修井機(jī)二層臺排管機(jī)械手虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

朱海東，?？藦?qiáng)，譚海波

(1.大慶油田 井下作業(yè)分公司，黑龍江 大慶 163153；2.湖南三一石油科技有限公司，長沙 410100)

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修井機(jī)二層臺排管機(jī)械手虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

朱海東1，祝克強(qiáng)2，譚海波2

(1.大慶油田 井下作業(yè)分公司，黑龍江 大慶 163153；2.湖南三一石油科技有限公司，長沙 410100)

摘要：為減少修井機(jī)二層臺井架工的工作強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了一套二層臺排管機(jī)械手，用于替代人工完成危險(xiǎn)的高空起下鉆作業(yè)。借助仿真分析軟件ANSYS Workbench，分析了機(jī)械手在取管、送管過程中危險(xiǎn)時(shí)間點(diǎn)時(shí)主要結(jié)構(gòu)件的受力狀況，以便及早發(fā)現(xiàn)和解決問題，為后續(xù)設(shè)計(jì)中的動力選型、結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐，并縮短了設(shè)計(jì)周期。

關(guān)鍵詞：修井機(jī)；排管機(jī)械手；ANSYS Workbench；虛擬樣機(jī)

為了節(jié)約人工成本，降低工人工作危險(xiǎn)性，油田及鉆井承包商要求能夠?qū)崿F(xiàn)自動化鉆修井作業(yè)。目前，鉆井自動化管柱處理設(shè)備的研發(fā)較多，國內(nèi)外主要鉆機(jī)制造商大多推出了自動化管柱處理系統(tǒng)產(chǎn)品[1-2]。修井作業(yè)相比鉆井作業(yè)工期較短，修井設(shè)備大多是車載形式[3-4]。針對修井作業(yè)要求，設(shè)計(jì)了一套可用于修井機(jī)的二層臺排管機(jī)械手，通過ANSYSWorkbench剛?cè)狁詈戏治隽藱C(jī)械手取管、送管過程，得到了機(jī)械手運(yùn)動過程中各運(yùn)動參數(shù)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為排管機(jī)械手的設(shè)計(jì)選型提供依據(jù)[5-6]。

1機(jī)械手運(yùn)動軌跡

機(jī)械手取管和送管過程是一個(gè)相反的運(yùn)動軌跡，如圖1所示。本文僅分析機(jī)械手取最后一根立根送到動力吊卡的過程，圖1中機(jī)械手處于即將取出立根的時(shí)間點(diǎn)。

1—鉆桿；2—機(jī)械手；3—二層臺猴道；4—二層臺。

機(jī)械手的工作流程為：①二層臺安全確認(rèn)；②自動從二層臺取鉆桿并移動，移動到猴道前端旋轉(zhuǎn)；③送鉆桿給動力吊卡。

2邊界條件

3虛擬樣機(jī)分析

機(jī)械手運(yùn)動過程的速度曲線如圖2所示。分4個(gè)載荷步進(jìn)行模擬：第1步(0～6s)，機(jī)械手從指梁最遠(yuǎn)處抓取鉆桿，收回至猴道附近，速度由114mm/s升至150mm/s；第2步(6～14s)，小車帶動機(jī)械手在滑道上移動至井口處，以194mm/s勻速運(yùn)行；第3步(14～19s)，機(jī)械手?jǐn)y帶鉆桿回轉(zhuǎn)至井口前，以128mm/s勻速運(yùn)行；第4步(19～24s)，機(jī)械手伸出，送鉆桿入吊卡，速度由89mm/s降至77mm/s。

圖2　運(yùn)動速度曲線

機(jī)械手抓手與管柱之間的合力曲線如圖3所示。機(jī)械手在整個(gè)運(yùn)動過程中，管柱作用到抓手上的力為30.526～412.32N，最大力出現(xiàn)在機(jī)械手送鉆桿入吊卡的過程中。

圖3　抓手與管柱間合力曲線

臂架機(jī)構(gòu)伸縮油缸的推力曲線如圖4所示。伸縮油缸的力為1 662～4 179.6N，在第3步(機(jī)械手?jǐn)y帶鉆桿回轉(zhuǎn)至井口前)，油缸由推力變?yōu)槔Α?/p>

圖4　臂架機(jī)構(gòu)伸縮油缸的推力曲線

小車在滑道上移動所需的推力曲線如圖5所示。小車在滑道上移動為第2步(6～14s)，小車所需推力380N。但實(shí)際小車推力還需要考慮小車在滑道上的摩擦力，設(shè)摩擦因數(shù)0.2，機(jī)械手整體作用到滑道上的重力為 1 952N，則小車的推力需加上390N的摩擦力，小車需要的總推力為770N。

圖5　小車推力曲線

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)動過程中的轉(zhuǎn)矩曲線如圖6所示?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在第3步(14～19s)時(shí)轉(zhuǎn)動機(jī)械手90°，其余時(shí)間回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不轉(zhuǎn)動。在14～19s時(shí)，最大轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在15.72s，此時(shí)旋轉(zhuǎn)角度為30.96°，轉(zhuǎn)矩值為152.4N·m。因機(jī)械手需伸出送鉆桿入吊卡，力臂增加，最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在第4步，轉(zhuǎn)矩值為158N·m。

圖6　回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩曲線

4剛?cè)狁詈戏治?/p>

在ANSYSWorkbench中可以方便地提取RigidDynamics中計(jì)算得到的各鉸接點(diǎn)在任意時(shí)刻的速度、加速度、力、力矩值，導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析模塊StaticStructural中計(jì)算主要結(jié)構(gòu)件的在某一時(shí)刻的受力狀況。本文僅以后主臂為例進(jìn)行分析。

后主臂在15.72s時(shí)各鉸接點(diǎn)的速度、加速度、力、力矩的受力狀態(tài)及4個(gè)鉸接點(diǎn)的受力方向如圖7所示。取主臂的旋轉(zhuǎn)速度為0.31rad/s，各鉸接點(diǎn)力和轉(zhuǎn)矩值的大小如表1所示。

圖7　后主臂各鉸接點(diǎn)受力狀態(tài)模擬

表1　后主臂鉸接點(diǎn)受力值

由圖4、表1可知，后主臂在15.72s時(shí)最大應(yīng)力在鉸接點(diǎn)4處。后主臂的鉸接點(diǎn)4處的運(yùn)行狀態(tài)曲線如圖8～10所示。

通過表1及圖8～10分析可知，最大應(yīng)力值位于鉸接點(diǎn)4附近，應(yīng)力值為81.8MPa。后主臂的材料采用Q345B，材料屈服強(qiáng)度為345MPa，許用安全系數(shù)1.67。后主臂的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為345/81.8=4.2>1.67。故在整個(gè)運(yùn)行過程中后主臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

圖8　后主臂鉸接點(diǎn)4處應(yīng)力曲線

圖9　后主臂位移曲線

圖10　后主臂的應(yīng)力云圖

5結(jié)論

1)借助虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)，模擬機(jī)械手運(yùn)行過程，得到各時(shí)間點(diǎn)機(jī)械手的不同鉸接點(diǎn)受力及運(yùn)行狀態(tài)，為機(jī)械手的動力選型提供依據(jù)。

2)在ANSYSWorkbench平臺進(jìn)行剛?cè)狁詈戏治?，得到機(jī)械手整個(gè)運(yùn)行過程中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及位移，為機(jī)械手結(jié)構(gòu)改進(jìn)及關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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VirtualPrototypeDesignofPipe-handlingRobotonRackingPlatform

ZHUHaidong1，ZHUKeqiang2，TANHaibo2

(1.Down-hole Operation Branch，Daqing Oilfield Company，Daqing 163153，China；2.Sany Petroleum Science and Technology Ltd.，Changsha 410100，China)

Abstract：In order to reduce platform derrickmen frequent tripping operation，Racking Platform Pipe-handling Robot replaces derrickmen to handle the dangerous work in high altitude.In this paper，by means of ANSYS workbench analysis of manipulator in the whole process of taking out or in tube，the dangerous point in time is extracted when the stress of the main structure，in order to find and solve problems in early period，the subsequent dynamic selection was designed，which provide reliable data to support structure improvement，and the design cycle was shorten.

Keywords：workover rig；pipe-handling robot；ANSYS Workbench；virtual prototype

文章編號：1001-3482(2016)06-0051-03

收稿日期：2015-12-17

作者簡介：朱海東(1980-)，男，工程師，主要從事石油機(jī)械設(shè)備的研究及管理工作，E-mail：jx_zhuhd@petrochina.com.cn。

中圖分類號：TE935

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.011