貓道機(jī)踢出裝置同步問題的探討

李友興董宗正劉永勝樊春明

（1.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)中心 成都610052；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 寶雞721000；3.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 成都610500）

貓道機(jī)踢出裝置同步問題的探討

李友興1，2董宗正3劉永勝1，2樊春明1，2

（1.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)中心 成都610052；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 寶雞721000；3.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 成都610500）

針對調(diào)試試驗(yàn)出現(xiàn)的踢出裝置不同步問題，從原理和工況兩個方面分析原因，建立壓力損失數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行計(jì)算，通過對比評估影響因素的影響程度；分析并提出管路等長、增大管徑、加裝分流集流閥等三種解決方案；運(yùn)用AMESim軟件仿真與數(shù)值分析兩種方法對比分析不同方案的同步效果并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明加裝分流閥是解決踢出裝置同步問題有效途徑之一，AMESim能用于液壓系統(tǒng)性能分析，且方便快捷、可靠性高。

貓道機(jī)；踢出裝置；同步；AMESim軟件

引 言

管柱自動化處理系統(tǒng)在鉆井作業(yè)中，能將管狀類鉆具（鉆桿、鉆鋌、套管等）由鉆井平臺甲板或鉆桿排放架自動傳送至鉆臺，在鉆井作業(yè)結(jié)束時再將管具輸送至甲板或地面排放架［1］。貓道機(jī)是管柱自動化處理系統(tǒng)的重要組成部分，提高該裝置的工作效率是提升管柱自動化處理系統(tǒng)工作效率的重要途徑之一［2-3］。目前，國外的貓道機(jī)主要有固定式、舉升式、機(jī)械手臂等三種形式，國內(nèi)諸多單位也根據(jù)我國鉆修井的實(shí)際情況，研發(fā)了多種型號的貓道機(jī)。

貓道機(jī)主要是完成送管柱上升至鉆臺面及送管柱下放到排管架兩個過程。在送管柱下放作業(yè)時，貓道機(jī)的踢出裝置將管柱踢至貓道上的傾斜機(jī)構(gòu)，而由于踢出裝置的兩個液壓缸間不同步問題會導(dǎo)致管柱無法順利踢出，進(jìn)而使整個管柱自動化處理系統(tǒng)工作停滯，甚至可能造成管柱損傷以及其他無法預(yù)測的危險。因此，分析研究貓道機(jī)踢出裝置不同步的影響因素，并提出有效的解決方案，解決其同步問題，對提高貓道機(jī)工作效率從而降低鉆修井的成本有重要意義。

圖1為某石油裝備公司設(shè)計(jì)的應(yīng)用于海洋浮式平臺的某型號貓道機(jī)。

圖1 貓道機(jī)工作狀態(tài)示意圖

在完成生產(chǎn)后，進(jìn)行了貓道機(jī)廠內(nèi)試驗(yàn)，出現(xiàn)以下情況：

（1）踢出裝置的兩只踢出液壓缸活塞桿一前一后伸出，踢出時管柱出現(xiàn)偏斜；

（2）離液壓源較遠(yuǎn)端的踢出液壓缸無法將管柱踢出V形槽，或踢出后管柱又滑落回V形槽。

踢出裝置油路參數(shù)及測試結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果表明踢出裝置出現(xiàn)嚴(yán)重的不同步問題。為解決該問題，首先應(yīng)進(jìn)行問題分析，然后計(jì)算壓力損失并提出解決方案。

表1 性能測試記錄

1 問題分析與計(jì)算

針對上述提出的不同步問題，現(xiàn)從工作原理和工況進(jìn)行分析、計(jì)算，并加以說明，找出不同步的原因。

從工作原理上分析，踢出裝置總成圖如圖2所示。管柱落于V形槽中，在兩個踢出裝置的液壓缸的驅(qū)動下，連桿自左下方至右上方運(yùn)動，踢出管柱，沿支撐面滾動至排管架。

圖2 踢出裝置總成圖

貓道機(jī)的踢出裝置由兩只液壓缸驅(qū)動共同完成踢出動作。踢出裝置部分的液壓原理圖如圖3所示。

圖3 踢出裝置液壓原理圖

從原理上分析，踢出裝置兩液壓缸之間相距4 800 mm，液壓管路較長可能存在較大的壓力損失，從而導(dǎo)致兩只液壓缸壓力不同，使作用力大小不同。可以計(jì)算壓力損失，并與負(fù)載所需的壓力進(jìn)行比較，從而評估壓力損失的影響程度。

從工況上分析，理想的工況是兩液壓缸施加于管柱的作用力大小相等、方向一致且同時作用。這就要求：

（1）踢出時要求管柱的質(zhì)心處于兩液壓缸的中點(diǎn)位置（如圖4所示）。如不處于理想位置，則可能出現(xiàn)偏載。

圖4 管柱理想工作位置

（2）踢出裝置施加于管柱兩點(diǎn)之間力的大小和方向相同。

（3）兩個液壓缸活塞桿以相同速度伸出。但實(shí)際中管柱的工作位置靠操作人員的目測觀察判斷，很難做到管柱質(zhì)心處于兩液壓缸中點(diǎn)位置。踢出裝置施加于管柱力的大小由液壓缸內(nèi)油壓決定，力的方向由機(jī)構(gòu)加工和裝配精度決定。兩個液壓缸相同速度伸出則要求兩個液壓缸流量和流速相同，兩個液壓缸及管路規(guī)格相同時流量由三通分配而來，則流量相同。

進(jìn)而分析出影響因素為：壓力損失、管柱在踢出裝置的位置，以及踢出裝置兩個液壓缸內(nèi)液壓油的壓力。

1.1 壓力損失模型及計(jì)算

壓力損失分為沿程壓力損失和局部壓力損失兩類。對于絕大部分貓道機(jī)的踢出裝置而言，其壓力損失包括這兩類壓力損失，計(jì)算公式可表述為：

1.1.1 沿程壓力損失

沿程壓力損失［4］指液體在直管中流動時因液體具有的粘性而產(chǎn)生的壓力損失，其計(jì)算公式為：

式中：ρ為液壓油密度，kg/m3；ν為管內(nèi)液壓油的流速，m/s；λ為摩擦系數(shù)。

式中：q為油管流量，m3/s（1 m3/s=60×105L/min）；d為油管內(nèi)徑，mm。

液壓油在油管內(nèi)流動的形式不同，其摩擦系數(shù)計(jì)算方式也不相同。其流動形式主要包括兩種：當(dāng)雷諾系數(shù)Re小于Recr時液壓油的流動狀態(tài)為層流，反之為紊流。層流與紊流其摩擦系數(shù)計(jì)算公式分別見式（4）和式（5）。

式中：雷諾系數(shù)Re可根據(jù)式（6）計(jì)算得到：

式中：r為液壓油的運(yùn)動粘度，m2/s。

1.1.2 局部壓力損失模型

兩個液壓缸之間無液壓元件，局部損失只需計(jì)算兩缸之間的直角接頭即可，根據(jù)式（7）計(jì)算局部壓力損失：

式中：K為局部阻力系數(shù)。

第一次淬火時，淬火感應(yīng)圈1的長直角邊5到齒圈2的倒角端面6的落差為3.5mm，加熱時間設(shè)定為5.8s，冷卻時間設(shè)定為10s，冷卻時間即噴水時間，也需要控制，時間短易出現(xiàn)屈氏體，甚至是噴水壓力也應(yīng)該有效控制，通常壓力控制在0.3～0.45MPa，壓力小易導(dǎo)致淬火件金相組織不均勻，易出現(xiàn)屈氏體，降低金相等級。

代入q=80 L/min，d=12 mm，ρ=900 kg/m3，γ=46cst=46×10-6m2/s，K=0.3計(jì)算得：ν=11.79 m/s，Re=3 075，λ=4.248×10-2，ΣΔp=1.14 MPa。

1.2 壓力損失與負(fù)載所需壓力的比較

對貓道機(jī)的踢出裝置進(jìn)行載荷分析，計(jì)算可得出液壓缸的負(fù)載，即踢出管柱所需要的力。踢出裝置的載荷分析如圖5所示。

圖5 踢出裝置載荷示意圖

經(jīng)分析，液壓缸的壓力為：

式中液壓缸的負(fù)載Fp為：

式中：G為管柱的重力；L1～L4為力矩。

在壓力損失一定的情況下，驅(qū)動負(fù)載所需的液壓油壓力越小則壓力損失的影響越大。現(xiàn)按最不利的情況即最小負(fù)載進(jìn)行分析、計(jì)算，貓道機(jī)適用的管柱中，取質(zhì)量最小的鉆桿計(jì)算。

貓道機(jī)設(shè)計(jì)適用鉆柱的最小規(guī)格為鉆桿為2-7/8 EU。查API 5DP鉆桿規(guī)范，2-7/8 EU鉆桿的計(jì)算質(zhì)量為16.25 kg/m，最小長度取第二類最短長度8.84 m，則最小鉆桿的質(zhì)量為 143.65 kg?？紤]到鉆桿接頭部分比鉆桿直徑大，因此增加5%的富裕量，則最短的2-7/8寸鉆桿的質(zhì)量m為150.8 kg，重力G=150.8×9.8 N=1 477.8 N。

代入式（8）、式（9），可求得Fp=1 648.5N。

液壓缸規(guī)格YG63/35-60，在該負(fù)載下單只液壓缸的壓力為：

將數(shù)值代入式（10）求得p=0.53 MPa，則壓力損失1.14 MPa比液壓缸所需壓力0.53 MPa還大。對常用的5EU鉆桿，代入上式計(jì)算單只液壓缸的壓力為0.67 MPa。經(jīng)分析計(jì)算，壓力損失因素對踢出裝置的不同步影響較大。

因此，兩個液壓缸的壓力損失差可能是造成踢出裝置不同步的主要因素。另外，據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，偏載（管柱不處于理想工位導(dǎo)致兩個液壓缸載荷不同）也是造成踢出裝置不同步的另一個重要原因。為消除這兩個因素對踢出裝置同步問題的影響，提出了以下解決方案。

2 改進(jìn)方案

踢出裝置對同步精度要求不是特別高，同時希望改造簡單且成本低廉，因此不宜考慮同步馬達(dá)、伺服閥等高成本方案，針對性提出以下三種解決方案。

（1）油路等長。在局部損失相同的情況下，兩液壓缸的壓力損失差取決于沿程壓力損失，而沿程壓力損失在流速和管徑不變的情況下，由管路長度決定。但不可消除偏載帶來的影響。

（2）增大管徑。由沿程損失計(jì)算公式可知，在管路長度l、流速ν不變的情況下，增大油管直接d的可降低壓力損失差。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》要求，壁厚可減至1.6 mm，則管徑增至14.8 mm。

d=14.8 mm代入公式計(jì)算，可得沿程損失為Δph=0.39 MPa，相比于原管徑的壓力損失減小63%，但不可消除偏載帶來的影響。

（3）加裝分流集流閥。分流集流閥可以使兩個或兩個以上的執(zhí)行元件在承受不同載荷時仍能獲得相等（或成一定比例）的流量，從而實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件的同步運(yùn)動，因此也稱為同步閥。

為降低成本、提高效率，運(yùn)用AMESim軟件對以上方案進(jìn)行了仿真分析。

3 AMESim仿真分析

3.1 仿真模型建立

AMESim為多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺，該平臺可建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)模型并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入分析，也可以研究元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能［5-8］。在不考慮其他外界因素影響影響的情況下，建立的原系統(tǒng)仿真分析模型，如圖6所示。

圖6 原系統(tǒng)仿真模型

AMESim仿真系統(tǒng)的基本參數(shù)見表2。負(fù)載用質(zhì)量塊等效，用影響最大的規(guī)格為2-7/8 EU最 短鉆桿進(jìn)行分析。為模擬偏載工況，將鉆桿質(zhì)量設(shè)置成兩個質(zhì)量塊，其質(zhì)量比用以反映偏載的程度［9-10］。

方案1、方案2模型與原系統(tǒng)模型相同，只需分別調(diào)整管路長度和直徑的參數(shù)即可仿真。方案3需先建立分流閥模型，再構(gòu)建整個系統(tǒng)模型（如圖7所示）。

圖7 方案3仿真模型

表2 仿真模型部分參數(shù)

3.2 仿真分析

3.2.1 原系統(tǒng)仿真分析

為分析、驗(yàn)證兩個液壓缸的壓力損失差對踢出裝置同步的影響，在進(jìn)行原系統(tǒng)仿真時，將鉆桿質(zhì)量平均分配到兩個液壓缸上，即兩個質(zhì)量塊的質(zhì)量比為1∶1，其仿真結(jié)果如圖8、圖9所示（仿真模型左側(cè)液壓缸稱之為遠(yuǎn)端液壓缸，右側(cè)液壓缸稱之為近端液壓缸）。圖中實(shí)線表示遠(yuǎn)端液壓缸，點(diǎn)線表示近端液壓缸。

圖8 進(jìn)油壓力—時間關(guān)系曲線

圖9 活塞位移-時間關(guān)系曲線

通過仿真分析得到的兩液壓缸壓力損失差約為1.13 MPa，與數(shù)值計(jì)算得出的1.14 MPa基本吻合，而兩個液壓缸確實(shí)存在運(yùn)動不同步的問題，表明兩個液壓缸壓力差確實(shí)是造成不同步的原因之一。

3.2.2 優(yōu)化方案仿真分析

管柱處于不同工位時仿真結(jié)果不同，故在進(jìn)行三種優(yōu)化方案仿真時，將兩個質(zhì)量塊的比值與工位相對應(yīng)，選取理想工位即質(zhì)量比為1 ∶ 1、1 ∶ 1.5、1 ∶ 2這三種不同情況踢出裝置的同步性能。

仿真結(jié)果表明：方案1及方案2在管柱處于理想工位時踢出裝置同步性能良好，而管柱處在非理想工位（質(zhì)量比為1 ∶ 1.5和1 ∶ 2）時，其同步性能較差。方案3不論管柱處在何種位置，兩個液壓缸的兩個活塞的速度基本相等，表明該方案具有良好的同步性能，圖10為質(zhì)量比1 ∶ 2時兩個液壓缸位移-時間關(guān)系曲線。

圖10 活塞位移-時間關(guān)系曲線

3.3 同步性能實(shí)驗(yàn)

依據(jù)仿真分析結(jié)果，按照方案3的技術(shù)方案對貓道機(jī)踢出裝置的液壓系統(tǒng)進(jìn)行改裝并完成實(shí)驗(yàn)，下頁圖11為現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)照片，部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下頁表3。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在貓道踢出裝置的液壓系統(tǒng)中加裝分流閥后，能夠保證兩個液壓缸的進(jìn)油量相同，可有效避免壓力損失、偏載造成的不同步問題。

圖11 同步性能實(shí)驗(yàn)

表3 同步性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）對于類似裝置同步問題可從原理和工況兩個方面尋找原因，并對影響因素進(jìn)行計(jì)算和評估，然后對影響大的因素進(jìn)行分析并提出改進(jìn)方案，最后通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)方案的效果。

（2）可通過數(shù)值計(jì)算和AMESim仿真分析影響因素的影響程度，兩者可以相互印證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（3）AMESim軟件仿真結(jié)果與實(shí)際調(diào)試試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，為貓道機(jī)及其他液壓系統(tǒng)的性能分析、優(yōu)化提供了一種更為直觀且高效的方法。

（4）分流集流閥能很好的消除兩個液壓缸之間的壓力損失差以及偏載對液壓缸同步動作的影響。安裝分流集流閥提升踢出裝置同步性能的方法也進(jìn)而可推廣運(yùn)用于其他液壓動力回路系統(tǒng)中。

［ 1 ］姜開勛.斜直井鉆機(jī)管子處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與理論研究［D］.大慶：東北石油大學(xué)，2012.

［ 2 ］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(jī)械，2010（2）：13-15.

［ 3 ］寇紅濤，崔建春，劉海偉，等.液壓動力鉆桿排放貓道設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2008（9）：29-35.

［ 4 ］袁子榮.液氣壓傳動與控制［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2002：18-27

［ 5 ］蘇東海，孫占文.AMEsim仿真技術(shù)在電液位置同步系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.液壓氣動與密封，2007（6）：13-16.

［ 6 ］金勝秋，成凱，王鵬宇.基于AMESim的液壓同步閥仿真分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究［J］.液壓與氣動，2009（9）：64-68.

［ 7 ］余佑官，龔國芳，胡國良.AMESim仿真技術(shù)及其在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.液壓氣動與密封，2005（3）：28-31.

［ 8 ］付永領(lǐng)，祈曉野.AMESim系統(tǒng)建模與仿真［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006：32-48

［ 9 ］劉樹祥，郭常寧，王振.錨鏈絞車油缸排鏈同步分析［J］.船舶，2013（5）：80-83.

［10］楊夢婕.鉆井平臺散裝材料存儲及輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.船舶，2013（4）：23-26.

Discussion about synchronous issue of power catwalk's kick-out device

LI You-xing1,2DONG Zong-zheng3LIU Yong-sheng1,2FAN Chun-ming1,2
(1.National Oil and Gas Drilling Equipment Research Center, Chengdu 610052, China; 2.BaoJi Oilf eld Machinery Co.,Ltd., Baoji 721000, China; 3.Mechatronic Engineering College, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

The reasons possibly cause the asynchrony of kick-out facility during the debugging trials are analyzed from the two aspects of the fundamentals and operation conditions.The mathematical pressure loss model is established and calculated to evaluate the effect of the influence factors by comparison.It analyzes and puts forward the three different solutions including the equal pipe length, the enlargement of pipe diameter and the installation of flow distributing and collecting valve.The synchronization of three different solutions are compared and analyzed by AMESim software and numerical calculation, and are verified by experiments.The results indicate that the installation of the distributing valve is one of the effective ways to solve the synchrony problem for the kick-out facility.AMESim is convenient and reliable for the performance analysis of the hydraulic system.

power catwalk; kick-out facility; synchronization; AMESim(advanced modeling environment for performing simulation of engineering systems)

TE951

A

1001-9855（2016）06-0087-07

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“深水鉆機(jī)與管柱自動化處理關(guān)鍵技術(shù)研究”（2012AA09A203）。

2016-07-29；

2016-09-09

李友興（1985-），男，碩士，工程師，研究方向：石油鉆采裝備的設(shè)計(jì)研究。董宗正（1986-），男，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：鉆頭及井下工具、計(jì)算機(jī)仿真CAD/CAE/CAM。劉永勝（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：石油鉆采裝備的設(shè)計(jì)研究。樊春明（1976-），男，高級工程師，研究方向：石油鉆采裝備的設(shè)計(jì)研究。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.06.087