新型對(duì)開(kāi)式自動(dòng)吊卡的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

紀(jì) 然，巴 鵬，李 雪，張振宇，申靖宇

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

新型對(duì)開(kāi)式自動(dòng)吊卡的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

紀(jì) 然，巴 鵬，李 雪，張振宇，申靖宇

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

為了實(shí)現(xiàn)修井機(jī)排管自動(dòng)化，提高修井作業(yè)效率，降低勞動(dòng)成本，參考原吊卡結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型自動(dòng)吊卡機(jī)構(gòu).應(yīng)用Pro/E對(duì)自動(dòng)吊卡本體建模，并利用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)吊卡進(jìn)行分析計(jì)算，在獲得自動(dòng)吊卡的應(yīng)力云圖與位移云圖后，分析了吊卡的強(qiáng)度和剛度.針對(duì)吊卡的承載能力進(jìn)行了加載實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明，該機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上能夠滿(mǎn)足目前小型修井機(jī)的排管要求，可以為吊卡的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)提供參考.

修井機(jī)；吊卡結(jié)構(gòu)；二層平臺(tái)；有限元分析；載荷試驗(yàn)；疲勞分析

目前，國(guó)內(nèi)小型修井機(jī)的吊卡依舊依靠人工進(jìn)行拆卸與安裝，勞動(dòng)強(qiáng)度大且效率低下，高溫和嚴(yán)寒條件會(huì)顯著影響修井的作業(yè)效率.動(dòng)力吊卡雖然自動(dòng)化程度很高，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大而未能得到廣泛的應(yīng)用.在借鑒國(guó)外自動(dòng)吊卡結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文參考側(cè)開(kāi)式吊卡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一種新型自動(dòng)對(duì)開(kāi)式吊卡，結(jié)合機(jī)械手實(shí)現(xiàn)二層平臺(tái)自動(dòng)化排管作業(yè).

1 自動(dòng)吊卡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吊卡主要用于油田鉆井或修井作業(yè)，在提升和下放油管時(shí)，為防止油管脫落，用吊卡夾持油管進(jìn)行作用.提取油管時(shí)，吊卡掛在吊環(huán)上，隨吊頭下行，直到吊卡落在一層平臺(tái)后，人工將吊卡從吊環(huán)上卸下，并將管柱接頭坐落的吊卡掛到吊環(huán)之上，由電控執(zhí)行器控制吊卡雙邊鎖緊.當(dāng)?shù)躅^到達(dá)二層平臺(tái)時(shí)，機(jī)械手完成夾取油管作業(yè).此時(shí)，一層平臺(tái)的工人需將自動(dòng)吊卡放置在管柱接頭座下，使自動(dòng)吊卡處于雙邊鎖緊狀態(tài)，以避免油管斷開(kāi)連接后掉入井下.人工旋擰管柱接頭，使管路斷開(kāi)，工人在一層平臺(tái)上手工完成排管后，自動(dòng)吊卡接收信號(hào)后雙邊張開(kāi)，機(jī)械手進(jìn)行指定位置的自動(dòng)排管.下放油管的過(guò)程就是提取油管的逆過(guò)程，不在贅述.吊卡的工作流程如圖1所示.

圖1 吊卡的工作流程

本文主要參考側(cè)開(kāi)式、對(duì)開(kāi)式吊卡結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種可滿(mǎn)足實(shí)際工程需求的對(duì)開(kāi)式自動(dòng)吊卡.其根本目的是取代二層平臺(tái)上的工作人員并與一層平臺(tái)上的工作人員配合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制吊卡開(kāi)合，同時(shí)與機(jī)械手協(xié)同完成自動(dòng)排管作業(yè).原吊卡的技術(shù)規(guī)范如表1所示.

表1 原吊卡的技術(shù)規(guī)范

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)選取的鉆桿外徑為60 mm，質(zhì)量為15.475 kg/m,壁厚為9.19 mm，內(nèi)徑為54.64 mm，管體截面積為18.44 cm2.以井深1 000 m計(jì)算，鉆桿總質(zhì)量為15 475 kg.其對(duì)應(yīng)重力為154.75 kN.

GB/T6292-93國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的套管吊卡承受最大力為1 350 kN[1].考慮到安全因素，本文取安全系數(shù)為2，則吊卡承受的力F=309.5 kN，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).

2 自動(dòng)吊卡的有限元分析

通過(guò)力學(xué)分析零件應(yīng)力應(yīng)變的方法過(guò)于復(fù)雜，零件的實(shí)際工作情況難以模擬，并且計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有較大偏差.采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行分析，將復(fù)雜零件離散為大量的單元，模擬真實(shí)工作環(huán)境，既可提高計(jì)算速度，也能夠提高結(jié)果的精度[2].

2.1建立有限元模型

根據(jù)吊卡的實(shí)際工作條件，本文采用Pro/E軟件建立對(duì)開(kāi)式吊卡的三維模型，包括吊卡主體、吊卡活門(mén)、軸、鍵、螺母.將三維模型導(dǎo)入有限元軟件ABAQUS的裝配模塊中，并設(shè)定吊卡的材料屬性(表2).

表2 吊卡的材料屬性

在屬性模塊中定義吊卡的材料屬性，創(chuàng)建并分配截面特征，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分.網(wǎng)格單元類(lèi)型的選擇應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的類(lèi)型、形狀特征、應(yīng)力變形特點(diǎn)、精度要求和硬度條件等因素[1，3].對(duì)吊卡的主要受力部位采用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格；對(duì)吊卡的非主要受力部位采用四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格.考慮到鍵與軸和吊卡活門(mén)緊緊相連，而且螺母為標(biāo)準(zhǔn)件，因此可以將軸、鍵、螺母視為剛體而不再進(jìn)行對(duì)應(yīng)網(wǎng)格的劃分.吊卡主體的有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示.

圖2 吊卡有限元網(wǎng)格劃分模型

為了得到吊卡的應(yīng)力云圖與位移云圖，本文選擇靜力分析方法，并設(shè)置場(chǎng)輸出變量為應(yīng)力變量與位移變量.

吊卡承受的力為309.5 kN，鉆桿坐落于吊卡端面.因此，吊卡的工作載荷為吊卡端面承受載荷.吊卡的工作載荷為：

(1)

式中：D1為吊卡端面外徑，mm；D2為吊卡端面內(nèi)徑，mm.

將吊卡吊耳固定，添加固定約束，對(duì)吊卡的端面施加44.78 MPa的額定；考慮到吊卡變形時(shí)的位移和載荷，且吊頭提升速度為0.23～1.28 m/s，給予吊卡一個(gè)最大速度(1.28 m/s)，分析吊卡的應(yīng)力應(yīng)變情況.

2.2有限元分析結(jié)果

通過(guò)ABAQUS有限元軟件分析，得到了施加44.78 MPa額定載荷時(shí)吊卡的應(yīng)力云圖(圖3)和位移云圖(圖4).

圖3 吊卡額定載荷下的應(yīng)力云圖

圖4 吊卡額定載荷下的位移云圖

當(dāng)?shù)蹩ㄋ俣葹?.28 m/s時(shí)，其所能承受的最大載荷可根據(jù)最大應(yīng)力變形求得.此時(shí)，吊卡的應(yīng)力云圖如圖5所示；位移云圖如圖6所示.

圖5 最大速度下吊卡的應(yīng)力云圖

圖6 最大速度下吊卡的位移云圖

分析結(jié)果顯示：對(duì)吊卡施加額定載荷時(shí)，集中應(yīng)力主要出現(xiàn)在主體兩側(cè)和中間受力部位，最大應(yīng)力值為102 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)力；同時(shí)，吊卡的最大位移為0.186 mm，根據(jù)吊卡的基本尺寸與材料特性，從位移云圖中未看見(jiàn)明顯的變形，該吊卡可滿(mǎn)足靜強(qiáng)力與剛度要求；考慮到自動(dòng)吊卡的應(yīng)用范圍最大化，吊卡最大速度下的應(yīng)力和應(yīng)變分別為227 MPa和2.30 mm.顯然，這種情況的最大應(yīng)力是額定載荷的5倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足了小型修井機(jī)的工況需求.

3 自動(dòng)吊卡的疲勞載荷計(jì)算

考慮到疲勞破壞與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，只有在給定循環(huán)特性的條件下，通過(guò)不同應(yīng)力水平的吊卡壽命試驗(yàn)，才可得到變應(yīng)力下的極限應(yīng)力.在計(jì)算吊卡的疲勞強(qiáng)力時(shí)，需要用系數(shù)加以修正[4-5].疲勞曲線(xiàn)由兩部分組成：在循環(huán)基數(shù)N0右邊區(qū)域(稱(chēng)為無(wú)限壽命區(qū))，循環(huán)次數(shù)N可無(wú)限大；在循環(huán)基數(shù)N0左邊區(qū)域(稱(chēng)為有限壽命區(qū))，有：

(2)

式中：σ-1N表示材料循環(huán)次數(shù)為N時(shí)的疲勞極限；m和C均為材料常數(shù).

對(duì)于有限壽命區(qū)的疲勞曲線(xiàn)，每給定一個(gè)循環(huán)次數(shù)N都可找到產(chǎn)生疲勞破壞的最大應(yīng)力σ-1N.由此，循環(huán)次數(shù)為N時(shí)條件疲勞極限的疲勞曲線(xiàn)方程為：

(3)

式中：材料常數(shù)m與應(yīng)力狀態(tài)、材料性質(zhì)和熱處理方法有關(guān)，通常鋼制零件受彎曲應(yīng)力時(shí)取m=9；對(duì)于硬度≤350 HBS的結(jié)構(gòu)鋼，N0≈107；σ-1為N0時(shí)的疲勞極限[6-8].自動(dòng)吊卡的疲勞曲線(xiàn)如圖7所示.

圖7 自動(dòng)吊卡的疲勞曲線(xiàn)

分析結(jié)果顯示，102 MPa的吊卡最大應(yīng)力小于疲勞極限，處于無(wú)限壽命區(qū)，滿(mǎn)足了吊卡工作要求.

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)新型對(duì)開(kāi)式吊卡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠完成提取與下放油管作業(yè)，在功能上可以與二層平臺(tái)機(jī)械手協(xié)同作業(yè)，完成自動(dòng)排管要求.

(2)通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)自動(dòng)吊卡有限元分析計(jì)算可知，自動(dòng)吊卡設(shè)計(jì)方案可行，能夠滿(mǎn)足工程吊卡強(qiáng)力與剛度的設(shè)計(jì)要求.

(3)運(yùn)用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)自動(dòng)吊卡進(jìn)行分析可行且有效，對(duì)提高機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率和實(shí)際工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義.

[1] 金嘉琦，羅 愷，馮 喆.基于Workbench的修井作業(yè)車(chē)吊卡有限元分析[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014,36(3)：286-290.

[2] 蔣小利，江志剛，張 華.應(yīng)用ABAQUS的液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂有限元分析[J].現(xiàn)代制造工程，2014(7)：109-113.

[3] 程 杰，袁祖強(qiáng)，陸金桂.基于A(yíng)baqus的大型風(fēng)力機(jī)葉片有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(5)：14-16.

[4] 陳 飛，裴峻峰，鄭慶元，等.自動(dòng)吊卡系統(tǒng)的可靠性分析[J].常州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014,26(2):48-52.

[5] 李雪輝.吊卡結(jié)構(gòu)有限元分析[J].石油機(jī)械，1988,16(10)：6-10.

[6] 牛文杰，白永濤，余焱群.新型對(duì)開(kāi)式動(dòng)力吊卡的研制[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,42(4)：512-517.

[7] 高 勝，孫 冠，常玉連，等.動(dòng)力開(kāi)合式吊卡的平衡分析與研究[J]. 石油機(jī)械，2011,39(6):29-32.

[8] 黃安貽，田肖祝，齊 偉，等.新型吊卡翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016(12)：13-16.

StructuralOptimizationDesignofNewTypeAutomaticElevators

JI Ran,BA Peng,LI Xue, ZHANG Zhen-yu,SHEN Jing-yu

(School of Mechanical Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

To automate the workover rig, improve workover efficiency and reduce labor costs, the author designs a new type of automatic elevator mechanism based on the original elevator structure. Applicating Pro/E to model the automatic elevators, using the ABAQUS finite element analysis software to analyze and calculate the model, obtaining the stress cloud diagram and displacement cloud diagram of the automatic elevator and analyzing strength and stiffness of the automatic elevator by cloud diagram. A load experiment was carried out on the carrying capacity of the elevator. The results show that the device can meet the requirements of the current small workover rig and provide a reference for the design and experiment of the elevator.

workover rig; structure of elevator; two-tier platform; finite element analysis; load test；fatigue analysis

2017-07-16

紀(jì) 然(1992-)，男，遼寧朝陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電裝備與自動(dòng)化技術(shù).

1006-3269(2017)03-0010-04

TH69

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2017.03.003