全液壓自動(dòng)貓道舉升系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

譚志松，于　萍，張春鵬，李艷嬌

（吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，長春130022）①

全液壓自動(dòng)貓道舉升系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

譚志松，于萍，張春鵬，李艷嬌

（吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，長春130022）①

全液壓自動(dòng)貓道舉升系統(tǒng)在舉升鉆具過程中要充分保證其運(yùn)行的平穩(wěn)性，以降低沖擊載荷和整個(gè)舉升滑道的振動(dòng)。根據(jù)全液壓自動(dòng)貓道模型，將舉升系統(tǒng)進(jìn)行簡化，建立其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖；應(yīng)用MATLAB軟件求解運(yùn)動(dòng)學(xué)方程并進(jìn)行線性擬合，得到舉升滑道的空間位姿變化曲線；應(yīng)用Ad-ams軟件對(duì)舉升系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到舉升滑道傾角變化曲線、位移曲線和速度曲線，驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的可行性。

舉升系統(tǒng)；空間位姿；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；平穩(wěn)性；可行性

全液壓自動(dòng)貓道分為鉆具運(yùn)移系統(tǒng)、舉升系統(tǒng)、提升系統(tǒng)3大部分。其中鉆具運(yùn)移系統(tǒng)主要將鉆具運(yùn)移到全液壓自動(dòng)貓道平臺(tái)上；舉升系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)鉆具從鉆具運(yùn)移系統(tǒng)到井口指定位置之間的輸送或反向輸送；提升系統(tǒng)是貓道在鉆具運(yùn)移過程中的動(dòng)力裝置，驅(qū)動(dòng)承載鉆具的舉升滑道沿著坡道運(yùn)行。全液壓自動(dòng)貓道結(jié)構(gòu)如圖1所示。

國外已經(jīng)具有較為先進(jìn)的鉆具處理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)鉆具從地面到鉆臺(tái)面之間的輸送或反向輸送，已有大量學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究［1-3］。近年來，國內(nèi)關(guān)于貓道的研究也有了快速發(fā)展［4-6］，但是有關(guān)貓道的文獻(xiàn)中對(duì)舉升系統(tǒng)主要研究其結(jié)構(gòu)和功能，對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究較少，對(duì)貓道運(yùn)動(dòng)周期中舉升系統(tǒng)的平穩(wěn)性的研究更少。本文根據(jù)全液壓自動(dòng)貓道模型，將舉升系統(tǒng)進(jìn)行簡化，建立其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖；應(yīng)用MAT-LAB、Adams軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，對(duì)舉升系統(tǒng)的空間位姿和機(jī)構(gòu)運(yùn)行的平穩(wěn)性進(jìn)行了分析。

圖1　全液壓自動(dòng)貓道結(jié)構(gòu)

1—平臺(tái)浮動(dòng)滑車；2—鉆桿平臺(tái)；3—撐桿液壓缸；4—撐桿機(jī)構(gòu)；5—鉆桿支架；6—坡道；7—提升系統(tǒng)；8—鉆具；9—推送機(jī)構(gòu)；10—舉升滑道。

1　舉升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

舉升系統(tǒng)的主要作用是：將鉆具運(yùn)移系統(tǒng)輸運(yùn)來的鉆具舉升到井口指定位置；鉆井結(jié)束后，將鉆具從井口回收至鉆具運(yùn)移系統(tǒng)［7-8］。

舉升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括車架平移系統(tǒng)、舉升滑道、撐桿機(jī)構(gòu)和雙作用液壓缸。車架平移系統(tǒng)包括滑車總成及滾輪組件；舉升滑道主要由滑道本體、鉆具推送機(jī)構(gòu)等組成；撐桿機(jī)構(gòu)設(shè)置了2個(gè)連接位置，可以適用不同尺寸的鉆機(jī)需求。

當(dāng)向鉆機(jī)上輸運(yùn)鉆具時(shí)，鉆桿盒的鉆具通過鉆具運(yùn)移系統(tǒng)輸運(yùn)到舉升系統(tǒng)，然后舉升系統(tǒng)將鉆具舉升到井口指定位置，等待吊卡夾持鉆具；相反，待甩桿時(shí)，需要通過液壓吊卡將鉆具放置在舉升系統(tǒng)上，舉升系統(tǒng)攜帶鉆具回落至地面，直至將鉆具送入鉆桿盒中。自始至終，舉升系統(tǒng)在整個(gè)貓道的運(yùn)動(dòng)周期中發(fā)揮著非常重要的作用［9］。

圖2　舉升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1—舉升滑道；2—撐桿機(jī)構(gòu)；3—雙作用液壓缸；4—車架平移系統(tǒng)。

2　舉升系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 舉升系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖

舉升系統(tǒng)有2個(gè)原動(dòng)件，提升滑車的雙液壓馬達(dá)和撐桿液壓缸，舉升動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由撐桿機(jī)構(gòu)、舉升滑道和車架平移系統(tǒng)等組成。選擇平臺(tái)的中性平面為視圖平面，將舉升系統(tǒng)的所有機(jī)械構(gòu)件等效在此平面內(nèi)，系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖［10］可以簡化為如圖3所示。

圖3　舉升系統(tǒng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖

如圖3所示，桿長按照桿件的序號(hào)，分別為l1、l2、l3、l4、l5，其中l(wèi)4分為l40和l41兩部分。當(dāng)舉升滑道的上平面與平臺(tái)上平面平行時(shí)，撐桿液壓缸活塞桿與撐桿液壓缸缸筒底的距離為L0，A點(diǎn)的高度為h0；提升滑車雙液壓馬達(dá)沿著坡道將舉升滑道A點(diǎn)提升Δx距離時(shí)，A點(diǎn)距離地面的高度為h1，撐桿液壓缸活塞桿的伸出距離為L。舉升滑道與水平方向的夾角為α，撐桿機(jī)構(gòu)與車架平移系統(tǒng)的夾角為β，舉升滑道與撐桿機(jī)構(gòu)的夾角為γ，坡道與水平面的夾角為50°。

2.2 舉升滑道空間位姿線性擬合

舉升滑道的空間位姿可以用舉升滑道傾角（即舉升滑道與水平面的夾角α）表示。

對(duì)撐桿機(jī)構(gòu)的桿件BD作速度分析，S是車架平移系統(tǒng)沿坡道方向運(yùn)動(dòng)的位移。撐桿機(jī)構(gòu)的速度分析簡圖如圖4所示。

鉸點(diǎn)B的速度為

圖4　撐桿機(jī)構(gòu)的速度分析簡圖

舉升滑道的速度分析簡圖如圖5所示，鉸點(diǎn)A的速度可以表示為

根據(jù)式（1）～（2）可將鉸點(diǎn)A的速度進(jìn)一步簡化為

圖5　舉升滑道的速度分析簡圖

根據(jù)圖5可以將鉸點(diǎn)A的速度在x、y方向分解為

可得

式中：β為撐桿機(jī)構(gòu)與車架平移系統(tǒng)的夾角，如圖3所示，可以表示為

當(dāng)提升滑車采用勻速控制（vA恒定不變），撐桿液壓缸配合提升滑車的雙液壓馬達(dá)動(dòng)作，用MAT-LAB軟件求解式（7），線性擬合可以得到舉升滑道的空間位姿變化曲線，如圖6所示。

圖6　舉升滑道的空間位姿變化曲線

2.3 舉升滑道的空間位姿仿真

用Adams軟件仿真［11］時(shí)，舉升滑道與水平面的夾角α不易直接測(cè)量，可以通過測(cè)量舉升滑道與撐桿機(jī)構(gòu)的夾角γ、撐桿機(jī)構(gòu)與車架平移系統(tǒng)的夾角β這2個(gè)角度而得到，如圖3所示。

在式（9）中γ和β與α相比是相對(duì)容易測(cè)量得到的參數(shù)。因此，需要建立2個(gè)測(cè)量點(diǎn)MEA＿AN-GLE＿1和MEA＿ANGLE＿2，分別對(duì)應(yīng)于角度γ 與β。據(jù)建立的測(cè)量點(diǎn)MEA＿ANGLE＿1和MEA＿ANGLE＿2，即可得到α、β和γ的變化規(guī)律，圖7為舉升滑道傾角的變化曲線。

圖7　舉升滑道傾角的變化曲線

由圖7可知：在0～8 s時(shí)，γ角度變化較快，翻轉(zhuǎn)臂組件的液壓缸活塞桿縮回，將舉升滑道前端翻轉(zhuǎn)一定的角度，因此舉升滑道與撐桿機(jī)構(gòu)的角度變化較大；相比而言，在翻轉(zhuǎn)臂組件的液壓缸活塞桿動(dòng)作時(shí)，撐桿機(jī)構(gòu)的液壓缸活塞桿并沒有動(dòng)作，所以0 ～8 s時(shí)，β角不變化；隨后2 s為系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間，γ角與β角均保持現(xiàn)有值不變；進(jìn)入舉升階段時(shí)，即10 ～83 s，提升滑車的雙液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鏈輪沿著鏈條向井口勻速爬行，撐桿液壓缸配合舉升動(dòng)作，以保證舉升滑道在空間的姿態(tài)，使得舉升滑道與平臺(tái)的夾角平穩(wěn)增加，直至接近設(shè)計(jì)要求；在最后7 s中，系統(tǒng)調(diào)整空間位姿，舉升滑道傾角在18°范圍內(nèi)波動(dòng)，最終在90 s時(shí)穩(wěn)定在18.004 5°，符合設(shè)計(jì)要求。

2.4 舉升滑道的位置仿真

以舉升滑道的CM＿Position點(diǎn)為仿真位置點(diǎn)，仿真時(shí)間90 s。舉升滑道在同一個(gè)三維坐標(biāo)下的舉升位移曲線如圖8所示。

圖8　舉升滑道在同一三維坐標(biāo)下的舉升位移曲線

由圖8可知：由于舉升滑道只有在yz平面運(yùn)動(dòng)，因此x方向的位移沒有變化；y方向從1038 mm變化到8 565mm，增加了7527 mm；水平z方向由9170 mm增加到17417 mm，其沿著車架平移系統(tǒng)向井口移動(dòng)了8247mm。從曲線可以看出，位移變化平穩(wěn)，在90s后到達(dá)井口位置，符合設(shè)計(jì)要求。

2.5 舉升滑道的速度仿真

舉升滑道向上舉升時(shí)其質(zhì)心的速度曲線如圖9所示，可以看出：舉升滑道在x方向并沒有位移，因此全程速度為0；在0～8 s時(shí)，翻板機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)舉升滑道，舉升滑道在豎直y方向的速度迅速達(dá)到峰值59.31 mm/s；為了保證運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，速度又回落至0；在水平z方向，翻轉(zhuǎn)臂帶動(dòng)舉升滑道在zy平面畫了1個(gè)類弧，其速度至－42.5 mm/s后反向沿井口方向移動(dòng)，其移動(dòng)速度至14.5 mm/s后回歸至0靜止，等待舉升滑道的舉升；在舉升前，有2 s的系統(tǒng)準(zhǔn)備時(shí)間，待準(zhǔn)備結(jié)束后，在10～28 s，舉升滑道加速向上舉升，在豎直y向上速度快速增加；隨后在28～50s，舉升滑道在y向上趨于勻速運(yùn)動(dòng)；在快要到達(dá)鉆機(jī)平臺(tái)高度時(shí)，速度慢慢地降低，直至達(dá)到預(yù)定的位置，保證了運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)；在10～88 s期間，舉升滑道在水平z方向是先加速后減速的運(yùn)動(dòng)，最大速度達(dá)到208.6 mm/s。

圖9　舉升滑道的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)速度曲線

舉升滑道舉升的速度曲線并沒有突變，每段都比較平滑，給予舉升滑道在空間運(yùn)動(dòng)時(shí)充足的調(diào)整時(shí)間，可以準(zhǔn)確而快速地達(dá)到井口指定位置，符合當(dāng)初的設(shè)計(jì)要求。

3　結(jié)論

1） 通過舉升系統(tǒng)空間位姿調(diào)整，舉升滑道與水平面的夾角α在18°附近波動(dòng)，最終穩(wěn)定在18°，便于吊卡夾持鉆具，符合設(shè)計(jì)要求。

2） 在舉升滑道位移變化曲線中，位移增量變化平穩(wěn)，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將鉆具輸送到井口指定位置，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3） 舉升滑道舉升的速度變化比較平穩(wěn)，降低了沖擊載荷和整個(gè)舉升滑道的振動(dòng)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

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Kinematics Analysis of Lifting System of Full Hydraulic Automatic Catwalk

TAN Zhisong，YU Ping，ZHANG Chunpeng，LI Yanjiao
（College of Mechanical Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China）

In the process of lifting drilling tools，it is very important to ensure the stability of oper-ation of the lifting system of full hydraulic automatic catwalks，in order to reduce the impact load and the oscillation of lifting ramp.According to the full hydraulic automatic catwalks model，the lifting system is simplified，and its mechanismmotion diagram is established.Using MATLAB software to solve the kinematics equation and get space posture change curve of lifting ramp by linear fitting，kinematics analysis was executed on the lifting system by using the Adams soft-ware，and the curves of lifting ramp angle and displacement curve and speed curve were obtained，and the feasibility of the design was verified.

lifting system；space posture；kinematics analysis；stability；feasibilit y

TE924

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.006

1001-3482（2015）07-0024-05

①2015-01-15

國家深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)資助項(xiàng)目（Sino Probe-09-05）

譚志松（1989-），男，湖北巴東人，碩士研究生，主要從事工程機(jī)械與石油機(jī)械研究，E-mail：13104306967＠163.com。