（机械工程专业论文）石油钻杆矫直机理研究及矫直机液压系统设计.pdf

摘要 在油田的钻井作业中，钻杆往往会发生各种形式的弯曲变形。由于孤东采油厂目前 缺乏高效的检测、修复手段，这些弯曲的钻杆在起钻后无法得到及时精确的矫直，导致 钻井的质量难以保证。 本文在充分吸收国内外研究成果的基础上，采用金属弹塑性弯曲变形理论，对钻杆 在弹塑性弯曲过程中的弯矩、曲率以及挠度之间的变化关系展开理论研究，建立钻杆矫 直的压力模型和有限元模型，并对影响矫直效果的各种因素进行了分析。 明确矫直机的基本结构和工作原理，从控制矫直机压头压下量的目的出发，完成了 液压系统回路的设计与计算。主要设计了矫直机压头部分的压下回路，其中控制元件选 用的是电液比例方向阀、托架的同步升降回路和行车缓冲回路，对液压缸和液压管路进 行了设计计算，在此基础上选择了系统的泵和驱动电机，并计算回路流量和压力等参数， 及发热温升和压力损失，然后选择了系统冷却器与电加热器的功率型号。 根据矫直机的工作要求，对控制系统进行了分析，建立各个环节的数学模型，并推 导了整个系统的传递函数。在此基础上对比例位置控制系统的响应速度、稳定性和系统 精度进行理论分析和研究，并进行了仿真。 本文的研究为钻杆矫直机的矫直计算和液压系统设计提供了理论的依据，同时为矫 直机的研制开发提供了一定的参考。 关键词：钻杆矫直；弹塑性变形；液压系统；比例位置控制 r e s e a r c ho ns t r a i g h t e n i n gt h e o r yo fd r i l lp i p ea n dd e s i g no f h y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m b ib i n ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl i uy a n t o n g a b s t r a c t d r i l lp i p ew i l lo f t e no c c u ri nv a r i o u sf o r m so fb e n d i n gd e f o r m a t i o n i nt r a n s p o r t a t i o n l o a d i n gs e r v i c eo rw e l la c c i d e n t i ft h e s eb e n td r i l lp i p ec a nn o tb es t r a i g h t e n i n gi nt i m e ，i ti s d i f f i c u l tt od oan i c ew o r kn e x tt i m e i nt h i sd i s s e r t a t i o nw es t u d i e ds t r a i g h t e n i n gm e t h o d a i m i n ga ts t r a i g h t e nt h eb e n td r i l lp i p ew i t hp e r m a n e n td e f o r m a t i o nt h a tc a nn o tb eu s e d a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho nf i n d i n g sa n ds t r a i g h t e n i n gt e c h n o l o g yd o m e s t i ca n da b o a r d ， t h er e l a t i o n s h i po fd r i l lp i p ea m o n gb e n d i n gm o m e n t ，c u r v a t u r ea n dd e f l e c t i o nw e r es t u d i e di n t h ep r o c e s so fe l a s t i c p l a s t i cb e n d i n ga n de s t a b l i s h e dt h ep i p es t r a i g h t e n i n gp r e s s u r em o d e l a n df i n i t ed e m e n tm o d e l v a r i o u sf a c t o r sw h i c he f f e c ts t r a i g h t e n i n gr e s u l t sw e r ea l s o a n a l y z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h eb a s i cs t r u c t u r ea n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo fa u t o m a t i cp r e s s u r es t r a i g h t e n i n gm a c h i n e i si n t r o d u c e da tt h eb e g i n n i n go fc h a p t e rt h r e e b e 舀nw i t hp r a c t i c a lw o r k i n gc o n d i t i o no f p r e c i s ec o n t r o lo fs t r a i g h t e n i n gm a c h i n e ，w ec o m p l e t e dt h ed e s i g nc a l c u l a t i o no fh y d r a u l i c s y s t e m ，c h o o s et h ee l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ld i r e c t i o n a lv a l v ea st h ec o n t r o lo ft h ec o r e c o m p o n e n t s t h ea p p l i c a t i o n st h a tc o m b i n eo fe l e c t r oa n dh y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l t e c h n o l o g y , h a v eg o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c el a r g et r a n s m i s s i o nc a p a c i t ya n dv e r yc o n v e n i e n t f o rc o m p u t e r - c o n t r 0 1 t h em a i nw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni sd e s i g n i n gt h eh y d r a u l i cs y s t e mo f h e a dp a r to fs t r a i g h t e n i n gm a c h i n e a f t e rc a l c u l a t ef l o wa n dp r e s s u r ep a r a m e t e r s ，w ef i n i s h e d c h o o s i n gt h em a i nv a l v e sa n de l e m e n t so fh y d r a u l i cs y s t e m f i n a l l yt h eh e a ta n dp r e s s u r el o s s i sv e r i f i e dt oe n s u r et h er a t i o n a l i t yo ft h ew h o l es y s t e m a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fs t r a i g h t e n i n gm a c h i n e ，p r o p o r t i o n a lp o s i t i o nc o n t r o l s y s t e mi sd e s i g n e db yu s i n gt h e 仃a n s f e rf u n c t i o nm e t h o de s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l o fe a c hp a r to ft h es y s t e m ，a n dt h ee l e c t r o h y d r a u l i cp o s i t i o ns e l v oc o n t r o ls y s t e mw a s s i m u l a t e da tl a s t t h i ss t u d yp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i s f o rh y d r a u l i cs y s t e md e s i g n i n ga n dl a i dt h e f o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fs t r a i g h t e n i n gm a c h i n e k e yw o r d s ：d r i l lp i p e ；e l a s t i c - p l a s t i cd e f o r m a t i o n ；s t r a i g h t e n i n g ；h y d r a u l i cs y s t e m ； p r o p o r t i o n a lp o s i t i o nc o n t r o l 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章绪论 钻杆是重要的钻井工具之一，孤东油田在钻井的过程中，钻杆经常发生各种形式的 弯曲变形，不仅影响井身的质量而且降低了工作的效率，增加了钻井成本。现有的钻杆 矫直设备矫直效果不够理想，因此研究钻杆的矫直工作具有重要的意义，论文通过对钻 杆矫直理论的研究进一步确定液压系统的设计，这两部分是相辅相成的。 1 1 课题的背景及研究意义 本课题来源于中石化胜利油田分公司技术开发项目“孤东油田钻杆修复工艺技术研 究”。 目前我国石油石化行业中所使用的钻杆经常会发生各种形式的弯曲，而且在使用寿 命和结构强度方面有待进一步的提高。尤其是在装卸、服役、运输和井下事故的处理过 程中，钻杆更是容易发生弯曲变形【。如果这些弯曲的钻杆在起钻后无法得到及时准确 的矫直，很难在下次作业中钻出井身比较优良的油井。 目前孤东油田矫直钻杆时采用的是简易的压力矫直设备，该设备的操作过程主要由 工作人员根据以往矫直同类型钻杆的经验来确定矫直的下压行程，然后手动控制设备压 下并根据有关的标准来检验钻杆的平直度。这种传统的方式对操作人员的经验要求比较 高，矫直的效果也有着很大的波动，不仅效率低而且控制精度也不高。 由于缺乏高效的矫直设备，油田内钻杆的使用质量难以得到保障，针对上述实际问 题，拟对国内外现有钻杆矫直技术展开深入研究，并以此为基础对矫直机的液压系统进 行分析与设计并研究适用于油田使用的液压矫直机，以便使弯曲的钻杆得以回收再利用， 因此该研究具有重要的意义。 1 2 矫直理论研究现状 矫直技术的研究内容主要包含矫直理论的研究和矫直设备的研究开发两大类。在实 际的生产过程中，为了使发生弯曲变形的机械零部件能够达到设计要求的平直度，往往 需要采取各种工艺流程或步骤来矫直工件，矫直理论就是研究这种过程并对弯曲零件实 现矫直的理论；而自动矫直设备就是在充分运用先进的科学技术的基础上，依据矫直工 艺理论的最新成果而研究开发的专用设备。矫直设备应用于实际的过程中需要工艺理论 第一章绪论 作为基础，而矫直工艺理论也在矫直设备的服役过程中得到更好的验证和反馈，工艺和 设备之间的关系是相辅相成缺一不可的。此外，矫直机械的工作效率、产品的研发周期、 生产成本也是除了工艺理论的要求之外，在设备的研发过程中不得不考虑的因素。 从上世纪七八十年代开始，少数发达国家先后研制出了具有本国特色的液压矫直机， 这说明他们在压力矫直理论上取得了一定的成果，但是在技术方面却是保密的【2 1 。近几 年来国内学者对矫直理论也做了一定的研究，主要有以下几种形式： ( 1 ) 基于曲率的计算方法。这种方法对材料在矫直过程中的反弯变形进行受力分 析，在此基础上推导出基于矫直曲率的数学模型【3 】，并能够对不同规则截面、不同材料 的零件进行计算，但是这种方法在应用时必须首先采用人工的方法拟合出零件的曲线方 程，应用不便且精度不高。 ( 2 ) 基于载荷挠度的计算方法。通过测量工件的初始挠度，可以推导出压力矫直 过程中挠度与矫直载荷之间的关系，在此基础上计算出矫直行程，从而避免了拟合零件 的曲线方程带来的误差 1 5 】。但是这种方法计算的难度较大，公式也比较复杂，很难应用 于实际生产中。 ( 3 ) 基于有限元的计算方法。有限元计算方法应用广泛，技术先进，可以精确的 计算出零件在矫直时产生的挠度和卸载后的残余变形，但是有限元方法对计算机的硬件 整体要求较高，而且需要借助专用的有限元分析软件，计算时间较长，不适合较大规模 的使用。 ( 4 ) 基于经验公式的计算方法。经验公式是在大量的生产数据中推导出的，它与 实际情况符合得较好，计算方便，形式简单。但是经验公式的获取较困难，而且相关的 研究也比较少，针对不同的工件往往需要建立不同的公式，适用范围受到很大限制【4 1 。 1 3 矫直机械的发展 近年来随着技术水平的不断发展，我国在自动矫直设备的研制和生产上取得了很大 的进展，专业的压力矫直机逐渐出现在企业的生产中【5 1 。这种矫直机的机架一般采用门 形结构或c 形开式结构，具有行程小、支点位置可调的特点。 合肥工大与合肥锻压机床厂合作研制的y h 一2 5 型矫直机，如图1 1 所示，该机能够 显示压力、油温、行程并且具有液压伺服控制和手动控制两种控制方式嘲。该类型液压 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 矫直机的成功研制开发与装备生产，在一定程度上提高了轴类零件矫直的生产效率和精 度，使我国对于矫直设备的研究上升到了新的水平。日本国际计测器株式会社与长春机 图1 - 1y t l - 2 5 型精密矫亘机 f i g l - 1y h 4 0 - 2 5a u t o m a t i ca n dp r e c i s es t r a i g h t e n i n g 械研究所于2 0 0 3 年首次成功开发出的a s c i i 系列全自动精密液压矫直机，该机集液压、 检测、机械、分析于一体，尤其是分析测量系统的智能化、整机的可靠性和工作效率有 了显著的提高。并且在矫直工艺、直线度检测、人机交互提示等方面作了重大的改进， 更加适用于实际的现场使用条件，而且整机的综合性能有了较大的提升，该矫直机如图 1 2 所示【7 1 。 图1 2a s c - 系列矫直机 f i g l - 1y h 4 0 - 2 5a u t o m a t i ca n dp r e c i s es t r a i g h t e n i n g 图1 3 所示的2 5 m n 数控矫直液压机由山东通裕集团股份有限公司于2 0 0 3 年1 1 月 首次研制成功，并达到国际领先水平。该机具有位置控制精度高，技术水平先进，吨位 规格大的特点。整机的液压系统主要采用闭环控制系统，利用二通插装阀和电液比例阀 实现精确的矫直精度控制，综合利用了p l c 可编程控制器技术和旋转编码器技术。在 第一章绪论 长型轴类和管类零件的粗矫( 位置精度可达0 1 m m ) 和精矫( 位置精度小于0 0 5 r a m ) 得到了广泛的应用，采用滚动小车、和容易选择矫直点的“支座”系统更方便的检测， 并且在显示屏上可以很方便的设计矫直机的压力、速度、位移等主要参数【8 1 。 图1 - 32 5 m n 数控矫直液压机 f i g l - 32 5 m nn u m e r i c a lc o n t r o lh y d r a u l i cp r e s s u r es t r a i g h t e n i n g 天津钢管公司与西安重型机械研究所合作开发了1 0 m n 全自动精密液压矫直机，该 机的液压系统的主工作缸采用的是与上梁焊成一体的柱塞缸，主柱塞的空程快进和快退 动作的实现是通过两个对称安装于上梁主缸两侧的回程缸来实现的。通过安装于主缸上 部的大通径充液装置，及时为主缸快速运动回路提供所需的油液。机械结构部分通过立 柱伸入上下梁部分产生的预应力组成一个整体的刚性机架。该矫直机开发了三维扫描跟 随式检测检测技术和对不同材料、不同横断面的轴类零件，自动确定并随时自动修正初 始压下量和矫直压力的矫直专家系统等。实现了压力矫直的自动化、智能化，弥补了以 前的压力矫直机在这几个方面的缺点，使压力矫直机能够在企业的连续生产线上得到应 用得。该矫直机可以矫直巾3 0 0 m m 以下的棒材或锻件，该矫直机是从上料到扫描管棒 材、自动矫直再到出料全程由计算机自动控制的设备，对于直径不超过巾3 0 0 m m 的管 材，矫直次数一般在3 次以下，显著缩短了材料的矫直周期，提高了生产效率【9 】。 在国外也有很多致力于自动矫直机的研发与制造的机构，并且他们生产的矫直机械 具有各自的特点，例如德国m a e 公司生产的矫直机械就利用了优化设计的思想【1 0 ，创 造性的将矫直过程中的动作和检测环节分成4 中不同的模式，能够根据零件不同的弯曲 情况，采用矫直行程的递推算法，分别制定粗矫和精矫的不同矫直策略，显著提高了生 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 产的效率。 意大利g a l d a b i n i 公司的矫直设备中，为了防止因矫直行程过大带来的工件断裂， 给每个矫直机械都安装了裂纹检测预警装置，这是该机型最大的特点。并且围绕着每一 个压点进行了详细的动作说明，并设立了各自独立的支点组合，通过调整行程和矫直参 数，大大改善了矫直机的矫直效果。日本东和精机株式会社生产的智能型矫直机为a s p 系列，它利用由计算机控制的轴线度检测系统，智能的识别弯曲形式并检测零件在各个 方向上得挠度值，然后由程序计算出滑块的最佳加压点和矫直的挠度值，最后计算机控 制支点即时移动。 1 4 液压技术发展及现状 随着技术装备的自动化程度和工作精度的不断提高，液压控制技术从传统的应用场 合逐渐向高、新、尖技术领域发展，包括鲁棒控制技术、神经网络控制技术、最优控制 技术、自适应技术和p i d 控制技术掣1 1 】，这些新技术将液压技术、电子技术综合运用到 液压控制系统中，使技术装备的控制精度、响应速度、工作可靠性及自动化程度有了很 大提高，液压技术在高、新、尖技术装备中发挥着越来越重要的作用。 目前我国液压行业的生产科研体系已初具规模，约有十多所大学设有液压传动专业、 国家重点实验室和国家级质量监督检测中心【l2 1 。国外液压工业的发展速度要高于机械工 业，液压技术在冶金、工业机械、自动生产线、机床等领域中得到广发的应用，其中液 压主机的品种日益增多，更新速度逐渐加快，在矫直机的液压系统方面发展已经比较较 成熟，国内外机型差别主要在于安装和加工工艺方面，良好的加工工艺使得机器在油液 的冷却、过滤及防止冲击振动方面有显著的改善。 ( 1 ) 国内外液压系统在油路结构方面都趋向于封闭式、集成化设计，叠加阀、插 装阀和复合化元件得到广泛的应用。国外广泛采用封闭式循环油路设计，能够防止泄油 和污染，阻止空气、灰尘和化学物质侵入系统，延长了机器的使用寿命，然而由于多方 面的原因，国内采用封闭式油路的系统较少。 ( 2 ) 在安全性方面，国外采用微处理器控制的高性能矫直设备利用软件进行检测 和维修，可实现检测、过载保护和错误诊断等功能。 ( 3 ) 在控制系统方面，微电子技术的发展为改进液压机的性能、提高稳定性和工 5 第一章绪论 作效率等方面提供了前提条件，虽然国内机型齐全，但技术含量较低，与机电液一体化 的发展趋势不相适应。 通过对以上几节的综合考虑我们发现随着技术的不断进步，近年来国内外的矫直机 械有了巨大的进步，矫直的精度逐渐升高，品种规格越来越齐全1 3 】，各种型号系列也越 来越完整。但是由于国外的技术封锁，许多最新的研究成果无法及时准确的应用于国内 的实际生产中，而且在油田的实际生产过程中，迫切需要一种与普通自动矫直机相比矫 直过程更加快捷，设备的操控性更加优良，对油田的恶劣环境下适应性较好的设备。 1 5 论文的主要研究内容 文章中首先完成对钻杆的矫直理论的研究分析，在此基础上设计矫直机的液压系统， 并对系统的主要元件进行计算与选择，最后分析矫直机比例位置控制系统。 1 、运用弹塑性理论对钻杆在弹塑性弯曲过程中的弯矩、曲率及挠度展开理论研究， 分析弯曲过程中各种曲率之间的相互关系，推导计算挠度和压头下压量，矫直机液压系 统矫直钻杆所需要的压下力及矫直功率。 2 、确定系统的主回路方案，并对辅助回路进行设计，确定系统的主要技术参数， 对该系统的液压元件进行设计选用，对系统的压力损失、发热升温等进行计算。初步确 定油箱的尺寸规格、安装形式及泵和电机的型号、管路的内径、接头的选择，系统电加 热器的功率和冷却器的型号。 3 、建立液压压下系统各个回路的数学模型并推导总体的传递函数，运用m a t l a b 软件分别对时域与频域特性进行分析，采用p i d 控制器对系统进行校正，得出校正后系 统的阶跃响应与伯德图，并分析系统的快速型与稳定性，计算比例位置系统的稳态误差。 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第二章钻杆矫直理论研究 在实际的生产过程中，为了使发生弯曲变形的钻杆能够达到设计要求的平直度，往 往需要采取各种工艺流程或步骤来矫直工件，矫直理论就是研究这种过程并对弯曲零件 实现矫直的理论。 2 1 钻杆弯曲变形分析 在钻杆的矫直过程中，钻杆的弯曲既有弹性弯曲又有部分塑性弯曲。当外界载荷不 超过弹性极限时，卸除载荷后，变形可以自行消失；当载荷超过弹性极限并发生塑性变 形时，卸除载荷后变形无法消失从而残留下来。 2 1 1 压力矫直的理论基础 实际情况下钻杆的结构和力学性质是复杂的，为便于理论分析，对钻杆进行合理的 假设如下， ( 1 ) 在钻杆的整个体积内，毫无空隙的充满着物质，从实际的物质结构来说，组 成固体的粒子之间并不是连续的，但是它们之间的空隙与宏观的尺寸相比非常微小，可 以忽略不计【1 4 】，并认为在整个几何空间内是连续的。 ( 2 ) 在整个体积内，钻杆的力学性质完全一致，从实际情况来说，各个晶粒的性 质并不是完全相同的，但是晶粒的尺寸比结构的整体尺寸要小很多，而且数量极大，排 列毫无规则，从统计学的角度来说材料的性质在整个体积内是均匀的，据此假设钻杆内 部材料都具有相同的力学性质。 ( 3 ) 钻杆在各个方向上得力学性质完全相同，单一金属晶粒的机械性质具有明显 的方向性，但在宏观研究中，物体的性质并不具有明显的方向差别，因此可以将钻杆材 料看成各向同性材料来处理。 ( 4 ) 外力作用下的变形可能很小也可能很大，但是在大多数情况下，钻杆的弹塑 性变形与原始尺寸相比非常微小，因而在考虑平衡和运动时，可以忽略不计，实践证明， 使用小变形的概念简化分析和计算，误差是及其微小的。 2 1 2 钻杆的弹塑性弯曲 金属材料的弯曲变形在没有到达屈服极限时，纵向纤维的变形遵守虎克定律，应变 和应力遵循线性关系：s = e e ，式中系数e 表示弹性摸量。当材料继续发生弯曲变形并 7 第二章钻杆矫直工艺理论研究 且达到屈服极限后，材料的弹性性质则有显著的减弱的趋势，应变与应力的关系表现为 遵循特定的曲线，在卸载之后应力应变的关系遵循增量虎克定律，即a a = e a 6 的增量 线性关系，而且有一部分变形成为永久变形【15 1 。金属进入塑性变形阶段后，应力应变关 系不再是常数关系，为了分析和计算上的方便，将无屈服平台和小屈服平台的金属归纳 为线性强化材料，在一般的压力矫直状态下，其变形量很难超过平台区，作为理想弹塑 性材料来处理。 !。 o 图2 - 1 弹塑性弯曲变形图 f i 9 2 - 1t h ed e f o r m a t i o nd i a g r a mo fe l a s t i c 。p l a s t i cb e n d i n g 钻杆压力矫直过程中材料的变形与断面高度是线性关系并遵守平截面变形原理，弯 曲之后的工件会有残余应力出现。如图2 1 所示，弯曲变形的工件厚度为h ，两个端点 处的横截面发生转动并使内缘纤维缩短以长度，而外缘纤维则拉伸出同样的长度。当 卸去外力之后，发生塑性弯曲的纵向纤维将按照最大弹复能力恢复口t 的变形量，并使一a i a l 返回到a 2 a a a 2 的位置，但是由于受到平截面变形的约束只能回弹到4 4 ，残余变形量 用a 2 a a a ：与直线4 4 之间形成的斜线的面积来代表；变形程度尚未超过弹性极限的纤 维将恢复原状。 根据平截面变形原理，最先开始产生塑性变形的区域必然是最外层。当最外层纤维 应力q = 1 1 5 a , 时，塑性变形向内部深入。单位长度钻杆材料鸽4 受到弯曲时，4 4 的 应变量用表示，由几何关系可知 ：_h8max 口 ( 2 一1 ) 2 了口 l z l ， o 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 式中，口横截面的角位移，a = 1 ；。 设纤维的纵向变形为占，弹塑性变形交界处的变形为t ，厚度为日，推导出钻杆的 弯曲变形公式如下： q 告口= 易 z2 z g = 嬲= 一= g ph t 1 口= 2 0 , e l i , hh a 2 瓦乞2 面 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 2 1 3 弯曲曲军之i 司的关系 已经出现塑性变形的钻杆在卸载后将不能恢复原状，只能弹复一部分变形，其余部 分变成残留变形。总变形包括弹复变形和残留变形两部分，原始状态为平直的钻杆弹复 后的残留弯曲等于塑性弯曲变形 1 6 1 ，单位长度钻杆弯曲后中性层形成的弧度表示弯曲曲 率c w = 1 矾，弹复后形成残留曲率c c = 1 岛，从角度的关系上来说，c ，= c w c c ，塑 性曲率c = c 。 设初始状态为弯曲的钻杆的原始曲率为c o ，对应的曲率半径为p o ；弯曲后的曲率 半径增大到c w ，对应的曲率半径为p 。；弹复的曲率为c ，对应的曲率半径为乃：弹 复后的残留曲率为c c ，对应的曲率半径为成；总弯曲曲率为q ，对应的曲率半径为p z ； 塑性曲率为e ，对应的曲率半径为以，各曲率之间的关系如图2 - 2 所示。 9 q e 2 = 砑一d 蚪等 2 口 观 p 第二章钻杆矫直工艺理论研究 ， 仑。 l ， 7 u i 入 c ? 沃 g 、 s l 、一 图2 - 2 弯曲变形各种曲率的关系 f i 9 2 - 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv a r i o u sc u r v a t u r eo fb e n d i n gd e f o r m a t i o n q = c w c o c ，= c w e ( 2 8 ) e = c c c o 式中曲率的正负值规定：钻杆在平面内弯曲方向向上时为正，反之为负。 m m 。 一一一 ，曩 i 磁， ， ，- ，。 l 。， 。 c o0 &bc 图2 - 3 弯曲变形m c 曲线 f i 9 2 - 3m - cc u r v eo fd e f o r m a t i o n 弹塑性弯曲的变形能包括弯曲材料内部贮存的弹性势能和塑性变形部分消耗的能 量，弯曲变形能为： u ：pm d c ( 2 9 ) j c 0 曲线c o m w c w 与x 轴的面积就是所求的总能量，其中斜线部分代表不可恢复的塑性 l o 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 变形能u 。，空白的三角部分表示弹性变形势能阢，如图2 - 3 所示，设卸载前的弯矩为帆， 可以得出： u = u + 虬 ( 2 1 0 ) 其中 = 墨叫c w c o l = 三嘶 2 11 由材料力学的知识可知 配= 等 1 2 ) 式中，i 截面惯性矩( 单位) 。 设弹塑性弯曲的塑弯比为m ，则m 。= m m ；弹性极限曲率为c ，e = m t 日； 相对弹复曲率为c f ，c ，= c s c , ，则 c ，：监：丝万：c ，万( 2 1 3 ) 。 e ie i 即c i = m ，相对弹复曲率c 厂等于塑弯比m ，由以上关系可知1 c ，= m m 一，各 种型材的一m 一：1 2 2 。由上述分析得出，钻杆弹复能力的大小取决于材料的截面形状 特征、机械特性和弯曲程度。 各种曲率及它们的相对值不仅与弯矩有关，同样与纵向纤维到中性层的距离成正比， 即 岛= 等h 2c z(2-14) 由上式可知鲁= 若= 专，设相对总曲率为瓦一c y = 呸由上式推出： 一c = ( 2 - 1 5 ) 即弹区比与相对总曲率互为倒数，已知万是善的函数，故万也是否z 的，否= 厂每) 在已知原始曲率c o 的情况下，可以求出任意曲率值，如下所示： 第二章钻杆矫直工艺理论研究 2 2 钻杆矫直理论分析 否，：每) _ o 否。= ( ) 一一m + 一c 。 石产厂( _ ) 一砺 ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 2 2 1 钻杆的塑性变形区 由钻杆的弯曲变形关系可知，引起弯曲变形的外因是弯矩，是外力与钻杆内材料的 应力相互平衡的结果【1 8 】，如图所示2 5 所示，截面的弯矩为 m=2ir2吖lrt-z：ozdz+2f贝2压ei砘(2-19)joj r f i 9 2 - 5s t r e s sa n ds t r a i no fd r i l lp i p e 将仃= q z r 代入上式，积分后将善= r , r 代入并整理得 m = t ! z - l f ， , 三6 一等) ( 1 一善2 声+ 三a r c s m 孝 c 2 2 。， 式中，m = 积3 q 4 。 设大圆和小圆的弹区比分别为善及磊，钻杆截面的弯矩为大小圆的弯矩之差，分别 代入计算得出截面弯矩 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 m = 手月3 ( 1 _ a 4 h 4 、7 船守孝2 声+ 制 一球一争善2 声+ 警 将磊= ，；厂= 告屈，代入上式，得 故 肘= 手r 3 - a b ， 4 7 争钟髻声+ 警 一(吾口2一等g2一孝2声一丁arcsin(孝a) 面；高一 旁髻芦 去 ( 2 2 1 ) 1 一a 4 ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) 现以单位长度钻杆中点受集中载荷来处理，分析断面的弯矩和塑性区的变化情况， 在这种情况下发生极限弹塑性弯曲【16 1 ，即孝= 0 。如图2 - 6 所示，弯矩与x 轴坐标的关系 为 收= 詈( 纠 2 4 ， 式中，卜一支点距离；，集中载荷。 l - 一 l s i f 一y 一、颦川 ) 乙 皇皇= 珍x 。一 划、彬j 图2 - 6 钻杆弯曲m z 曲线及善- - x 曲线 f i 9 2 - 6m - - xc u r v ea n d 善- - x c u r v e 这个弯矩在塑性区域内，与断面的弹塑性弯矩平衡，即两式相等，当孝= 0 时 1 3 第二章钻杆矫直工艺理论研究 m - 1 7 mg ，m ：坂即 1 一a 4 。 詈( 纠乩7 m 吕 当钻杆中点达到最大弯矩时，z = 0 ，代入式中求解可得 f = 在这一载荷作用下，弹性极限弯矩发生在 式( 2 2 6 ) 与( 2 2 5 ) 相等 三2 ( 纠= ml 2 1 ( 2 - 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) ( 吾一石 = m ，推到出x 的显示表达式得到 工= 式( 2 2 7 ) 表示从钻杆的中点算起，到吾 三一至蜮( 2 - 2 8 ) 2 1 7 ( 1 一口3 ) - - 5 7 0 ( 1 - 二a 口 ，) ( ) 处止为塑性变形区。 2 2 2 矫直j 主卜税度 钻杆的弯曲曲率代表弯曲程度，曲率与厚度的积分就表示该处的变形程度，曲率对 于长度的积分表示两支点的挠度。由曲率公式可知 总弯曲变形 龟：要岛 反直变形 ：等g 反弯变形 占，：h c ， 由反弯到弹复变形 勺一h 1c ， 残留变形 塑性变形 s c = c c g ：t ：冬( c c + c o ) c o：冬e g 2 t 土 2 i 卜c +2 了【一s j 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 图2 7 压下挠度简图 f i 9 2 - 7t h ed i a g r a mo fb e n d i n gd e f l e c t i o n 假设钻杆的原始弯曲为反向弯曲，则压下曲率为c w = c - c o ，在离开支点x 处压 下曲率为c w = c 工- c o ，。由d 口= 驯成= e d x ，a y = x d o = x c ，出可知钻杆中点的挠度 为 万= j 了方2 j ：工t 出2 j ：x ( c 主x c o x 皿 ( 2 2 9 ) 2 上x 呸，d x 一上x c o ，d x 式中，鸠= r x 2 ，当f 为常量时 呸，= 厂每，) = f ( 2 可f 刁 3 。， 艿= 托玎刍x 卜瓯 3 - ， 轧材两端为弹性弯曲，由于当f 为常量时，弹性弯曲区段的长度也为常量【2 0 1 ，在 长度内c ，= m ：, e i = f x 2 e i ；在塑性弯曲区段，f x 2 v , = 驯曩= 叫，故式2 - 3 3 变为 州ot,fx2jo 2 e i + j f ，r , c r 如卜一磊 “itj ” 墨6 e 1 北d l , 如卜一磊 q - 3 2 “i ， ” 1 5 第二章钻杆矫直工艺理论研究 矶南a 万i l 一j ( 言一等) ( 1 一善2 声一( 吾口2 一等 ( 口2 一善2 声 上坚! ! 坐童二! ：竺! ! 垫堡丝1 2 善 石 1 吨2 了 ( 2 - 3 3 ) ( 2 - 3 4 ) 联立式2 - 3 2 与2 - 3 3 即可求出万的函数式，由于呸= f ( x ) 的显示表达式无法写出， 采用数值方法进行求解。 2 2 3 钻杆弯曲变形能 钻杆在弯曲变形时外力所作的功一部分用于弹性变形，一部分用于塑性变形；还 有一部分转化成热量而散失掉1 5 】。由于塑性弯曲必然伴随着弹性弯曲，在计算矫直功率 时需要根据材料弯曲变形时的塑性曲率与弹复曲率把它们分开计算。 计算弹塑性弯曲变形能有两种方法；一是对弯曲m c 曲线进行积分求得，另一 种方法是利用变形与应力关系积分求得，积分求得弹性变形能的为 u t ：2 r 2 再_ c o d z + 2 f 旯2 厨盟拟 ( 2 3 5 ) j o j 冠 将占和仃的值代入上式，积分后，得到等式右边第一项的积分结果为 = 等睁守孝2 声+ 可a r c s i n 孝 3 6 ， 第二项积分结果为 = 孚降( 1 髻声血司 3 7 ， 变形能的总和为 一= 鲁睁埘一刳 3 8 ， 2 2 4 液压矫直所需的力与功 压力矫直机电机选择的主要依据是矫直的力与功，矫直力可由支点距离和弯矩算出 f ：_ 4 m - ，当设计液压矫直机的机械结构时，还要根据最大矫直力进行计算，这时的最 1 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 大矫亘f 雎力为 f 一：竺咎：导m ，砑蛳( 2 - 3 9 ) m x ， ，一，一一 矫直功率是计算矫直机动力参数之一，压力的增量与矫直下压挠度增量的乘积就等 于矫直功【2 0 】，所以矫直功的计算公式为 形= f d w = r e d 溆， ( 2 4 0 ) 由公式求出的功的大小等于总的弯曲长度在每单位长度上弯曲变形能的总和，即 w = j ：u x d x ( 2 - 4 1 ) 由前面的推导可知，塑性区域内弯曲变形能“，、m ，与弹区比妥都有着对应的关系， 用材料力学的方法可以求出在弹性段内弯曲变形能“，式2 舢可以表示为 r 2 e i + 2 肛= 鲁r 争+ 2 m 江4 2 ， = 筹f f + 2 f l 2 出 2 3 本章小结 本章结合课题的研究现状，对钻杆在弹塑性弯曲过程中的弯矩、曲率以及挠度之间 的关系展开理论研究，推导了弯曲过程中各种曲率之间的函数关系式及载荷与压下挠度 的计算公式。分析发现随着初始弯曲挠度的不断增加，矫直载荷呈现出明显的非线性特 征，并且矫直支点的跨度越大，所需要的载荷越小，当支点跨度固定时，塑性变形的最 大区域也是固定的，同时材料的固有属性、强化特征、截面形状等因素对载荷也有着不 同程度的影响，在对以上各因素综合考虑的基础上，推导出矫直机液压系统的压下力及 矫直功率。 1 7 第三章矫直机液压系统设计 第三章矫直机液压系统设计 矫直机液压系统以油液作为工作介质，利用油液的压力能并通过控制阀门等附件操 纵液压执行机构工作的整套装置。与机械传动、电气传动相比，采用液压系统不仅操纵 方便，而且可以比较容易实现对系统的精确控制、无级调速。 3 1 矫直机结构及主要功能 钻杆液压矫直机采用可移动立式框架结构，如图3 - 1 所示，主要由主机、可升降旋 转托辊装置、压紧装置、矫直机机架、可移动支座、计量装置等组成。 1 、钢丝绳牵引装置2 、钻杆3 、工作台4 、中间滑板5 、移动支座6 、滑动导轨 7 、钻杆旋转装置8 、工作台支架9 、移动主机1 0 、限位装置1 1 、主机立柱 1 2 、辅助装置1 3 、主液压缸1 4 、主机上横梁1 5 、主机车轮1 6 、下横梁 图3 1 钻杆液压矫直机示意图 f i 9 3 1t h ed i a g r a mo fa u t o m a t i ch y d r a u l i cs t r a i g h t e n i n gm a c h i n e 本机液压系统主缸安装在上横梁上，滑块置于机架中间，其上平面与主缸联接。活 塞缸端部通过法兰与龙门架固定，活塞缸上腔进油拉动滑块和压头部分向下运动，滑块 的行程位移采用位移传感器进行控制。为确保安全，在压头的上、下极限位置设有行程 保护开关，上下极限位置开关在安装时锁定，工作状态下不允许调整。 矫直机的机架上安装有旋转托辊和两个托架，用于对待矫直的钻杆进行旋转和升降， 以便检测及后续的矫直。托架和托辊由钢丝绳拉动，可沿工作台移动，钢丝绳一端绕在 工作台左端的轮子上，另一端绕在工作台右端的滚筒上，滚筒轴由电机带动旋转，通过 控制电机转动进而控制绕在滚筒上的钢丝绳拉动托辊沿工作台方向移动，以适应长短不 1 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 同的轴的检测和矫直需要。放在托辊上的工件旋转运动由电机驱动，升降通过液压缸进 行控制，并且左右两端的托辊箱都安装有上下行程开关，确保工件两端齐平，在同一个 水平位置进行旋转，从而保证了检测精度。在特殊情况下当矫直机的滑动行车架移动到 导轨左右两边的极限位置时，若没有相应的缓冲设备极易发生事故，因此分别在导轨的 末端加装两个缓冲液压缸来阻止，阻碍行车架移动的缓冲压力来自于蓄能器。 3 2 液压系统回路设计 拟定液压系统原理图是液压系统设计中的重要步骤，直接影响着系统的性能，和设 计方案的经济合理性。拟定过程中首先依据设计任务中提出的动作和性能要求，综合运 用液压系统的有关知识，选择和拟定基本回路，然后把基本回路合成为液压系统。 3 2 1 矫直机主回路方案设计 根据矫直机各个部分的工况性能要求及工作原理，执行机构的液压系统主要以下几 个部分，设计如下： ( 1 ) 控制阀方案确定 主回路控制滑块和压头完成矫直的动作顺序，是整个液压系统中最为关键的部分， 由于滑块的惯性和系统的流量较大，矫直过程中对压下量的控制精度要求比较高，速度 变化和换向时的冲击震动是设计液压系统重点考虑的问题，液压回路设计要保证运动部 件能在快进速度和工进速度的范围内实现平稳的无级变速，当负载变化干扰时，压下量 只允许在误差范围内变化，回路中各种功能阀和元器件的选择要合理，系统的结构要安 全可靠、简单，同时功率损失要小。 本系统需要正反方向的无级自动调速以实现精确的位置控制，通过合理的选用各种 阀可以实现液压系统的动作功能要求，常用的方案有以下几种： 1 ) 电液伺服阀系统； 2 ) 比例调速阀与电磁换向阀液压系统； 3 ) 伺服比例方向阀液压系统。 方案l 系统的回路简洁，控制精度和性能要优于方案2 和3 ，但是电液伺服阀成本 远高于比例阀，对油液的过滤精度要求非常严格，须选用高精度，高灵敏度的伺服油缸 才能充分发挥伺服阀的优势，增加了整个系统的成本，在使用条件和环境方面也受到限 制。 1 9 第三章矫直机液压系统设计 方案2 和3 为比例控制系统，比例阀的阀口最大开启量很大，接近一般换向阀，在 通过全流量时的压力损失一般不大于1 m p a ，对比方案1 有利于降低系统能耗和温升； 方案2 的液压回路较方案3 复杂，由于调速阀的原因，管路和液压阀上的压力损失比较 大，泄露等问题也较多。方案3 的回路既能通过电流大小成比例的控制通过阀芯的流量， 也能通过换向来控制液压缸的运动方向，回路简洁。其特点是利用大电流的比例电磁铁 作为电机械转换器，降低了生产成本，具有伺服阀的各种特性，而且对油液的清洁度要 求较低，动态频响比一般比例阀高，可靠性好。综合考虑，矫直机液压系统选择方案3 。 ( 2 ) 液压主回路方案设