吊环防弹助推装置研制

    张凯　管海庆　白瑞义　刘兴山

    

    

    井下作业在野外施工，工作过程主要通过人与机械配合完成管柱起下作业，达到修井作业的目的，属高危生产行业。近年来随着油田领导的重视和员工安全意识的不断提高，以及安全新工艺、新工具的不断研制配套完善（如“三防”：防碰天车、防坠落器、防挤手保护装置），各种事故隐患得到有效控制，有力杜绝了安全事故的发生。但是在日常起下钻过程中，井口操作人员由于受人员素质、施工环境、天气等外部因素的影响，难免会出现误操作、挂单吊环和挂碰等问题，尤其是吊环弹出事故。不但造成人身伤害，而且带来极大的经济损失。为此，我们对吊环防弹助推装置进行了研制。

    一、提出方案并确定最佳方案

    我们通过网上查询和市场调查，发现市场上没有这类产品销售，现场也没有可直接借鉴的装置。于是召开会议，应用“头脑风暴”法，对如何“研制吊环防弹助推装置”这个课题进行了充分讨论，提出多种方案。

    1、活动式制动问题方案分解：

    通过分析借鉴生活中汽车安全带短距离快速制动原理及液压缸工作原理，依据液体的不可压缩性，设计液压缸和配套活塞并通过液压截流的方式减缓吊环弹出速度。

    1）液压缸及配套活塞选择：

    由于受吊环垂直臂展距离的限制，如果定制和加工成本高、时间长，市场成品单个成本低，时间快，通过对比分析确定采用外径?73mm，内径?60mm，活塞厚度35mm成品液压缸。

    2）节流孔径选择：

    确定了液压缸及活塞后，为实现节流减速，需要在活塞上做文章，通过分析决定在活塞本体布孔，通过通孔节流起到缓速作用;同时又满足正常工作（正常摘挂吊环）需要，为此，进行了详细计算和现场分析评价，优选出最佳实施方案。

    节流孔直径计算：

    Q = V ·（π·d2 /4） ?得出： d =（4·Q/π·V）1/2

    计算得出：d=（4*36/3.14*0.2）1/2=3.0mm;根据流速计算公式：

    V=Q/（πd2/4）计算得出：V=35/（3.14*0.0032/4）=0.2m/s;

    结论：根据计算结果可以看出?3.0mm通孔流量0.2m/s，吊环臂展范围为0.5m，从数值分析满足要求;另外，根据现场操作速度、实用性结果评价，?3.0mm圆型通孔满足正常使用要求。

    2、弹簧助推方案分解：

    依靠弹簧弹性变形后的平衡恢复原理解决助推问题。根据要求对弹簧的的相关参数进行计算。首先满足弹簧在一定载荷下工作需要，要求中径为18mm，外径不大于22mm，当拉伸变形量为λ1=7.5mm时，拉力F1=180N，拉伸变形量为λ2=17mm时，拉力F2=340N。根据D-D1≤22-18mm=4mm，估取弹簧丝直径为d=3.0mm。

    则K1=（4C-1/4C-4）+（0.615/C）≈1.25 由d≥1.6（K1FC/τ）1/2≈2.95mm

    将d1圆整取弹簧丝标准直径d=3.0mm，

    则：D2=C*d=6*3.0=18mm ? ? ? ?D=D2+d=18+3=21mm 取值合适。

    根据刚度条件计算弹簧圈数n ? 则刚度的定义求得弹簧刚度为：

    K=F/λ=（F2-F1）/λ2-λ1=340-180/17-7.5=16.8N/mm则弹簧圈数n=G*d4/8KD32=81000*34/8*16.8*183=22

    结论：通过以上计算，确定采用钢丝直径?3mm、工作圈数为22圈B级强度的碳素弹簧钢丝，以满足使用要求。

    3、固定方案分解：

    为不影响正常施工，選用专用卡子用螺栓加装弹簧垫横向固定在吊环臂展之间，因吊环弹出时主要受力件为螺栓，通过计算选择相应螺栓规格。

    螺纹抗拉强度计算：

    根据材料的材质，调质强度，查得：

    得F0=25.898KN>6.2kN

    结论： 通过计算M30×1.5螺栓，抗拉强度满足受力需求，可以使用。

    4、凸轮轴铰接方案分解：

    凸轮轴铰接在吊环之间，由于空间狭小，材质需要满足要求，能否满足受力要求，通过查表和计算的方式，对凸轮轴连接部位抗拉强度进行计算：

    凸轮轴接头的薄弱环节集中在球头的下端，直径为Φ14mm，只要这个部位满足受力要求，其它部分就满足要求。

    查机械设计手册得45#不锈钢材质的计算公式：

    =15.092kN

    由于凸轮轴是成品件，厂家提供的资料显示凸轮轴的抗拉强度为15.2 kN。

    结论： 经计算凸轮轴的抗拉强度与厂家提供的数据基本相同，因此，满足使用需求。

    二、对策实施

    我们根据确定的工具尺寸及受力要求进行加工。其中，防弹助推工具工作原理为工具连接在吊环之间的上部，现场操作人员拉动吊环摘挂吊环时，吊环带动连杆，活塞一起运行，使液压缸内弹簧受到压缩，液体的不可压缩性使液压油流过活塞上的通孔，由于孔眼产生节流作用，液压油不能快速通过圆孔，减缓了活塞的弹出速度（弹出越快，阻力越大）起到防弹作用。松开吊环时，液压缸内受到压缩的弹簧迅速恢复（弹簧受到压缩的力越大，复位越快）原位，使吊环恢复垂直状态，起到助推作用。

    三、主要效果

    工具加工成型后，我们分别在两口井进行现场验证。结果显示：验证工具在出现单吊环、吊环外弹瞬间（液压油的节流作用）能够快速制动，起到防弹作用，同时受到压缩的弹簧迅速恢复（弹簧受到压缩的力越大，反弹越大）将吊环拉回原位，起到保护到井口操作人员的安全的效果。