刘超，黄许澎，张志伟，任艳柱，陈德刚，陈昊翔

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡721002）

0 引 言

中东地区如沙特阿拉伯、科威特等的大型油气田多分布在沙漠区域，石油钻机在这些区域搬迁经常采用轮式移运方式[1-2]，将钻机整体或井架、底座分别作为一个移运单元进行运输，以达到加快搬迁速度、提高效率、节省成本的目的。

目前的轮式移运装置结构中鹅颈通过牵引销和牵引座与轮轴总成连接（如图1），依靠牵引车牵引轮轴实现转向，无法原地调整轮胎方向，在对正井口时只能通过牵引车多次往复牵引调整才能对正井口，费时费力。

为此，我们研制了钻机移运装置轮轴转向机构[3]，提高了轮式移运装置的转向能力，简化了移运底座对正井口的操作过程，解决了轮轴无法原地转向的问题。

1 技术分析

图1 常规轮式移运钻机鹅颈结构示意图

图2 转向鹅颈结构示意图

轮轴转向机构主要由转向耳板[4]、旋转轴、液压缸、液压缸固定耳板等组成。转向耳板设计有方孔结构，安装在旋转轴的方接头上，旋转轴通过耳座与轮轴固定连接，这样转向耳板与轮轴可以同步转动。转向液压缸缸筒通过销轴固定在套筒二上，活塞杆端头与转向耳板连接。

转向时，液压缸伸出推动转向耳板转动，通过方形接头传递转向转矩到旋转轴和轮轴连接耳座上，带动轮轴总成完成原地转向。在旋转轴下端面设计有锁定结构，在不需要转向机构工作时，可以用螺栓锁定，避免外力转向造成油缸损坏。

图3 带转向机构轮式移运装置转向示意图

2 结构设计

液压缸缸筒与活塞杆端头均设计为可自由转动连接，活塞杆推动转向耳板转向时液压缸可随之自行调整方向，该设计结构不但可以避免应力集中，还可增大转向角度。

旋转轴是该转向机构的核心部件，因结构限制，旋转轴的主体长度近2 m，在保证使用强度的前提下，将旋转轴设计成中空钢套，以减轻质量。为了降低加工制造难度，提高产品综合性能，将此钢套设计成由上、中、下三部分圆筒组焊而成。

轮轴连接耳座用螺栓固定在轮轴总成上，旋转轴与耳座间采用销轴连接。在移运过程中，如路面不平导致同一轮轴的左、右侧轮胎存在高差时，轮轴可以以销轴为旋转轴自由旋转，保证轮轴上两个轮胎都接触地面，可以避免底座载荷分布不均造成轮轴爆胎或其他构件的变形，如图5所示。

3 设计计算

3.1 转向液压缸选型

要使轮轴转向液压缸需要克服的力矩为

式中：Tqy为轮胎转向引起的转矩，kN·m；Tmt为轮轴与铜套摩擦产生的转矩，kN·m；Tk2为套筒端面摩擦力产生的弯矩，kN·m。

轮胎转向引起的转矩为

图4 转向机构剖视图

图5 转向机构与轮轴连接

式中：F1为单个轮轴上的移运载荷，kN；μ为轮胎与地面滚动摩擦因数；Slt为轮轴转向力臂，mm。

轮轴与铜套摩擦产生的转矩为

式中：k3为铜套与套筒间摩擦因数；Ltt为摩擦力工作力臂，mm。

套筒端面摩擦力产生的弯矩为

式中：Fk2为套筒端面摩擦力，N；Lk2为套筒端面摩擦力工作力臂，mm。

因此液压缸推力为

式中，L为液压缸工作力臂，mm。

通过计算得出轮轴转向需要的推力。根据现场实际需要，转向机构最大设计转向角度定为15°，通过放样（如图6）液压缸的两个极限位置，确定液压缸的工作行程S≥S1-S2。

3.2 方形接头规格确定

移运转向时扭转力矩通过焊接在旋转轴上的方形接头传递到旋转轴上，方形接头承受转矩为Tz。

方接头的最小边长为

图6 液压缸的两个极限位置

式中：a为扭转系数；τ为材料抗剪强度，MPa。

3.3 旋转轴规格确定

设计时初步确定旋转轴的选型，轮轴转向引起的剪应力为

式中，Wt2为钢套抗扭截面系数，m3。

移运时牵引力引起的剪应力为

式中，A2为钢套截面积，m2。

牵引力引起的弯曲应力（作用下铜套下段）为

式中：Mq2为牵引力引起的弯矩，J；W2为钢套抗弯截面系数，m3。

等效应力大小为

计算出各应力均小于相应的许用应力，钢套选定的设计尺寸满足使用要求。

3.4 轮轴连接销轴设计

旋转轴与轮轴连接耳座间采用销轴连接，该销轴主要承受移运载荷F（根据轮胎额定承载能力计算）和轮胎转向时的转矩Tz。

销轴的截面面积为式中：l为旋转轴转向时工作力臂，mm；Fv为容许剪切应力，MPa。

3.5 鹅颈有限元分析

鹅颈作为移运系统中关键的承载部件，钻机底座移运时，鹅颈承受移运载荷和牵引车的牵引力，因此鹅颈必须要有足够的强度[3]。鹅颈由材质为Q345的钢板焊接而成，移运载荷和牵引力通过外套筒传递到鹅颈上。

采用ANSYS软件对鹅颈进行有限元分析。鹅颈的有限元模型和加载情况如图7所示，鹅颈的计算结果如图8所示。

图7 额颈受力及约束模型

图8 鹅颈应力云图

从鹅颈的应力云图可以看出，最大等效应力为170.77 MPa。

支座材料为Q345，ReL=325 MPa，根据AISC (335-89)，材料的许用应力为

鹅颈强度满足使用要求。

4 试验与应用情况

4.1 试验情况

移运装置制造完成与钻机底座进行了配装，并进行原地转向试验。操作转向液压缸（控制液压缸同步，使各轮轴转向角度偏差不超过1°），分3次（转向5°、10°、15°）将轮轴转到最大转向角度，然后将轮轴分3次转到直线行驶位置。转向系统工作正常，达到预期设计目标，满足使用要求。

4.2 应用情况

图9 底座轮式移运井场实验

我公司生产的ZJ70DBT钻机配套了新设计的具有转向机构的底座移运装置，根据油田用户反馈信息，我公司生产的带转向机构的底座轮式移运装置使用情况良好。底座移运时轮轴可控角度转向与常规轮式移运装置相比操作简单、实用性强，移运底座对正井口效率高，对正位置精确。

目前，该移运装置轮轴转向机构结构已广泛应用在我公司轮式移运产品中，尤其在新疆、沙特、科威特等沙漠地区油田使用效果尤为突出，受到用户的肯定和赞扬，为公司移运产品树立了良好形象。

5 结 论

1）移运装置轮轴转向机构结构合理，转向操作方便，极大地提高了钻机搬迁效率；2）转向机构可原地最大15°转向，减小了钻机移运时的转弯半径，降低了对路面的要求，提高了底座的移运通过性；3）在钻机井口对中时，转向机构提高了钻机对正井口中心的准确性。