自動貓道機起升鋼絲繩受力特性研究*

任得勇，劉雁蜀，王元忠，師 濤，向小榮

(1.西安石油大學(xué) 機械工程學(xué)院，陜西 西安 710065； 2.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司 青島分公司，山東 青島 266520)

自動貓道機起升鋼絲繩受力特性研究*

任得勇1，劉雁蜀1，王元忠2，師 濤2，向小榮2

(1.西安石油大學(xué) 機械工程學(xué)院，陜西 西安 710065； 2.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司 青島分公司，山東 青島 266520)

自動貓道機是用于實現(xiàn)鉆具自動上下鉆臺的裝置，可大大提高勞動效率。為了研究自動貓道機起升鋼絲繩的受力特性，提高系統(tǒng)的安全性，根據(jù)貓道機的運動特征，建立了簡化的力學(xué)模型，對鋼絲繩的各個運動位置進行受力計算，并利用ADAMS軟件對起升過程進行動態(tài)仿真，模擬鋼絲繩的受力，對簡化的力學(xué)模型進行驗證。結(jié)果表明，鋼絲繩受力分析是正確的，模型簡化是合理的。該受力模型為貓道機鋼絲繩設(shè)計選型提供了理論基礎(chǔ)，同時也提出了新的研究思路。

自動貓道機；力學(xué)模型；運動副；運動仿真

Abstract: Automatic catwalk machine is a device used for realizing automatic upper and lower drill floor which can greatly improve the efficiency of labor. In order to study hoisting wire rope force characteristics of the machine and improve the security of the system, according to the motion characteristics of the machine, the article established a simplified mechanical model, calculated the force of the wire rope of each movement, and simulated the lifting process by using ADAMS software, for simulating the force of wire rope, and verifying the simplified mechanical model. The results show that the force analysis of wire rope is correct, the simplified model is reasonable. The simplified model provides theoretical basis for the design and selection of wire rope, and puts forward a new research idea.

Key words: automatic catwalk; mechanical model; joints; motion simulation

0 引 言

自動貓道機是用于實現(xiàn)鉆具(套管、鉆桿、鉆鋌等)自動上下鉆臺的裝置，是現(xiàn)代自動化鉆井設(shè)備的重要組成部分。我國目前的陸地鉆機中，鉆具的上下鉆臺作業(yè)都以人工操作為主，效率低，工人勞動強度大，自動貓道機的應(yīng)用能夠大大提高鉆井效率，減少鉆具上下鉆臺時的磨損，降低鉆井成本。

為了提高鉆機的自動化程度，滿足安全性和效率的需求，自動貓道機已成為石油裝備行業(yè)研究的熱點。由于其結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境不同，研究方向也各不同，但是對于陸地鉆機用自動貓道機起升鋼絲繩的研究幾乎沒有。起升鋼絲繩作為核心部件，直接決定著整個貓道機的工作性能，筆者通過介紹其主要結(jié)構(gòu)和工作原理，建立了鋼絲繩受力簡化模型，并進行了詳細的分析計算，最后利用ADAMS軟件對起升過程進行了動態(tài)仿真[1-3]。

1 自動貓道機主要結(jié)構(gòu)

自動貓道機整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)：最大工作載荷為4 500 kg，處理鉆具最大長度為14.3 m，可處理直徑為60.3～168.3 mm，鉆桿、直徑為88.9～279.4 mm，鉆鋌、直徑為609.6 mm套管，適用鉆臺高度為9.6 m，能夠本地和遠程控制?；B接著坡道，承載著支撐臂和運移臂，是貓道機的重要部件；支撐臂安裝在基座中間槽內(nèi)，可前后移動，主要用來承載運移臂；運移臂與支撐臂鉸接，頂端有V形凹槽，用以承載鉆具，端部安裝有滑動小車，用來推送鉆具；坡道連接著基座與鉆臺面，作為運移臂上下鉆臺的滑道；液壓絞車通過鋼絲繩連接著運移臂，鋼絲繩傳遞動力實現(xiàn)鉆具的上下鉆臺運動。

圖1 自動貓道機總體結(jié)構(gòu)

2 自動貓道機工作原理

運移臂與支撐臂通過旋轉(zhuǎn)軸連接，其尾端設(shè)有兩個滑輪，可沿著基座上的軌道進行滾動，前端設(shè)有2個滾輪，可以沿著基座和坡道上的滑槽上下滾動；支撐臂一端與運移臂通過旋轉(zhuǎn)軸鉸接，另一端設(shè)有2個滑輪，沿著基座軌道滾動；工作時，運移臂在鋼絲繩的作用下，沿著坡道向上運動，支撐臂在運移臂的帶動下，先沿著基座軌道向前運動，當(dāng)運動到一定位置時，支撐臂與基座上的擋塊接觸，平移運動結(jié)束，開始旋轉(zhuǎn)運動，當(dāng)運移臂移動到坡道頂部，進入鉆臺面時，運移臂開始沿坡道頂部的旋轉(zhuǎn)軸做平移和旋轉(zhuǎn)運動，直到最終狀態(tài)。貓道機運動狀態(tài)如圖2～5所示。

圖2 水平狀態(tài) 圖3 運動第一階段

圖4 運動第二階段 圖5 運動第三階段

3 受力模型的建立

根據(jù)自動貓道機的結(jié)構(gòu)形式和工作原理，將起升過程的受力狀況分為三個階段，如圖3～5所示。第一階段，在鋼絲繩拉力作用下，運移臂和支撐臂在基座上依靠滑輪滾動；第二階段，支撐臂以滑輪中心為旋轉(zhuǎn)軸開始向上旋轉(zhuǎn)，運移臂脫離基座，整體上升；第三階段，支撐臂繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，運移臂脫離坡道滑槽，沿著坡道頂部轉(zhuǎn)軸向鉆臺面滑動[4-5]。

貓道機的運動過程相對簡單，但是整個機構(gòu)由復(fù)雜的零部件組成，為了簡化計算，設(shè)定以下假設(shè)條件：

(1) 受力分析的各個過程，貓道機處于受力平衡狀態(tài)；

(2) 各轉(zhuǎn)動副摩擦忽略不計；

(3) 各構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重心位置，位于幾何中心。

已知參數(shù)，運移臂重量G1=10.6 t(含最大工作載荷)，長度l1=16.2 m，支撐臂重量G2=0.6 t，長度l2=6.7 m，坡道傾角為135°，支撐臂傾角為θ，變化范圍為1.2°～75°，運移臂傾角為α，變化范圍為0°～88.5°，滑輪滾動摩擦系數(shù)取0.1，鋼絲繩拉力為P，運移臂受到坡道支撐力為N。

3.1 第一階段受力分析

受力簡化模型如圖6所示，f1、Fy1為基座對運移臂的摩擦力和支撐力，f2、Fy2為基座對支撐臂的摩擦力和支撐力。以運移臂和支撐臂為整體進行分析，根據(jù)∑X=0，∑Y=0得：

f1=μFy1，f2=μFy2，f3=μN

分別以運移臂、支撐臂為獨立體，建立力矩平衡方程，根據(jù)∑M=0得：

由以上方程得鋼絲繩拉力P與運移臂傾角α之間的函數(shù)為：

P=m1(α)

根據(jù)函數(shù)關(guān)系得到P隨α變化的數(shù)據(jù)表1，由表1中數(shù)據(jù)可知，第一階段鋼絲繩拉力隨運移臂傾角變化不大，近似成線性關(guān)系。

圖6 簡化模型一

角度/(°)鋼絲繩拉力P/kN045．0445．3845．61245．91646．22046．52346．7

3.2 第二階段受力分析

運移臂離開基座，以支撐臂滑輪為支點進行旋轉(zhuǎn)運動，受力分析如圖7，F(xiàn)x2、Fy2分別為基座對支撐臂水平和豎直方向的支反力。由于該運動過程中角度α與θ之間沒有確定的幾何關(guān)系，為此，通過三維軟件，動態(tài)模擬得到角度變化的對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)，如表2。

圖7 簡化模型二

/(°)

利用MATLAB軟件處理數(shù)據(jù)得到α與θ之間的曲線關(guān)系為：

α=0.003θ2+0.7136θ+23.452

以運移臂和支撐臂為整體進行分析，根據(jù)∑X=0，∑Y=0得：

分別以運移臂、支撐臂為獨立體，建立力矩平衡方程，根據(jù)∑M=0得：

由受力方程得到鋼絲繩拉力P與支撐臂旋轉(zhuǎn)角度θ之間的關(guān)系為：

P=m2(θ)

根據(jù)函數(shù)關(guān)系得到P隨θ變化數(shù)據(jù)表3，由表3中數(shù)據(jù)可知，起始旋轉(zhuǎn)位置鋼絲繩受力最大，隨著角度θ的增大，鋼絲繩的拉力逐漸減小。

表3 鋼絲繩拉力P隨角度變化數(shù)據(jù)表

3.3 第三階段受力分析

運移臂到達坡道頂部，沿著轉(zhuǎn)軸向鉆臺滑動，支撐臂繼續(xù)旋轉(zhuǎn)運動，受力分析如圖8所示，β是鋼絲繩與運移臂的夾角，在整個運動過程中變化很小，故取常數(shù)值β=6°，其余參數(shù)同3.2，角度α與角度θ之間的對應(yīng)變化關(guān)系如表4。

表4 角度α隨角度θ變化數(shù)據(jù)表 /(°)

圖8 簡化模型三

利用MATLAB軟件處理數(shù)據(jù)得到 與 之間的曲線關(guān)系為：

α=0.03θ2+0.7136θ+23.452

Ncos (90+θ-α)+Fx2-Pcos (α-θ-β)=0

Nsin (90+θ-α)+Fy2+Psin (α-θ-β)-

G1-G2=0

lAD隨著θ的增大逐漸變短，根據(jù)幾何關(guān)系得到lAD隨θ的變化關(guān)系式：

由受力方程得到鋼絲繩拉力P與支撐臂旋轉(zhuǎn)角度θ之間的關(guān)系為：

P=m3(θ)

根據(jù)函數(shù)關(guān)系得到P隨θ變化數(shù)據(jù)表5，由表5中數(shù)據(jù)可知，隨著角度θ的增大，鋼絲繩的拉力逐漸減小。

綜合以上各運動階段的分析，得到鋼絲繩受力在整個運動過程中的變化趨勢，其隨角度α變化如圖9。

表5 鋼絲繩拉力隨角度變化數(shù)據(jù)表

圖9 鋼絲繩受力變化曲線

4 ADAMS仿真分析

建立關(guān)鍵零部件模型，基座、坡道(包括主滑輪、鋼絲繩)、支撐臂(包括滑輪1、2)、運移臂(包括滑輪3、4，滾輪1、2)和滑車，導(dǎo)入ADAMS后，如圖10所示。根據(jù)各構(gòu)件之間的連接關(guān)系建立相應(yīng)的運動副，并定義接觸。由于ADAMS軟件沒有能夠直接模擬鋼絲繩的模型，根據(jù)鋼絲繩對運移臂的作用效果，利用耦合副間接地模擬鋼絲繩，并將運動過程分為兩部分，第一部分，運移臂前端滾輪沿坡道滑槽運動，第二部分，運移臂沿坡道頂端轉(zhuǎn)軸滑動[6-7]。

圖10 導(dǎo)入ADAMS簡化模型

添加驅(qū)動，保證機構(gòu)整個運動過程都處于平衡狀態(tài)，使得驅(qū)動產(chǎn)生的驅(qū)動力矩與鋼絲繩施加給機構(gòu)的力矩相等。通過仿真得到鋼絲繩拉力隨時間(即運動狀態(tài))的變化關(guān)系曲線，如圖11～12所示。

圖11中前10.4 s內(nèi)，支撐臂在運移臂的推動下沿著基座軌道滑動，鋼絲繩受力上下波動，但整體變化趨勢一致，近似為直線；10.4 s時，支撐臂開始向上旋轉(zhuǎn)，運移臂脫離基座，因此，受力突然增大到最大值157.1 kN，然后迅速下降。圖12中，運移臂沿著坡道頂端轉(zhuǎn)軸滑動，鋼絲繩受力曲線成下降趨勢，最大值位于初始時刻，為62.3 kN。綜合兩條曲線，其變化趨勢與圖9相一致，極限值相差大約5 kN，誤差值小于10%，由此，可以判定受力簡化模型是正確的，合理的。

圖11 沿滑槽運動鋼絲繩受力曲線

圖12 沿頂端轉(zhuǎn)軸運動鋼絲繩受力曲線

5 結(jié) 論

(1) 通過建立自動貓道機各運動狀態(tài)的簡化模型，得到鋼絲繩受力隨運移臂傾角和支撐臂傾角的函數(shù)關(guān)系，為鋼絲繩的選型提供了理論。

(2) 受力計算結(jié)果與仿真結(jié)果對比，驗證了力學(xué)簡化模型的正確性，為貓道機運動特性研究提供了一種新的方法。

(3) 尚未利用ADAMS軟件建立離散化的、柔性的鋼絲繩模型，這一點可以作為后續(xù)研究的重點，以便更好地、連續(xù)地模擬自動貓道機的運動過程。

[1] 趙淑蘭，李文彪，聶永晉，等．動力貓道技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]．石油礦場機械，2010，39(2)：13-15.

[2] 寇紅濤，崔建春，劉海偉，等．液壓動力鉆桿排放貓道設(shè)計與應(yīng)用[J]．石油機械，2008，36(9)：29-30.

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[4] 朱吉良．鉆桿自動傳送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析[D]．長春：吉林大學(xué)，2012.

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[6] 李賀巖．深井鉆機全液壓自動貓道設(shè)計[D]．長春：吉林大學(xué)，2012.

[7] 李增剛．ADAMS入門詳解與實例[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2006.

Research on the Mechanical Properties of Automatic Catwalk Hoisting Wire Rope

REN De-yong1, LIU Yan-shu1, WANG Yuan-zhong2, SHI Tao2, XIANG Xiao-rong2

(1.Xi′anShiyouUniversity,SchoolofMechanicalEngineering,Xi′anShaanxi710065,China; 2.LanzhouLSEnergyEquimentEngineeringInstituteCo.,Ltd,QingdaoBranch,QingdaoShandong266520,China; )

2014-06-23

任得勇(1978-)，陜西渭南人，工程師，主要從事石油裝備設(shè)計方面的研究工作。

TH117.2

A

1007-4414(2014)04-0054-04