0 引言

顶驱装置是20世纪80年代出现的一种新型钻井装备，它能从井架空间上部直接驱动钻柱，完成旋转钻进、循环钻井液、接立根、上卸扣和倒划眼等多种钻井操作^[1]。绝大多数的顶驱系统都配备管子处理装置，该装置主要为起下钻作业服务，由回转系统、倾斜系统和背钳系统3部分组成^[2]。在上卸扣作业中，需通过锁紧销锁住回转系统来提供反扭矩，从而实现安全上卸扣功能。由此可以看出，锁紧系统在整个管子处理装置中起着举足轻重的作用^[3]，其状态的好坏直接决定顶驱背钳系统能否正常运转^[4]，以致影响整个钻井进度。为此，笔者从锁紧系统实际工况出发，详细分析了锁紧系统的关键技术问题，借助有限元软件分析了锁紧系统执行机构并与现场实际问题进行对比，最后给出了锁紧系统的优化方向。

1 锁紧系统概述

锁紧系统和顶驱装置一样是机、电、液一体化的系统^[5-6]，其结构如图 1所示。由司钻台发出“锁紧”指令到达电控房PLC柜，再将指令发送到顶驱本体站^[7]，顶驱本体站类似于电信号集散中心。该中心通过内部线路的合理优化将电信号传送到电磁阀组^[8-9]，通过电磁阀组内液压油路的切换控制锁紧销上行与下行过程，并通过接近开关检测锁紧销的相对位置，由此判断锁紧与松开功能是否实现。

2 锁紧系统关键技术分析

纵观整个锁紧系统的控制执行机构，其功能能否实现的关键在于其检测机构与执行机构。检测机构与执行机构示意图如图 2所示。

检测机构的主要载体是接近开关。目前，北京石油机械有限公司的顶驱选用的是涡流式(电感式)接近开关，它利用导电物体接近这个能产生电磁场的接近开关，使导体内部产生涡流，这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，识别出有无导体移近，进而控制开关的通断^[10-11]。通常把这个引起开关通断的距离叫“最大检出距离”^[12-13]。由此可见，这种接近开关所能检测的物体必须是导体，从实际作业情况分析，常规检测物体多为铁和不锈钢材质。

检测物体大小和材质对检测距离的影响如图 3所示。由图 3可知，实际最大可能检测距离在2.5~3.0 mm，可见，接近开关对于检测距离敏感性较高。鉴于锁紧销上细下粗的外形控制锁紧系统的“松开”和“锁紧”2种状态，在模块控制系统中通常按“逻辑取反”来描述锁紧状态和接近开关线路之间的关系。在系统程序中，接近开关回路接通输出高电平，记作状态“1”，此时锁紧系统处于松开状态；接近开关回路断开输出低电平，记作状态“0”，此时锁紧系统处于锁紧状态。

锁紧系统内安装了两个呈180°角的接近开关，由于PLC柜模块端口的差异^[14]，两个接近开关有两种连接方式进行电信号回馈，即并联和独立回路，如图 4所示。

并联连接方式下，两个接近开关信号在顶驱本体站内先进行并联，再输出信号到PLC柜，该信号由并联线路特征控制。独立回路连接方式将信号传送到PLC柜后，系统程序将采用“或运算”的方式处理两个接近开关的回馈信号，即只要有一个状态“1”出现，输出结果即为状态“1”。由两种连接方式信号处理过程不难看出，并联模式下，电信号在本体站内易受其他信号干扰，所以在PLC柜出现异常反馈时无法快速确认接近开关。独立回路模式下，PLC模块端口可以读取任意线路回馈信号，并快速定位异常线路。从回馈信号稳定可靠又能快速定位异常线路的角度出发，接近开关应选择独立回路的连接方式。

当出现异常反馈时，如果检测机构线路排查无误，执行机构的变形也会导致误检测。

3 锁紧系统优化研究

执行机构末端的锁紧销为一个典型的台肩轴机构，图 2中A处由密封组件控制，间隙极小，可视为“固定端”；B处存在约1 mm间隙，该“活动端”在上卸扣作业时可在B处环空内摆动，弯曲变形大，承受的弯矩也大。因此，锁紧销弯曲变形会影响接近开关的检测。

3.1 静应力分析

利用Von Mises准则计算基于剪切应变能的等效应力σ，利用该准则判断锁紧销是否发生屈服，计算公式为：

(1)

式中：σ₁、σ₂、σ₃分别表示第一、第二和第三主应力。

结合锁紧系统实际工况，锁紧过程的最大反扭矩为95 kN·m，借助ANSYS有限元软件，计算等效应力，结果如图 5所示。

从图 5可以看出，在极限工况下，锁紧销所受等效应力均小于其材料的屈服强度(785 MPa)，锁紧销处于比例极限内不发生塑性变形。现场实际情况中存在变形引起的误检测，甚至锁紧销断裂，因此有必要探究锁紧销变形和断裂的原因。

3.2 疲劳损伤

承受弯矩的台肩轴机构绝大多数的损伤类型都是疲劳损伤。基于锁紧销的不规则外形，其在导向套内变形接触面较为复杂，很难用解析法分析其疲劳过程。另外，理论计算方法难以考虑到实际工作中的受力情况。因此，采用CAXA软件建立锁紧系统三维模型，并借助ANSYS有限元软件中的Fatigue Tool模块来分析描述锁紧销疲劳损坏情况，并与现场实际情况做对比。锁紧销疲劳分析三维模型如图 6所示。

只考虑与锁紧销工作过程中相互产生接触的部件，疲劳分析主要过程如下：

(1) 锁紧系统三维有限元模型简化。

(2) 定义锁紧销材料的弹性模量、泊松比、剪切模量、屈服强度和强度极限等力学性能参数。

(3) 定义导向套上、下表面约束。

(4) 大齿轮做近似圆柱约束，定义径向、轴向及切向约束，并施加扭矩。

(5) 锁紧销分3段处理：细段与导向套上端、伸出粗端与大齿轮、未伸出粗端与导向套下端，分别采用不同的边界处理。

(6) 定义循环载荷类型，加载Fatigue Tool模块，生成疲劳分析结果。

取锁紧销台肩过渡端面切片图与现场断裂实物进行对比，结果如图 7所示。

由图 7可以看出，对比结果非常接近。锁紧销的疲劳断裂大致分为2个阶段：第一阶段，在零件表面应力集中区产生初始裂纹，形成疲劳源，初始裂纹产生后，由于油泥的渗入该区域的颜色较深；第二阶段，裂纹向中心延展直至发生疲劳断裂，形成一个粗糙断裂区，该区域的面积与所受交变载荷有关。

以增加疲劳寿命作为目标，在过渡端面加入一系列圆弧倒角，则不同圆弧倒角下最短疲劳寿命对比如图 8所示。从图 8可看出，取圆弧半径R=11 mm，最短疲劳寿命值最大，且最短疲劳寿命增长趋势逐渐变缓。

图 9表示未加圆弧角和R=11 mm的最优圆弧角下疲劳寿命等值线图。由图 9可知，在锁紧销台肩过渡端面处引入圆弧倒角能够有效改善疲劳寿命。

4 结论

(1) 在PLC模块端口条件允许的情况下，接近开关的连接方式选择独立回路模式，该模式回馈信号可靠，抗干扰能力强，有助于快速定位异常线路。

(2) 锁紧销受静力产生的弯曲变形处于弹形变形范畴，不会对接近开关的检测造成影响，但其在变应力作用下的疲劳损伤所引起的变形和断裂将直接影响接近开关的检测结果。

(3) 通过在锁紧销台肩过渡端面加入圆弧角能有效改善应力集中处的疲劳寿命。