油管扶正裝置的研制

王英強(qiáng) 張偉強(qiáng) 武新強(qiáng)

摘 要：本文結(jié)合機(jī)械化修井作業(yè)中油管扶正裝置結(jié)構(gòu)、工作原理和技術(shù)特點(diǎn)等情況分析，通過(guò)應(yīng)用中的有限元分析對(duì)扶正裝置應(yīng)用工作進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：油管扶正；機(jī)械自動(dòng)化；修井作業(yè)

隨著修井井口機(jī)械自動(dòng)化程度提高，管柱起下自動(dòng)化通過(guò)井口機(jī)械化模塊和油管機(jī)械化拉排模塊等可順利實(shí)現(xiàn)，克服了管柱起下中人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、受惡劣環(huán)境影響和風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高等缺陷。但在起油管中，大鉤吊起后是垂直狀態(tài)，無(wú)法直接自動(dòng)轉(zhuǎn)向油管機(jī)械化拉排模塊。因此，需要研究油管扶正裝置，對(duì)傾斜的油管實(shí)現(xiàn)一次性自動(dòng)化扶正和對(duì)中，使油管能在作業(yè)系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)運(yùn)移平穩(wěn)和對(duì)中精準(zhǔn)，提升機(jī)械化修井作業(yè)水平。

1 油管扶正裝置基本情況

1.1油管扶正裝置結(jié)構(gòu)

井口修井作業(yè)機(jī)械的油管扶正裝置由主輔扶正臂、對(duì)中裝置、液壓缸、扶正桶等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如圖1所示。該裝置主體技術(shù)參數(shù)為：外部尺寸1900mm*640mm*2870mm；工作時(shí)油壓7MPa；適用油管外徑規(guī)格為Ф60.3-114.3mm；水平擺動(dòng)幅度為2360mm；主扶正臂與機(jī)架角度為50-112度之間；油管扶正和推送時(shí)間在10s以內(nèi)。其中，主扶正臂鉸接井口支架，上端配套機(jī)械扶手能夠隨著液壓缸完成退讓位等動(dòng)作；輔助扶正臂主體為“四連桿”機(jī)構(gòu)，與主臂利用主桿鉸接，下端與支架鉸接，可跟隨主臂進(jìn)行擺動(dòng)；導(dǎo)向錐桶上部為“喇叭口”形狀，在支架軌道底板上固定，液壓鉗與錐桶中心對(duì)中，油管下入中導(dǎo)向錐桶可控制油管的活動(dòng)幅度，確保油管能對(duì)中準(zhǔn)確。

1.2油管扶正裝置運(yùn)行原理

油管扶正裝置主要功能是實(shí)現(xiàn)修井作業(yè)時(shí)油管下入井口的限位、扶正和對(duì)中，特別是在井口位置油管的起升裝置操作時(shí)實(shí)現(xiàn)油管扶正，功能的實(shí)現(xiàn)主要是由液壓缸提供動(dòng)力，帶動(dòng)扶正臂的擺動(dòng)完成作業(yè)。在吊起油管并由扶正臂接住后，受重力和扶正臂支撐作用，油管可隨著扶正臂平穩(wěn)擺動(dòng)移動(dòng)到井口。扶正臂上的機(jī)械扶手可以在移動(dòng)過(guò)程中對(duì)油管發(fā)揮“限位”功能，確保運(yùn)移安全、防止油管運(yùn)移中脫離扶正臂。輔助扶正臂可以配合主臂構(gòu)成“六連桿”結(jié)構(gòu)，形成夾持油管的特殊構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)油管初步對(duì)中。導(dǎo)向錐桶具有精準(zhǔn)控制輕微擺動(dòng)油管的位置變化的作用，能夠根據(jù)對(duì)中需要進(jìn)行精確的導(dǎo)向作用，做好油管上扣各類準(zhǔn)備工作。為提升工作效率，油管下入和上扣要由液壓缸提供動(dòng)力，帶動(dòng)機(jī)械扶手旋轉(zhuǎn)90度與主扶正臂運(yùn)動(dòng)到同一條直線上，并利用主扶正臂讓位，做好下一根油管對(duì)中的準(zhǔn)備工作。在起油管作業(yè)時(shí)，該裝置可以借助扶正臂將油管運(yùn)移到油管輸送裝置的油管滑道上。

1.3油管扶正裝置的技術(shù)特點(diǎn)

該井口油管扶正裝置具有以下鮮明技術(shù)特點(diǎn)：在井口部位，主輔扶正臂可在一定空間內(nèi)構(gòu)成“六連桿”結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)油管夾持功能，并且該結(jié)構(gòu)能最大限度的降低油管整體擺動(dòng)幅度，控制好油管末端的擺動(dòng)，提升對(duì)中效率和成功率。主臂上的機(jī)械扶手是“V”型結(jié)構(gòu)，以滾輪形式作業(yè)，可以降低滾輪上油管移動(dòng)中的摩擦阻力，并能在油管對(duì)中中發(fā)揮一定的限位作用。主輔扶正臂的鉸接軸與扶正臂間存在一定夾角，便于輔助扶正臂在跟隨主臂擺動(dòng)中的下移讓位，能配合油管運(yùn)移機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)。導(dǎo)向錐桶上部為圓筒狀結(jié)構(gòu)，在油管輕微擺動(dòng)中能夠發(fā)揮導(dǎo)向作用，提升油管與井口對(duì)中的精準(zhǔn)性。扶正作業(yè)中無(wú)需人工輔助，工人無(wú)需接觸擺動(dòng)中的油管，防止了作業(yè)傷害事故發(fā)生，并能提升對(duì)中效率，實(shí)現(xiàn)不間斷的“起下管”作業(yè)。

2 油管扶正裝置有限元分析

油管扶正裝置主臂主要受兩個(gè)力——液壓缸的驅(qū)動(dòng)作用力和油管末端側(cè)向擺動(dòng)力，所以在作業(yè)時(shí)承受彎矩較大，工作性能和安全系數(shù)取決于其自身剛度和強(qiáng)度。所以，需要借助ANSYS Workerbench軟件對(duì)主臂進(jìn)行有限元分析，確保狀態(tài)可預(yù)見(jiàn)、可控制，提升裝置運(yùn)行的可靠性。

有限元分析的主扶正臂主要是機(jī)械手和正臂兩部分，是“裝配型”模型，其中扶正臂以矩形鋼為材料，機(jī)械扶手以45號(hào)鋼為材料，承擔(dān)連接功能的螺栓和螺母是以不銹鋼材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)配件，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

扶正臂屬于規(guī)則結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格劃分可通過(guò)六面體為主方式，以10mm為單元?jiǎng)澐钟邢拊Ｐ?，共劃分?70538個(gè)單元和53472個(gè)節(jié)點(diǎn)。在運(yùn)行中扶正臂承受復(fù)雜的受力狀態(tài)，模型建立中需要妥善處理載荷，基于主臂與液壓缸和支架是鉸接連接在一起的，所以必須設(shè)置固定式鉸接點(diǎn)。因本裝置適用的油管對(duì)中規(guī)格為Ф60.3-114.3mm，以Ф114.3mm油管的受力分析，可看出扶正臂受力軸向分力最大值在50度時(shí)出現(xiàn)，側(cè)向分力在62度時(shí)出現(xiàn)，可將扶正臂靜應(yīng)力分析時(shí)取值50度和62度兩種工況條件模擬扶正臂運(yùn)行時(shí)應(yīng)力分布狀況。其運(yùn)行參數(shù)如表2所示。施加載荷后的模型中，重力加速度約為9806mm/s2，輔助扶正臂重力為178N，扶正臂受力273.54N。

在強(qiáng)度分析上，利用Mechanical模塊直接求解器分析，因扶正臂材質(zhì)屬于塑性材質(zhì)，所以選擇第四強(qiáng)度理論計(jì)算，Workbench求解得出的結(jié)果選項(xiàng)選擇與第四強(qiáng)度理論對(duì)應(yīng)的等效“EQUVIALENT STRESS”和總變形“TOTAL DEFORMATION”。結(jié)合計(jì)算結(jié)果分析，在62度工況條件下，扶正臂應(yīng)力集中點(diǎn)與50度工況條件下一致，但最大應(yīng)力值增大，達(dá)到21.72MPa，變形最大位置處于扶手末端部位，最大變形量是0.48mm，比在50度工況條件下略小。

根據(jù)以上有限元分析，得出扶正臂工作最大應(yīng)力值為21.72MPa，以安全系數(shù)為2計(jì)算，得出扶正臂的應(yīng)力許用范圍最大值為125MPa，所以扶正臂強(qiáng)度符合使用要求。扶正臂變形最大量是在50度工況條件下出現(xiàn)，約為0.76mm，許用的撓度為5mm，說(shuō)明變形量不會(huì)對(duì)裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用產(chǎn)生不良影響，剛度同樣符合使用要求。

3 結(jié)論

綜上所述，油管扶正裝置是修井作業(yè)井口機(jī)械自動(dòng)化重要裝置，對(duì)油管起下作業(yè)中對(duì)中自動(dòng)化等具有重要作用，通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)、原理和技術(shù)特點(diǎn)等基本情況的分析和有限元應(yīng)用探究，有利于加深對(duì)油管扶正裝置的認(rèn)識(shí)程度。

參考文獻(xiàn)：

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