控制器要完成设备 的运行控 制工作 ， 就需要编写一整套 的控制软件 ， 在控制软件 的控制处理之下， 系统的硬件才能完成设备的运行控 制工作 。 根据工艺要求 ， 控制系统需同时控制压头位置和 旋转角度两套伺服系统 ， 完成 2个轴的配合工作 ， 才 能到达泵体的装配条件和工艺要求。由于设备需要 完成不同型号泵体的装配工作 ， 所以控制系统还需兼 有泵体型号选择功能和完成不 同型号泵体下有差别 的装配工作。 4 结 论 油泵装配生产线已通过企业的使用单位验收， 正 在企业发挥设备 的使用价值。通过半年的生产实践 证明， 油泵装配生产线的性能可靠、 结构简洁、 布局合 l 1 6 联接螺栓采用 1 1 ／ 4 ” 一 7 U N C英制螺栓或 8 ． 8级 M3 2双头螺柱。 6 ． 4 回转支承套圈与机座之间螺栓组受转矩的联接 强度校核 回转 支 承 套 圈 材 料 为 5 0 M n ， 机 座 材 料 为 Q 3 4 5 E。同 6 ． 3计 算方 法 ， 联 接螺栓 采 用 1 1 ／ 4 一 7 U N C英制螺栓或 8 ． 8级 M 3 2双头螺柱。 7 结论 1 此次液压转盘的研制 ， 解决 了在常规转盘机 座外还有附加的输入轴总成所带来的部件多 、 外形尺 寸大、 整机质量重且安装布置不方便和传动效率低等 问题 。 2 采用 4台液压马达和大型回转支承 ， 解决了 海洋钻井工艺要求大扭矩低转速的问题。 3 常规转盘传动需要加工一对格里森等高螺 旋伞齿轮 ， 对于开口直径达 1 2 5 7 ． 3 m m的转盘， 通 常大齿圈直径大于 西 1 9 3 0 m m， 此种齿轮需要刀盘名 义直径大于 4 0英寸 ， 国内已很少有厂家能加工出来。 而此次研制的液压马达驱动的转盘， 大小齿轮均为渐 开线圆柱直齿齿轮 ， 各制作商技术成熟 ， 加工难度小 ， 整体经济性好 。 参考文献 [ 1 ] 王学义 ， 黄悦华 ， 赖笑辉 ．海洋钻井用液压驱动支撑转盘液压传 动设计 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 5 5 3 5 6 ． [ 2 ] 美国 NA T I O NA L O I L WE L L V A R C D 公 司．液 压 支 撑 转 盘 5 0 0 0 4 9 0 0调试维护使 用手册 [ z ] 2 0 0 8 ． 理 、 功能齐全、 操作方便 、 使用安全 ， 控制与监控功能 达到了预期的设计要求。单体泵装配工位的设备投 入使用 以后 ， 企业实行三班制 ， 设备使用率在 2 0 h以 上每天 ， 设备运行正常 ， 而且大大地降低 了工人 的劳 动强度和 O型圈的切废率 ， 提高了生产 的效率 ， 为企 业的更好发展奠定了基础。 参考文献 [ 1 ] 成大先． 机械设计手册 [ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2] 杨 基原． 机构 运动学 与动 力学 [ M] ． 北京 机械 工业 出版 社 l 9 8 7． [ 3 ] h 炎． 机械传动装 置设计手册 [ M] ．北京 机械工业 出版社 1 9 9 9 ． [ 4 ] O MR O N公 司． S YS MA C C P系列操作手册 [ Z ] ． 2 0 0 7 ． [ 5 ] O MR O N公 司． S Y S MA C C P系列编程手册[ Z ] ． 2 0 0 5