万向轴事件原因分析及建议

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　　摘  要：近期总公司接连发生三起万向轴事件，虽未造成重大安全事件及其他后果，但给总公司各级部门敲响了警钟，这个事件说明我们在万向轴的选型、使用、日常维护保养及检查等方面存在一定的问题。针对具体事件进行分析并改进，以便为日后的生产提供稳定可靠的设备或者制定可行的维护方案，保证生产的顺利进行。
　　关键词：万向轴;故障;分析;维护
　　中图分类号：TF341.6    文献标志码：A         文章編号：2095-2945（2020）16-0124-03
　　Abstract： Recently， there have been three cardan shaft incidents in the head office. Although there have been no major safety incidents and other consequences， it has sounded the alarm for all levels of the head office. This incident illustrates that there are certain problems with our selection， use， daily maintenance and overhaul of cardan shaft. It is intended to analyze and improve specific events， in order to provide stable and reliable equipment for future production or formulate feasible maintenance programs to ensure the smooth progress of production.
　　Keywords： cardan shaft; failure; analysis; maintenance
　　引言
　　随着经济的全面发展，我国生产总体规模不断扩大，有力地推动了经济的全面发展。钻井技术也在技术创新推动下，不断飞速发展，定向井、丛式井和水平井也形成了有效的建设规模，其整体数量不断提升，有力的支持了生产发展。技术的不断发展，有力的推动了各种技术的提升，在西方发达国家，先进的技术代替了落后的产能，各企业已经全面使用了更加先进的新工艺、新技术、新设备，为企业快速发展，争创世界一流产品提供强有力的支撑，特色产能推动了企业现代化发展。随着技术设备的不断更新换代，企业经济实力得到增强，在激烈的市场竞争中始终立于不败。螺杆钻具是当前应用较为普遍的一种工具，在容积式井下动力建设中，起到了重要的作用，这类钻具主要包括旁通阀、马达、万向轴及传动轴四大总成，各部分的功能相互协调，有力的提高了设备的性能。在新技术的推动下，钻井速度越来越高，各种新型、特殊工艺井也得到了研发，为了保证生产需求，螺杆钻具运动形式和受力也需要不断创新，以此，满足不同的建设需要，目前看，万向轴是重要的传动部件，如果出现问题，则会引发大的事故，要全面重视此类问题，保证建设生产的稳定安全。
　　1 三起万向轴事件基本情况
　　30657队7月15日在正常钻进过程中，带泵万向轴突然从十字头根部断裂，断裂万向轴型号：W70L=1595。
　　30655队7月16日在设备正常运转过程中，柴油机与耦合器之间的万向轴发生断裂事件，断裂万向轴型号：SWC250DH2L=780。
　　30662队在设备正常运转过程中，柴油机与减速箱之间的传动万向轴靠减速箱一侧的法兰螺栓全部断裂。
　　2 三起万向轴事件原因分析
　　万向轴传动由于其传动效率高、噪音小、安装维护方便逐渐取代了原皮带传动，然而基层使用人员由于对万向轴的基本性能及维护保养等基础知识掌握不够，致使万向轴事件频发，现将以上三起事件做简要分析。
　　事件一：30657队万向轴事件，原因是万向轴选型错误。
　　该队由于原带泵万向轴磨损严重（原设备2006年4月出厂时所配万向轴），2012年5月10日该队钻台大班上报一只万向轴计划，该计划仅要求万向轴长度为L=1595、具体型号未做要求，该计划经该队副队长审核队长审批盖章确认后报器材公司组织（计划原件见图1）。
　　器材公司在接到计划后按井队的要求及时组织，5月23日该万向轴组织到位，型号W70、长度L=1595，并与当天发放给该队。（如图2）
　　该万向轴与2012年5月24日开始使用，至2013年7月15日十字头根部断裂，共使用1年45天。经调查后发现，该队原设备配套万向轴型号为：G303.4.0，L=1595，而该队上报计划时未报具体型号，仅要求长度为1595，器材按井队要求的长度组织到的万向轴的型号为：W70，L=1595，原设备所配与后组织的两只万向轴虽长度法兰尺寸一样，但性能相差甚远，G303.4.0公称转矩90kN·M，W70公称转矩45kN·M，W70的公称转矩只有G303.4.0一半，万向轴的另一项重要参数轴线折角，W70也较G303.4.0小3度。由于泥浆泵自身的结构及工作状况所造成的冲击载荷较大，另外再加之现场安装精度较低，传动箱输出轴法兰与泥浆泵输入轴法兰同轴度较差，决定了带泵万向轴必须选用具有较高安全系数的万向轴[1]。两种万向轴的具体参数见图3和图4。
　　 从理论计算方面看，W70的公称转矩45kN·M，疲劳转矩22.5kN·M，与青州1300泵的理论转矩22.2kN·M相当，青州1300泥浆泵的理论转矩计算如下：
　　青州1300泵的功率为1300马力，换算为955KW（1300*0.745=955），假定柴油机转速设定为1300RPM，对应的泵冲为98转/冲，青州泵传动比为4.194，则其输入轴的转速为411RPM，由此可推算出青州泵输入轴的额定转矩为9.55*955/411=22.2kN·M。 　　由于泥浆泵的工作原理决定其要承受较大的冲击载荷，须选用具有较高安全系数的万向轴，而W70万向轴的疲劳转矩仅与青州泵的额定转矩相当，显然不能保证泥浆泵的长久安全运行。
　　事件二：30655隊万向轴断裂事件，原因是疲劳破坏、日常检查流于形式，未能及时发现疲劳裂纹并及时更换。
　　螺杆钻具在长期的使用过程中，需要承受大的载荷力量，如果机动载荷超过了标准值，那么，各种部件受到影响，在机动载荷作用力下，螺杆钻具动态应力就会不断加强，最后就会出现疲劳损伤部件的问题，损伤累积以后，整体结构则会受到破坏，如果设备经常疲劳使用，则会出现裂纹直至断裂[2]。石油开采越来越大，随着钻井规模的提高，必须要全面保证建设的速度，只有不断优化生产建设工艺，从本质上提升建设速度，才能确保整体稳定安全。螺杆钻具运转工况及万向轴疲劳损伤是当前最为多见的问题，严重影响了建设的速度与质量，随着问题日益严重，必须要在建设过程中加以解决。从以往事故中分析，我们看到螺杆钻具失效类型中万向轴失效占1/3，这是事故发生的主要因素。所以说，万向轴寿命设计是否达标，决定了整体安全。螺杆钻具新产品开发需要全面推进，通过有效计算预测万向轴疲劳寿命，以此，保证其连续性、稳定性。
　　疲劳是设备的常见问题，主要指材料不断在循环应力和应变作用力情况下，一处或多处形成了永久性累积损伤，在一定的承受能力下，就会产生裂纹，使用过程中，则会突然断裂[3]。在各种行业中，疲劳都会出现，比如矿山、冶金、石油、运动、航空、航天等方面，均会出现类似情况，疲劳失效导致了零件或构件失效，很容易出现事故。各种机械断裂事故约80%由疲劳失效引发[4]。只有科学计算、合理设计，才能得到部件的承受交变应力值，再根据计算结果，生产出能够适应承受力的零件、构件、设备，全面保证使用寿命，维护生产安全。
　　该队断裂的万向轴为柴油机与耦合器之间的万向轴，型号：SWC250DH2，L=780，该万向轴为该队设备配套时所配万向轴，2006年4月投入使用，至失效已使用长达7年3个月，初步鉴定为超期服役、疲劳破坏。另外万向轴属高速旋转部位，常年躲藏在护罩的严密包裹之中，不便于日常检查，致使该队未能及时发现疲劳裂纹并及时更换，最终导致断裂[5]。
　　事件三：30662队万向轴法兰螺栓断裂事件，原因是使用普通螺栓替代万向轴专用螺栓。
　　对螺母进行安装过程中，防松垫片出现了问题，那么螺栓就很容易出现松动，这是导致事故的主要成因，为了保证运行的安全，就需要全面做好安装，技术人员拧紧螺母后，需要使用电焊将螺母焊接螺栓上，避免出现松动。这种办法虽然很好，但是在更换时，则会出现麻烦，必须要气焊切除开螺母，才能更换。切除螺母易将法兰盘螺栓安装面破坏。
　　通过对裂纹断口进行仔细的观察，靠法兰后端螺栓孔发黑、生锈，这是长期使用后形成的疲劳点，螺翻六角头只能以对边靠着外圆的固定位置安装进法兰，这种结构可以在拧紧螺母时，螺栓的六角头就靠着接管外圆固定了，操作不便，主要是设计的问题，中间接管和法兰连接根部倒角连接螺栓相互产生影响，倒角设计只有0.2～0.3mm[6]。
　　通过上面的分析，六角螺栓拧紧过程中，螺栓六角头部挤压接管外圆，那么，实际安装时，就需要对不同规格螺栓进行预紧力分析，得到想要的螺栓接管挤压扭矩。管部状况长期振动，所以在挤压处就极易出现挤压的疲劳积累现象，在接管工作中传递扭矩时，就在此处产生了严重的应力集中，形成疲劳裂纹并沿着中间接管和法兰连接的根部小倒角造成的应力集中区域逐步扩散[7]。法兰根部有裂纹，扭转力要向中间接管分散，由其承担部分力量，裂纹扩展到一定程度，则会出现接轴断裂。
　　为了准确分析中间接管与法兰处的应力集中点位置，可以进行有限元分析软件建模，有效预测到安装预紧的力矩，得到中间接轴应力分布图[8]。中间接轴的断裂是因为螺栓的六角头部挤压接管外圆，造成应力集中，使得中间接管受挤压处疲劳积累断裂，可以采取一定的措施来避免这种情况。
　　3 建议
　　（1）总公司应加强井队设备管理人员的基本业务知识培训，确保所上报的需求计划物资规格正确、型号清楚，物资性能能达到现场设备性能的基本要求。同时，器材公司在物资采购时严格按需求单位要求的规格型号进行采购，验收部门严格按相关标准验收。
　　（2）现场操作人员在设备安装时要高标准、严要求。高速旋转部件的安装，尽量提高其同轴度，降低万向轴两端法兰的轴线折角，提高万向轴的寿命。
　　（3）定期对万向轴进行检查维护保养。每天检查法兰的连接螺栓是否松动，如有松动应立即紧固;检查万向轴的轴承是否发热和噪音，花键副是否磨损严重、异常振动和异常噪音。当出现上述情况时，应及时查明原因，避免万向轴带病作业;良好的润滑对延长万向轴的使用寿命至关重要，因此要定期对万向轴的轴承加注规定的润滑脂。
　　（4）现场安装时应确保万向轴安装方向正确。由于万向轴属高速旋转部件，对动平衡要求较为严格，安装时应确保方向正确。
　　4 结束语
　　在对三起万向轴事件原因分析的基础上，提出了一系列改进措施，经实施后，取得了良好的效果。对重型机械传动部件设计时，要全面考虑到应力集中结构特征，要在设计中进行有效的避免，对于无法改变的，需要定期维护检修，对隐患进行排查，及时消除隐患[9]。为了有效避免万向接轴扁头虎口受交变应力出现裂纹，就需要调整扁头滑块配合间隙，保证有效受力，进一步延长扁头使用寿命。
　　参考文献：
　　[1]郑斌.螺杆钻具的失效分析及对策方案研究[D].东北石油大学，2017.
　　[2]Kexiong Wang， Xueqing Teng， Bo Zhou， Mingzhe Shan， Ning Li， Huiliang Liu. The Screw Drill New Cardan Shaft Design and Strength Calculation on the Universal Joint[A]. Science and Engineering Research Center[C].shanghai：2017：102-106.
　　[3]王克雄，王镇全，巩立根.井下动力钻具新型万向轴研制及应用研究[J].钻采工艺，2018，41（06）：83-86+10.
　　[4]戚国胜.工程结构元件疲劳寿命的估计[J].山东科技大学学报（自然科学版），2003，22（Z1）：98-100.
　　[5]姚卫星.结构疲劳寿命分析[M].北京：国防工业出版社，2003.
　　[6]H.0.Fuchs，R.I.Stephens. Metal Fatigue in Engineering，1990.
　　[7]刘洋，严开勇，鲁新义，等.连铸机万向轴连接螺栓松动原因及防止措施[J].冶金设备，2012（01）：50-53+42.
　　[8]刘璐，赵广慧，魏秦文，等.螺杆钻具球式万向轴失效分析及改进措施[J].2017，40（03）：71-74+12.
　　[9]黄丹.中厚板轧机万向轴接管断裂分析[J].设备管理与维修，2018（Z1）：90-91.
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