不壓井修井機井架起升過程仿真分析

王　妍，王　晶，劉麗雪，馬若虛

不壓井修井機井架起升過程仿真分析

王妍，王晶，劉麗雪，馬若虛

（東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318）

為了得到不壓井修井機井架在起升過程中液壓系統(tǒng)的雙級液壓缸對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響及井架內(nèi)力的變化情況，基于AMESim軟件的HCD庫，采用2個單級液壓缸級聯(lián)方式建立二級液壓缸的模型并進行仿真研究。針對不同的起升角度，對不壓井修井機井架進行了起升過程的有限元仿真分析及綜合分析比較。通過仿真曲線，驗證液壓系統(tǒng)建立的正確性，并得出多級液壓缸在換級時，由于流量發(fā)生突變，將產(chǎn)生較大的液壓沖擊和波動；井架在起升的初始位置受到的應(yīng)力和位移都最大的結(jié)論。可為此類新型修井機的設(shè)計及改進提供理論支持。

修井機；井架；液壓系統(tǒng)；AMESim；有限元

新型不壓井修井機運輸過程為車載式水平放置，如圖1a，工作時需要起升至直立位置，如圖1b，并通過機械臂的旋轉(zhuǎn)及機械手開合完成傳送管柱，通過不壓井井口作業(yè)裝置和扶正手配合完成管柱的提取及下放。修井機井架上承載著緩沖裝置、不壓井井口和機械臂等附屬裝置，總重力較大；再加上總體車載式的方案，井架起升液壓缸行程非常有限，單級液壓缸難以滿足實際需要。經(jīng)過計算，該不壓井作業(yè)修井機的井架起升采用二級液壓缸聯(lián)合作用。本文基于AMESim軟件搭建液壓系統(tǒng)的仿真模型，進行變參數(shù)仿真試驗，并進行ANSYS修井機井架整個起升過程的有限元仿真分析，所得到的液壓系統(tǒng)動態(tài)特性及井架總體結(jié)構(gòu)的受力變化情況，可為實際井架的結(jié)構(gòu)設(shè)計及現(xiàn)場實施提供理論支持。

圖1　不壓井作業(yè)裝置結(jié)構(gòu)

1　不壓井修井機井架的多級液壓缸起升仿真分析

1．1 多級液壓缸起升液壓模型的建立

不壓井修井機井架系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)限制，加上附屬其他設(shè)備，井架整體較重，需要多級液壓缸（二級）來實現(xiàn)升降作業(yè)。AMESim是法國IMAGINE公司于1995年開發(fā)出的1種基于鍵合圖的系統(tǒng)建模、仿真及動態(tài)性能分析軟件，特別針對液壓系統(tǒng)仿真，非常強大。但是，AMESim軟件中沒有提供二級液壓缸模型，本文通過系統(tǒng)HCD庫，采用兩個單級液壓缸級聯(lián)方式建立二級液壓缸的模型［1］，從而實現(xiàn)對起升系統(tǒng)進行仿真的目的。雙級液壓缸作用順序為：一級活塞先伸出，當缸體碰撞時，一級活塞停止運動，二級活塞開始伸出。雙級液壓缸液壓系統(tǒng)模型如圖所示2所示。

圖2　二級液壓缸模型

利用AMESim平面機械PLM庫［2-4］，其模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　井架起升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

構(gòu)建不壓井修井機井架起升模型，通過液壓庫建立油源與閥控模型，進行雙級液壓缸模型的連接，一、二級液壓缸共同起升井架，構(gòu)成完整的井架起升系統(tǒng)模型。如圖4所示。

圖4　井架起升系統(tǒng)模型

1．2 仿真曲線分析

設(shè)定起升時間24 s，起升目標角度90°，井架由水平位置旋轉(zhuǎn)起升至豎直位置，旋轉(zhuǎn)90°達到起升要求。如圖5所示為井架起升角度-時間曲線，圖6為雙級液壓缸活塞位移-時間曲線。該組曲線為雙級液壓缸伸出時測得（即井架起升過程），此時有桿腔加壓，第1級活塞先伸出，當缸體碰撞后，第1級活塞停止運動，第2級活塞繼而開始伸出，繼續(xù)作用。在整個起升過程中，近15 s時明顯出現(xiàn)拐點，此處為一、二級液壓缸交替位置，至此起升速度提升。導(dǎo)致此結(jié)果的原因是，井架起升至一定角度后，由于起升慣性力及液壓缸所受外力的逐步減小的雙作用，井架起升速度及效率明顯增大，符合工程實際。

圖5　井架起升角度-時間曲線

圖6　雙級液壓缸活塞位移-時間曲線

從圖7～8起升液壓缸伸出速度-時間曲線和液壓缸外力-時間曲線，可以看出井架起升過程中液壓缸伸出速度和所受外力的變化規(guī)律，井架完全起升后，所受外力最小，而在初始起升時刻和一、二級液壓缸交替瞬間，系統(tǒng)將會明顯產(chǎn)生一定程度的波動。初始位置液壓缸需要克服最大的慣性力，井架由靜止轉(zhuǎn)到運動，并且速度急速上升，故此產(chǎn)生波動。一、二級液壓缸交替時刻也仍是由慢到快的轉(zhuǎn)變過程，因此，也將出現(xiàn)小幅波動。

圖7　液壓缸速度-時間曲線

圖8　單缸外力-時間曲線

圖9所示為流入液壓缸的流量變化曲線，從圖中可見，初始工作時液壓缸流量急速增大，此時液壓系統(tǒng)必須達到一定的壓力，克服整個井架及其附件帶來的巨大外力，流量變化突然，在一級液壓缸作用完成，換級前，液壓缸流量又出現(xiàn)急劇減小并增大的較大波動，這是液壓系統(tǒng)為減小換級碰撞而進行的調(diào)整，換級后流量達到平穩(wěn)，當井架起升至90°目標位置，流量逐漸減小為零。從圖9中可以看出一、二級活塞換級時，流量發(fā)生突變，引起波動，在實際液壓系統(tǒng)設(shè)計時，需要采用一定的方式控制流量。

圖9　流量-時間曲線

1．3 仿真試驗結(jié)論

1） 井架起升仿真模型的搭建正確合理，仿真結(jié)果可以作為改進設(shè)計及系統(tǒng)調(diào)試的理論依據(jù)。

2） 由于流量發(fā)生突變，多級液壓缸在換級時，將產(chǎn)生較大的液壓沖擊和波動，系統(tǒng)存在較大的安全隱患，應(yīng)該通過一定的方式在多級液壓缸換級時控制其流量，保證系統(tǒng)安全。

2　井架起升過程仿真分析

2．1 不同起升角度時修井機井架靜力分析

因為在工作過程中井架靜止平穩(wěn)，外載荷分散，所以，井架起升的過程實際才是井架受力最為惡劣的工況。井架起升整個過程是個動態(tài)過程，但是由于起升過程是緩慢的，可認為井架在起升過程中每一個角度都處于平衡狀態(tài)［5］，井架與車面的夾角為起升角。針對井架起升初始位置、起升角5°、10°位置進行有限元分析，將不同起升角的起升結(jié)果進行綜合分析比較，得出井架起升過程的總體評估。圖10～15為修井機井架在不同起升角度下的應(yīng)力及合位移分布圖。

圖10　井架起升初始位置的應(yīng)力

圖11　井架起升初始位置的合位移

圖12　井架起升角5°位置的應(yīng)力

圖13　井架起升角5°位置的合位移

圖14　井架起升角10°位置的應(yīng)力

圖15　井架起升角10°位置的合位移

將上述有限元分析的結(jié)果列于表1。

不壓井修井機的井架在起升的初始位置時，起升力是最大的。并且，井架整體所受外力最大，最大應(yīng)力為99．7 MPa。通過對井架進行初始位置、起升角5°、10°、15°、20°等各種起升狀態(tài)，來完成井架的靜強度校核，幾種狀態(tài)的井架的計算結(jié)果分析比較，得到了起升過程中靜力計算整體的評價。

表1　不壓井修井機井架起升過程的應(yīng)力及位移

3　結(jié)論

1） 利用AMESim軟件對不壓井修井機井架的起升系統(tǒng)進行動態(tài)特性仿真分析，通過仿真曲線，驗證液壓系統(tǒng)建立的正確性。

2） 有限元分析結(jié)果表明，井架在起升過程中的受力在不斷變化，但是在起升的初始位置受到的應(yīng)力和位移是最大的。

3） 井架整體變形的最大位移為5．516 mm，出現(xiàn)在井架最上層，因為井架結(jié)構(gòu)在豎向載荷和水平載荷作用下，有向外張開的趨勢。其中結(jié)構(gòu)頂部節(jié)點的載荷及位移曲線可作為結(jié)構(gòu)是否達到極限承載力的判斷依據(jù)。

4） x方向最大位移為0．044 mm，出現(xiàn)在井架中部，這是由于井架在起升的過程中受到液壓缸的起升力，橫梁跨度很大，而該處的上下方缺少了豎向的支撐。此處是結(jié)構(gòu)的薄弱部位，因此由于該處受力很大引起的位移最大。在設(shè)計時要著重考慮此處橫梁的安全性。y方向最大位移出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)主梁上部，值是0．620 mm。z方向最大位移0．896 mm位于結(jié)構(gòu)主梁下部，從提取z方向變形圖可知，井架z向位移最小的地方位于井架的上部。

5） 根據(jù)整體變形圖可以直觀地看到，結(jié)構(gòu)在y方向的對稱性都較好。引發(fā)側(cè)傾覆的可能不大。而且，對于不壓井修井機的要求就是要保證井架的在起升過程中產(chǎn)生的位移不要過大，以便影響井架上扶正機械手、機械臂上機械手與不壓井裝置的對中。該井架的最大位移為5．516 mm，滿足使用要求。

6） 井架的最大應(yīng)力為99．7 MPa，符合相關(guān)規(guī)范要求。

［1］ 田美．獨立式不壓井修井機設(shè)計與理論研究［D］．大慶：東北石油大學(xué)，2012．

［2］ 王瑜，林立，姜建勝．基于AMESim液壓盤式剎車系統(tǒng)建模與仿真研究［J］．石油機械，2008（9）：31-35．

［3］ 楊非，雷金柱．基于AMESim的工程車輛液壓懸架系統(tǒng)仿真［J］．液壓氣動與密封，2008，28（2）：31-34．

［4］ 肖岱宗．AMESim仿真技術(shù)及其在液壓元件設(shè)計和性能分析中的應(yīng)用［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2007，29（1）：142-145．

［5］ 魏靜．不壓井修井作業(yè)機械化裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計與仿真［D］．大慶：東北石油大學(xué)，2011．

［6］ 常玉連，魏靜，高勝，等．獨立式不壓井作業(yè)裝備技術(shù)發(fā)展［J］．石油礦場機械，2011，40（4）：12-16．

Simulation on Derrick Lifting Process of Snubbing Workover

WANG Yan，WANG Jing，LIU Lixue，MA Ruoxu
（School of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum Uniuersity，Daqing 163318，China）

In order to get the dynamic performance of double hydraulic cylinder of the hydraulic system and internal forces of the derrick on derrick lifting process of snubbing workover．Double hydraulic cylinder is used on derrick lifting system of the new workover．Based on the HCD library of AMESim software，two single hydraulic cylinders are used to establish secondary hydraulic cylinder model．For different lifting angle，the finite element simulation of derrick in lifting process is executed．The hoisting results of different lifting angle are synthetically analyzed．The simulation curves verify the validity of the hydraulic system．The conclusion which larger hydraulic shock and fluctuations will happen is obtained due to traffic mutations when multistage hydraulic cylinder change level．And it is concluded that the stress and displacement of derrick in the initial position is the biggest．The theoretical support is provided for design and improve of the new workover．

workover；derrick；hydraulic system；AMESim；finite element

TE935

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．02．017

1001-3482（2015）02-0075-05

2014-08-19

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目“宏／微結(jié)構(gòu)油管移運裝置的彈性運動特性分析”（12531088）

王 妍（1980-），女，遼寧鳳城人，滿族，副教授，博士，研究方向為石油裝備的機電液一體化設(shè)計，E-mail：jwx02 ＠126．com。