钻机指重表的设计与生产

钻机指重表的设计与生产

1钻机指示仪和参数指重表是用于测量、显示、记录钩子、钻头和压力的设备。这是挖掘机和采矿机的必要设备之一，在安全钻井中发挥着重要作用。指重表由死绳固定器(包含传感器)、重量指示仪、重量记录仪和液压连接管线组成。近年来,随着油田对钻机更新改造力度的加大、钻机出国钻井情况的增多和钻井作业的实际需要,发展了钻机系列规格,设计生产了ZJ70/4500LD型以及相似型号的多种型号钻机。为了满足新型钻机配套的需要,设计生产了JZ500型和JZ500A型指重表。在设计、生产JZ500型指重表的过程中,出现了死绳固定器的理论尺寸与实际尺寸不符的现象,在这里,讨论出现这种现象的原因及应采取的措施。2死绳固定器的安装死绳固定器由绳轮、底座、传感器、圆锥滚子轴承、轴等零部件组成。死绳固定器安装在钻机井架上(或者修井机载车上),用来固定提升系统中的死绳(钻井钢丝绳的固定端),将死绳所受拉力传递给传感器,由传感器中的膜片挤压液体输出油压,通过液压连接管线传递到重量指示仪显示钩载值和钻压值、重量记录仪记录钩载值。绳轮上固定着死绳,可以绕轴转动,轴固定在底座上,轴与绳轮之间装有圆锥滚子轴承,轴承腔充填适量润滑脂并且密封。指重表按照死绳固定器的安装方式分为立式、侧挂式和直拉式。侧挂式俗称卧式。JZ500型指重表为立式指重表,JZ500A型指重表为侧挂式指重表。3密度对检测精度的影响死绳固定器标定时,材料试验机通过钢丝绳对死绳固定器施加拉力,使传感器输出油压,通过液压连接管线传至高精度压力表显示压力。材料试验机作为标准拉力源,产生某一标准拉力时,高精度压力表应显示相应的压力。JZ500型指重表的死绳固定器的型号为JZG42型,表示最大死绳拉力为420kN;当材料试验机产生420kN拉力时,高精度压力表应显示的压力为6MPa,然而实际显示的压力仅为5.80MPa,误差达-3.33%,远远超出了仪器的精度要求。当把死绳固定器的长臂尺寸由理论计算尺寸786.2减小至760.3时,传感器输出的压力为5.99MPa,误差为-0.17%,达到了仪器的精度要求。理论长臂尺寸与实际长臂尺寸不符,有多种影响因素。下面先说明指重表的计算公式,再分析各个影响因素的影响程度。4指重表的基本设计推导指重表计算公式,一般分析绳轮的受力。绳轮实际上是以其转动中心为支点、在传感器拉力FC和死绳拉力作用下处于平衡状态的杠杆。根据力的平衡原理,可以得出传感器拉力与死绳拉力的关系;再根据传感器拉力与传感器输出油压呈线形关系,可以得出传感器输出油压P的表达式,即为指重表的基本设计公式。式中:P为传感器输出油压,MPa;FS为死绳拉力,kN;a为死绳拉力相对于轴心的力臂,又称短臂尺寸,mm;b为传感器拉力相对于轴心的力臂,又称长臂尺寸,mm;k为系数,MPa/kN,k=0.0416。5长臂尺寸计算设计时,指重表计算公式中的某些数据已经给定,先初步确定短臂尺寸,再计算确定长臂尺寸。已知数据有:传感器输出油压P=6.0MPa;死绳拉力FS=420kN;短臂尺寸a=270mm;将数据代入式(1),解得长臂尺寸b=786.2mm;长臂尺寸b为786.2mm时,传感器应输出油压6MPa。6原因分析可能影响死绳固定器精度的因素有标定钢丝绳直径、死绳固定器中的轴承摩擦力、绳轮自重、高精度压力表的精度、材料试验机精度。(1)mm专业32mm标定钢丝绳直径应与死绳固定器设计配套的钢丝绳直径相同,为(φ38mm;而实际上,由于受条件限制,标定钢丝绳直径为φ28mm,直径相差10mm,半径相差5mm,导致死绳拉力的作用点偏移,则短臂尺寸由270mm变为265mm。(2)死磁体中的轴承摩擦1考虑摩擦的动力学模型死绳拉力FS的作用线与传感器拉力FC的作用线平行并且垂直于底座的底面,考虑轴承的摩擦阻力,绳轮的受力模型图如图1所示。由静力平衡方程求解得到:式中:μ为轴承的摩擦系数;r为轴承摩擦力平均作用半径,mm。22误差分析传感器输出油压P在考虑摩擦阻力和不考虑摩擦阻力的情况下,误差为:3传感器输出油压误差将μ=0.008(圆锥滚子轴承受径向载荷)、a=270mm、b=786.2mm、r=110mm代入式(2),得死绳固定器中的轴承摩擦力引起的传感器输出油压误差为μ=-0.214%。(3)绳轮重量绳轮自重G为464kg,偏心在传感器对面,偏心距e为8.6mm。(4)压力计压力计高精度压力表的满量程为10MPa,精度为0.25级。用0.05%活塞压力计打压6MPa,压力表显示5.99MPa。当压力表显示5.99MPa时,实际压力已超过6MPa,为6.01MPa。(5)中试材料发电机的误差材料试验机的型号为WE-60,有3档,满量程分别为:120、300、600kN。用误差为0.3%的标准压力计检定材料试验机,误差见表1。表1中的误差数据是指以标准压力计为标准,以材料试验机的表盘读数为示值计算的,数据的正负号特别关键。标定JZ500型指重表时,使用第3档;材料试验机产生420kN拉力,表盘指示值为420kN,位于400kN与500kN之间,采用插值法计算误差得δ=0.816%。此时,材料试验机实际输出拉力低于表盘示值,为415.104kN。(6)影响死绳固定器精度的因素1)考虑所有因素,根据力的平衡原理,有:以长臂尺寸为未知参数,将已知数据代入式(3),有:解得b=760.12)仅考虑(1)和(2)因素,将已知数据代入式(1),有6.0=0.0416×(265/b)×415.104解得b=762.73)分析760.3与760.1和762.7的误差分别为+0.02%、-0.31%,都在仪器的允许误差范围之内。这表明,(1)和(2)因素是影响死绳固定器精度的主要原因,其它因素是次要原因,可以忽略不计。如果材料试验机的精度较高、标定钢丝绳直径与死绳固定器设计配套的钢丝绳直径相同,则长臂尺寸为786.2时,传感器输出油压为6MPa,这表明,指重表计算公式是正确无误的。7长臂尺寸不能满足执法要求通过以上分析,可以得出如下结论:(1)指重表的计算公式是正确无误的。(2)JZ500型指重表的死绳固定器在保证输出油压的情况下,理论计算长臂尺寸与实际长臂尺寸不符,主要原因是标定钢丝绳直径偏差、材料试验机存在检定误差,其它原因如死绳固定器中的轴承摩擦力、绳轮自重、高精度压力表的精度是次要原因,引起的死绳固定器的误差很小,可以忽略不计。绳轮自重的影响随着偏心距的加大而增大,因此设计绳轮时应尽量减小偏