鉆機(jī)指重表的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)

1鉆機(jī)指示儀和參數(shù)指重表是用于測(cè)量、顯示、記錄鉤子、鉆頭和壓力的設(shè)備。這是挖掘機(jī)和采礦機(jī)的必要設(shè)備之一，在安全鉆井中發(fā)揮著重要作用。指重表由死繩固定器(包含傳感器)、重量指示儀、重量記錄儀和液壓連接管線組成。近年來,隨著油田對(duì)鉆機(jī)更新改造力度的加大、鉆機(jī)出國鉆井情況的增多和鉆井作業(yè)的實(shí)際需要,發(fā)展了鉆機(jī)系列規(guī)格,設(shè)計(jì)生產(chǎn)了ZJ70/4500LD型以及相似型號(hào)的多種型號(hào)鉆機(jī)。為了滿足新型鉆機(jī)配套的需要,設(shè)計(jì)生產(chǎn)了JZ500型和JZ500A型指重表。在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)JZ500型指重表的過程中,出現(xiàn)了死繩固定器的理論尺寸與實(shí)際尺寸不符的現(xiàn)象,在這里,討論出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因及應(yīng)采取的措施。2死繩固定器的安裝死繩固定器由繩輪、底座、傳感器、圓錐滾子軸承、軸等零部件組成。死繩固定器安裝在鉆機(jī)井架上(或者修井機(jī)載車上),用來固定提升系統(tǒng)中的死繩(鉆井鋼絲繩的固定端),將死繩所受拉力傳遞給傳感器,由傳感器中的膜片擠壓液體輸出油壓,通過液壓連接管線傳遞到重量指示儀顯示鉤載值和鉆壓值、重量記錄儀記錄鉤載值。繩輪上固定著死繩,可以繞軸轉(zhuǎn)動(dòng),軸固定在底座上,軸與繩輪之間裝有圓錐滾子軸承,軸承腔充填適量潤滑脂并且密封。指重表按照死繩固定器的安裝方式分為立式、側(cè)掛式和直拉式。側(cè)掛式俗稱臥式。JZ500型指重表為立式指重表,JZ500A型指重表為側(cè)掛式指重表。3密度對(duì)檢測(cè)精度的影響死繩固定器標(biāo)定時(shí),材料試驗(yàn)機(jī)通過鋼絲繩對(duì)死繩固定器施加拉力,使傳感器輸出油壓,通過液壓連接管線傳至高精度壓力表顯示壓力。材料試驗(yàn)機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn)拉力源,產(chǎn)生某一標(biāo)準(zhǔn)拉力時(shí),高精度壓力表應(yīng)顯示相應(yīng)的壓力。JZ500型指重表的死繩固定器的型號(hào)為JZG42型,表示最大死繩拉力為420kN;當(dāng)材料試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)生420kN拉力時(shí),高精度壓力表應(yīng)顯示的壓力為6MPa,然而實(shí)際顯示的壓力僅為5.80MPa,誤差達(dá)-3.33%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了儀器的精度要求。當(dāng)把死繩固定器的長(zhǎng)臂尺寸由理論計(jì)算尺寸786.2減小至760.3時(shí),傳感器輸出的壓力為5.99MPa,誤差為-0.17%,達(dá)到了儀器的精度要求。理論長(zhǎng)臂尺寸與實(shí)際長(zhǎng)臂尺寸不符,有多種影響因素。下面先說明指重表的計(jì)算公式,再分析各個(gè)影響因素的影響程度。4指重表的基本設(shè)計(jì)推導(dǎo)指重表計(jì)算公式,一般分析繩輪的受力。繩輪實(shí)際上是以其轉(zhuǎn)動(dòng)中心為支點(diǎn)、在傳感器拉力FC和死繩拉力作用下處于平衡狀態(tài)的杠桿。根據(jù)力的平衡原理,可以得出傳感器拉力與死繩拉力的關(guān)系;再根據(jù)傳感器拉力與傳感器輸出油壓呈線形關(guān)系,可以得出傳感器輸出油壓P的表達(dá)式,即為指重表的基本設(shè)計(jì)公式。式中:P為傳感器輸出油壓,MPa;FS為死繩拉力,kN;a為死繩拉力相對(duì)于軸心的力臂,又稱短臂尺寸,mm;b為傳感器拉力相對(duì)于軸心的力臂,又稱長(zhǎng)臂尺寸,mm;k為系數(shù),MPa/kN,k=0.0416。5長(zhǎng)臂尺寸計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí),指重表計(jì)算公式中的某些數(shù)據(jù)已經(jīng)給定,先初步確定短臂尺寸,再計(jì)算確定長(zhǎng)臂尺寸。已知數(shù)據(jù)有:傳感器輸出油壓P=6.0MPa;死繩拉力FS=420kN;短臂尺寸a=270mm;將數(shù)據(jù)代入式(1),解得長(zhǎng)臂尺寸b=786.2mm;長(zhǎng)臂尺寸b為786.2mm時(shí),傳感器應(yīng)輸出油壓6MPa。6原因分析可能影響死繩固定器精度的因素有標(biāo)定鋼絲繩直徑、死繩固定器中的軸承摩擦力、繩輪自重、高精度壓力表的精度、材料試驗(yàn)機(jī)精度。(1)mm專業(yè)32mm標(biāo)定鋼絲繩直徑應(yīng)與死繩固定器設(shè)計(jì)配套的鋼絲繩直徑相同,為(φ38mm;而實(shí)際上,由于受條件限制,標(biāo)定鋼絲繩直徑為φ28mm,直徑相差10mm,半徑相差5mm,導(dǎo)致死繩拉力的作用點(diǎn)偏移,則短臂尺寸由270mm變?yōu)?65mm。(2)死磁體中的軸承摩擦1考慮摩擦的動(dòng)力學(xué)模型死繩拉力FS的作用線與傳感器拉力FC的作用線平行并且垂直于底座的底面,考慮軸承的摩擦阻力,繩輪的受力模型圖如圖1所示。由靜力平衡方程求解得到:式中:μ為軸承的摩擦系數(shù);r為軸承摩擦力平均作用半徑,mm。22誤差分析傳感器輸出油壓P在考慮摩擦阻力和不考慮摩擦阻力的情況下,誤差為:3傳感器輸出油壓誤差將μ=0.008(圓錐滾子軸承受徑向載荷)、a=270mm、b=786.2mm、r=110mm代入式(2),得死繩固定器中的軸承摩擦力引起的傳感器輸出油壓誤差為μ=-0.214%。(3)繩輪重量繩輪自重G為464kg,偏心在傳感器對(duì)面,偏心距e為8.6mm。(4)壓力計(jì)壓力計(jì)高精度壓力表的滿量程為10MPa,精度為0.25級(jí)。用0.05%活塞壓力計(jì)打壓6MPa,壓力表顯示5.99MPa。當(dāng)壓力表顯示5.99MPa時(shí),實(shí)際壓力已超過6MPa,為6.01MPa。(5)中試材料發(fā)電機(jī)的誤差材料試驗(yàn)機(jī)的型號(hào)為WE-60,有3檔,滿量程分別為:120、300、600kN。用誤差為0.3%的標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)檢定材料試驗(yàn)機(jī),誤差見表1。表1中的誤差數(shù)據(jù)是指以標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)為標(biāo)準(zhǔn),以材料試驗(yàn)機(jī)的表盤讀數(shù)為示值計(jì)算的,數(shù)據(jù)的正負(fù)號(hào)特別關(guān)鍵。標(biāo)定JZ500型指重表時(shí),使用第3檔;材料試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)生420kN拉力,表盤指示值為420kN,位于400kN與500kN之間,采用插值法計(jì)算誤差得δ=0.816%。此時(shí),材料試驗(yàn)機(jī)實(shí)際輸出拉力低于表盤示值,為415.104kN。(6)影響死繩固定器精度的因素1)考慮所有因素,根據(jù)力的平衡原理,有:以長(zhǎng)臂尺寸為未知參數(shù),將已知數(shù)據(jù)代入式(3),有:解得b=760.12)僅考慮(1)和(2)因素,將已知數(shù)據(jù)代入式(1),有6.0=0.0416×(265/b)×415.104解得b=762.73)分析760.3與760.1和762.7的誤差分別為+0.02%、-0.31%,都在儀器的允許誤差范圍之內(nèi)。這表明,(1)和(2)因素是影響死繩固定器精度的主要原因,其它因素是次要原因,可以忽略不計(jì)。如果材料試驗(yàn)機(jī)的精度較高、標(biāo)定鋼絲繩直徑與死繩固定器設(shè)計(jì)配套的鋼絲繩直徑相同,則長(zhǎng)臂尺寸為786.2時(shí),傳感器輸出油壓為6MPa,這表明,指重表計(jì)算公式是正確無誤的。7長(zhǎng)臂尺寸不能滿足執(zhí)法要求通過以上分析,可以得出如下結(jié)論:(1)指重表的計(jì)算公式是正確無誤的。(2)JZ500型指重表的死繩固定器在保證輸出油壓的情況下,理論計(jì)算長(zhǎng)臂尺寸與實(shí)際長(zhǎng)臂尺寸不符,主要原因是標(biāo)定鋼絲繩直徑偏差、材料試驗(yàn)機(jī)存在檢定誤差,其它原因如死繩固定器中的軸承摩擦力、繩輪自重、高精度壓力表的精度是次要原因,引起的死繩固定器的誤差很小,可以忽略不計(jì)。繩輪自重的影響隨著偏心距的加大而增大,因此設(shè)計(jì)繩輪時(shí)應(yīng)盡量減小偏