全液壓自動(dòng)貓道鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真分析

張鵬，于萍，王清巖，張春鵬

(吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130025)

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)井場(chǎng)鉆井平臺(tái)作業(yè)施工中，鉆具上下鉆臺(tái)過程仍以人工操作為主，其強(qiáng)度大而且不安全，完全不能滿足石油鉆井、大陸科學(xué)鉆探等頻繁上下鉆桿的要求［1］。為此，結(jié)合我國(guó)深部大陸科學(xué)鉆探的施工要求，課題組自主研發(fā)了全液壓自動(dòng)貓道。鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)是全液壓自動(dòng)貓道的重要組成部分。該系統(tǒng)能在鉆井作業(yè)中將管狀類鉆具 (鉆桿、鉆鋌、套管等)由地面鉆桿擺放架自動(dòng)運(yùn)移到貓道的平臺(tái)上，當(dāng)完成作業(yè)時(shí)，再將管狀類鉆具運(yùn)移到地面擺放架，代替了人工上下鉆具、使用鉆臺(tái)和貓道上的氣動(dòng)絞車?yán)?、拽鉆具等高危險(xiǎn)、半自動(dòng)化的操作［2－3］。

1 鉆桿自動(dòng)運(yùn)移系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)的要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)示意圖

鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)臂總成、液壓缸、萬向節(jié)、立銷軸、立銷座、擋銷等組成。其工作原理是鉆桿放在鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)擋銷端時(shí)，液壓缸桿開始伸出，旋轉(zhuǎn)臂總成前端抬起，鉆桿沿著曲面結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)臂總成向貓道平臺(tái)滾動(dòng)。當(dāng)滾落到一定位置，可通過液壓缸調(diào)節(jié)流量，減小鉆桿滾落速度，速度直至減小為零，從而減小鉆桿對(duì)貓道平臺(tái)上擋銷的沖擊。

旋轉(zhuǎn)臂總成、液壓缸以及萬向節(jié)是通過銷軸連接，保證鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)上下翻轉(zhuǎn)。萬向節(jié)與立銷座通過立銷軸連接，萬向節(jié)可實(shí)現(xiàn)鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)上下、左右轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)左右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，即可將鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)順置在貓道平臺(tái)一側(cè)，方便運(yùn)輸。旋轉(zhuǎn)臂總成上表面的曲線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鉆桿在滾動(dòng)的過程中速度的很好的控制［4－5］。

2 鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

鉆桿進(jìn)入貓道平臺(tái)的過程中，其速度過大會(huì)對(duì)貓道平臺(tái)上面的擋銷產(chǎn)生很大的沖擊甚至?xí)苯訚L入貓道平臺(tái)內(nèi)造成事故，而速度過小又會(huì)卡在貓道平臺(tái)與鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)之間［4］，所以通過對(duì)鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)中的液壓缸桿設(shè)定不同的起升速度，來觀察鉆桿與旋轉(zhuǎn)臂之間的接觸力變化情況以及鉆桿滾動(dòng)的快慢。通過仿真分析來確定最合適的起升速度。

2.1 鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)的仿真模型

根據(jù)系統(tǒng)模型的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，在構(gòu)件間建立相應(yīng)的約束運(yùn)動(dòng)副，這些運(yùn)動(dòng)副可以使被約束構(gòu)件間具有一定的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，從而使模型中各獨(dú)立的部件相互聯(lián)系在一起，按照設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。使用ADAMS/View中的函數(shù)編輯器定義相應(yīng)的鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)。鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的仿真模型如圖2、3所示。

圖2 液壓貓道整體仿真模型

圖3 液壓貓道局部仿真模型

ADAMS仿真中放置兩個(gè)鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)，間距4.7 m，初始位置為鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)臂前端水平，鉆桿與旋轉(zhuǎn)臂設(shè)置Contact，接觸參數(shù)根據(jù)材料屬性添加［6］。

當(dāng)鉆桿到達(dá)可自由滾落位置時(shí)，油缸可給較小流量或亦可保持不動(dòng)，從而鉆桿以較小速度滾入液壓貓道平臺(tái)。由于在施工中多應(yīng)用直徑為127 mm的鉆桿，故以下對(duì)127 mm鉆桿進(jìn)行仿真分析。

2.2 鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)的接觸力計(jì)算

圖4 鉆桿與旋轉(zhuǎn)臂接觸應(yīng)力示意圖

圖5 接觸面上的應(yīng)力分布

2.3 鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)的仿真曲線

油缸速度通過IF函數(shù)［9］設(shè)定，當(dāng)設(shè)定驅(qū)動(dòng)函數(shù)為IF(time-3:35，30，20)時(shí)，仿真分析可得鉆桿與鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)接觸力變化曲線和鉆桿速度變化曲線，如圖6—8所示。

圖6 127鉆桿與鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)1接觸力曲線 (一)

圖7 127鉆桿與鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)2接觸力曲線 (一)

圖8 127鉆桿速度曲線 (一)

由圖6與圖7知:當(dāng)兩個(gè)鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)的液壓缸同時(shí)驅(qū)動(dòng)時(shí)，鉆桿在兩個(gè)鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)上滾動(dòng)所產(chǎn)生的接觸力也會(huì)有所區(qū)別，鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)1比鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)2沖擊大，鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)2受力相對(duì)穩(wěn)定。

由圖6與圖7知:接觸力消失的時(shí)間表示鉆桿已脫離鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)，即鉆桿滾離鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)所需時(shí)間為5.20 s。由圖8可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)鉆桿滾離鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)時(shí) (t=5.20 s時(shí))，鉆桿的末速度為 1 992 mm/s，在滾動(dòng)過程中速度較平穩(wěn)。

當(dāng)設(shè)定驅(qū)動(dòng)函數(shù)為 IF(time-3:25，20，10)時(shí)，仿真分析可得鉆桿與鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)接觸力變化曲線和鉆桿速度變化曲線，如圖9—11所示。

圖9 127鉆桿與鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)1接觸力曲線 (二)

圖10 127鉆桿與鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)2接觸力曲線 (二)

圖11 127鉆桿速度曲線 (二)

鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)速度變小后，觀察圖9與圖10知:鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)1受力不平穩(wěn)，相對(duì)鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)2受的沖擊力大，而鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)2受力相對(duì)平穩(wěn)且沖擊力較小。

由圖9知:接觸力消失的時(shí)間表示鉆桿已脫離鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)，即鉆桿滾離鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)所需時(shí)間為9.10 s。由圖11可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)鉆桿滾離鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)時(shí) (t=9.10 s時(shí))，鉆桿的末速度為1 650 mm/s。

通過改變驅(qū)動(dòng)速度，得到鉆桿與鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)間的接觸力和鉆桿滾落速度的對(duì)比曲線，知驅(qū)動(dòng)速度變慢后接觸力變大而且接觸時(shí)間過長(zhǎng)，鉆桿滾落變得不穩(wěn)定。但是驅(qū)動(dòng)速度變慢后，鉆桿滾入貓道平臺(tái)時(shí)的速度會(huì)減小，對(duì)平臺(tái)擋銷的沖擊力減小。2.4 鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)關(guān)鍵部位的應(yīng)力分析

鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)在抬起的過程中，活塞桿承受很大的壓力，因此有必要對(duì)活塞桿進(jìn)行應(yīng)力分析，以確定所選取的液壓缸是否滿足工作要求。將活塞桿做柔性體分析，得到活塞桿10個(gè)點(diǎn)應(yīng)力值，如圖12和13所示。

圖12 活塞桿應(yīng)力分析示意圖

圖13 活塞桿各點(diǎn)應(yīng)力值

由圖13可知:從所選取的10個(gè)點(diǎn)中應(yīng)力最大值為515 MPa，遠(yuǎn)小于液壓缸桿的屈服強(qiáng)度［10］。所以可得出結(jié)論:所選取的液壓缸滿足工作要求。

3 結(jié)論

(1)建立了鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)模型，鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)采用曲面支撐結(jié)構(gòu)，解決了鉆桿滾入貓道平臺(tái)過程中鉆桿滾落速度很難控制的問題。

(2)通過對(duì)接觸力和鉆桿速度的分析，油缸速度在30時(shí)，具有鉆桿與鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)間的接觸力較小、鉆桿滾落時(shí)速度平穩(wěn)、滾落時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，符合快速、平穩(wěn)、自動(dòng)運(yùn)移鉆桿的要求。

(3)運(yùn)用ADAMS/Durability插件對(duì)鉆桿運(yùn)移系統(tǒng)液壓缸桿應(yīng)力分析得出結(jié)論:所選液壓缸滿足運(yùn)移鉆桿的強(qiáng)度要求。

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