全液壓自動貓道防墜落機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及仿真分析

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(吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130025)①

全液壓自動貓道是石油鉆機(jī)鉆臺的配套裝置，是實(shí)現(xiàn)鉆具上下鉆臺的自動化操作裝置。其設(shè)計初衷是因?yàn)楫?dāng)前國內(nèi)鉆具上下鉆井平臺仍以人工操作為主， 運(yùn)移過程不安全且勞動強(qiáng)度很大，不能滿足萬米鉆機(jī)科學(xué)鉆探及石油鉆井等頻繁上下鉆桿的要求。防墜落機(jī)構(gòu)是自動貓道的重要組成部分，其作用是防止鉆桿在上下鉆井平臺時從舉升滑道上滾落下來，以致砸傷井場工人。通過翻板機(jī)構(gòu)與擋銷的配合來實(shí)現(xiàn)鉆桿進(jìn)出舉升滑道。由于設(shè)計的局限，以前的防墜落機(jī)構(gòu)是通過折臂機(jī)構(gòu)帶動擋桿來防止鉆桿的墜落，經(jīng)常會出現(xiàn)擋桿強(qiáng)度不夠而發(fā)生折斷現(xiàn)象。筆者在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)行了防墜落機(jī)構(gòu)的優(yōu)化性研究，通過將原有的桿狀機(jī)構(gòu)改為受力面積較大的板狀機(jī)構(gòu)，并在板狀機(jī)構(gòu)上開一個長環(huán)形槽的方式來減少擋板的質(zhì)量，提高擋板的強(qiáng)度和耐用性，同時也降低了成本。

1 防墜落機(jī)構(gòu)原理及存在的問題

防墜落機(jī)構(gòu)模型簡圖如圖1～2所示。

圖1 防墜落機(jī)構(gòu)整體位置示意

圖2 防墜落機(jī)構(gòu)模型

防墜落機(jī)構(gòu)的工作原理是：當(dāng)防墜落機(jī)構(gòu)液壓缸活塞桿伸出時，折臂連桿帶動擋銷縮回，鉆桿可以從地面平臺滾落，無阻礙滾落至舉升滑道；當(dāng)防墜落機(jī)構(gòu)液壓缸活塞桿縮回時，折臂連桿帶動擋銷伸出，保證鉆桿在運(yùn)移過程中不從舉升滑道滾落下來。防墜落機(jī)構(gòu)存在的主要問題在于舉升滑道兩側(cè)空間有限，且現(xiàn)有擋銷一般都是圓軸型的，液壓缸縮回，擋銷的運(yùn)動軌跡是斜向上的，擋銷容易卡死在擋銷伸縮孔內(nèi)。且鉆具從翻板機(jī)構(gòu)滾落至舉升滑道時會對擋銷產(chǎn)生強(qiáng)烈碰撞，對鉆具表面的損害和系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)性有較大影響。

2 防墜落機(jī)構(gòu)仿真分析

在ADAMS中建立防墜落機(jī)構(gòu)模型，并對防墜落機(jī)構(gòu)添加約束和驅(qū)動，設(shè)置仿真時間為2.4 s，仿真步長為0.001。設(shè)定驅(qū)動函數(shù)為Step(time,0,0,1.2,145)+Step(time,1.2,0,2.4,-145)。對防墜落機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真，結(jié)果如圖3～6。

由圖3可知，擋銷質(zhì)心在0.8 s達(dá)到最大速度580 mm/s，1.2 s時擋銷完全伸出，即處于防止鉆桿滾落的狀態(tài)。

圖3 擋銷質(zhì)心y方向速度曲線

圖4為液壓缸驅(qū)動力示意圖，在液壓缸活塞桿處于伸出狀態(tài)時，擋銷縮回，液壓缸驅(qū)動力增大，且變化率上升，在1.2 s時處于最大值760 N?；钊麠U伸出和縮回液壓缸驅(qū)動力曲線為對稱狀態(tài)。

圖4 改進(jìn)前液壓缸驅(qū)動力曲線

由圖5可知，擋銷質(zhì)心加速度在擋銷完全伸出時達(dá)到最大值，即此時擋銷所受的阻力最大。加速度曲線在擋銷伸出與縮回的時間區(qū)間處于對稱狀態(tài)，在(0，0.75)區(qū)間加速度曲線較平穩(wěn)，說明這段時間內(nèi)擋銷的受力變化不大。在(0.75，1.2)區(qū)間內(nèi)加速度曲線陡峭，即此區(qū)間內(nèi)擋銷的受力變化較大。

圖5 擋銷y方向加速度曲線

圖6為擋銷與導(dǎo)向圈接觸力示意圖，在擋銷完全伸出時，接觸力最大為210 N。也間接證明了仿真模型的正確性。由此可知，一方面，液壓缸足夠的驅(qū)動力能保證擋銷伸出。另一方面，擋銷正常工作完全伸出時，其與導(dǎo)向圈的摩擦力處于最大。

圖6 擋銷與導(dǎo)向圈接觸力曲線

3 防墜落機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

全液壓自動貓道舉升滑道兩側(cè)空間有限，且現(xiàn)有防墜落機(jī)構(gòu)擋銷一般都是圓軸型的。通過以上進(jìn)行的仿真分析，一方面，即便液壓缸驅(qū)動力能保證擋銷正常伸縮而不出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，由于擋銷與導(dǎo)向圈摩擦力的反復(fù)作用，機(jī)構(gòu)也會出現(xiàn)磨損以致失效；另一方面，擋銷的磨損會導(dǎo)致其出現(xiàn)危險截面，不能確保其與鉆桿碰撞時有足夠的強(qiáng)度，且圓軸型擋銷與鉆桿之間的碰撞是點(diǎn)與點(diǎn)之間的接觸，對鉆桿與擋銷本身強(qiáng)度影響和表面的破壞較大。

根據(jù)原有機(jī)構(gòu)的尺寸以及機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特點(diǎn)，對原有機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，如圖7所示：改變擋銷原有圓軸型結(jié)構(gòu)，設(shè)計成受力面積大的板狀，且為節(jié)省材料以及機(jī)構(gòu)的輕盈化，中間開有長環(huán)形槽。由于擋銷各點(diǎn)的運(yùn)動都是繞著耳板與擋銷連桿連接點(diǎn)的圓形軌跡，而耳板與擋銷連桿連接處距離擋銷頂點(diǎn)距離最大，舉升滑道上為擋銷所設(shè)的矩形通槽尺寸即可確定。

圖7 防墜落機(jī)構(gòu)優(yōu)化示意

通過替代原有仿真模型中擋銷，改變擋銷與各連接部件的約束，改變驅(qū)動函數(shù)為STEP(time,0,0,1,120)+STEP(time,1,0,2,120)。由圖8可以看出，擋銷質(zhì)心最大速度降為425 mm/s，整個機(jī)構(gòu)運(yùn)行時間縮短的條件下，擋銷質(zhì)心的最大速度降低，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性和工作效率。由圖9可知，液壓缸驅(qū)動力最大僅為27.4 N，降低了系統(tǒng)壓力。

圖8 擋銷質(zhì)心最大速度曲線

圖9 改進(jìn)后液壓缸驅(qū)動力曲線

4 防墜落機(jī)構(gòu)有限元分析

4.1 鉆桿運(yùn)動學(xué)分析

鉆桿在運(yùn)移過程中，首先由鉆桿支架進(jìn)入，從鉆桿支架滾動到翻板機(jī)構(gòu)前端，之后翻板機(jī)構(gòu)在液壓缸的作用下開始翻轉(zhuǎn)。鉆桿由翻板機(jī)構(gòu)滾落直至進(jìn)入舉升滑道內(nèi)。最后由于舉升滑道另一側(cè)防墜落機(jī)構(gòu)擋銷的作用下，鉆桿只得在舉升滑道內(nèi)反復(fù)滾動直至停下。鉆桿滾動速度變化曲線如圖10所示。

圖10 鉆桿滾動速度變化曲線

由圖10知，0～1.5 s內(nèi)速度明顯增大，隨后在1.5～3.8 s內(nèi)發(fā)生波動，隨著翻板機(jī)構(gòu)的抬起動作，鉆桿滾入舉升滑道內(nèi)，由于擋銷的作用在舉升滑道內(nèi)往復(fù)滾動，并在摩擦力的作用下速度逐漸減小，最后穩(wěn)定在舉升滑道內(nèi)的V型槽內(nèi)。其中，可以得出鉆桿與擋銷發(fā)生碰撞時的最大速度為550 mm/s。

4.2 擋銷有限元分析

擋銷是防墜落機(jī)構(gòu)工作過程中實(shí)際與鉆桿直接相互作用的部件，所以需要對擋銷做強(qiáng)度校核，并在Abaqus中對鉆桿施加初始速度，從而對擋銷進(jìn)行強(qiáng)度校核，得出是否滿足強(qiáng)度要求。

1) 材料屬性。

擋銷的材料選擇45號鋼，材料屬性如表1所示。

表1 45號鋼材料屬性

2) 實(shí)體模型建立及網(wǎng)格劃分。

在三維軟件Inventor中建立擋銷的三維模型，在Abaqus中導(dǎo)入擋銷模型，添加擋銷材料屬性為45號鋼，對擋銷進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分情況如圖11所示。

圖11 擋銷網(wǎng)格劃分

3) 添加載荷并進(jìn)行有限元分析。

由鉆桿運(yùn)動學(xué)分析可以得出鉆桿與擋銷碰撞時的最大速度為550 mm/s。在AbaqusPredefined field 中定義此速度值，由于實(shí)際工作過程鉆桿與擋銷并不是垂直碰撞，鉆桿在與擋銷面垂直方向上的實(shí)際速度要小于最大速度。為了模擬碰撞的方便性，假定鉆桿與擋銷是垂直碰撞。由此得出的應(yīng)力應(yīng)變也將略大于實(shí)際情況。并且，現(xiàn)有鉆桿通常長9～12 m，9 m鉆桿在滾落過程中會與舉升滑道同側(cè)2個防墜落機(jī)構(gòu)擋銷碰撞，而12 m鉆桿會與舉升滑道同側(cè)3個防墜落機(jī)構(gòu)碰撞，且鉆桿與各個擋銷有可能不是同時碰撞。因此，在Abaqus中定義對稱邊界條件，設(shè)定單個防墜落機(jī)構(gòu)對應(yīng)鉆桿的長度為5 m，得出如圖12～14所示結(jié)果。

圖12 擋銷應(yīng)力

圖13 擋銷位移

圖14 擋銷應(yīng)變

由圖12～14可得到表2結(jié)果。由表2可知，擋銷最大應(yīng)力為148 MPa。由表1可知，45號鋼的抗拉強(qiáng)度為600 MPa，而擋銷的位移和應(yīng)變都很小。所以，擋銷的設(shè)計完全滿足強(qiáng)度要求。

表2 擋銷有限元分析結(jié)果

5 防墜落機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈戏治?/h2>

利用機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析與仿真軟件ADAMS提供的一個專門針對柔性體的模塊ADAMS/Flex，采用修正的Craig-Bampton方法，來描述防墜落機(jī)構(gòu)柔性體的彈性變形。

本文中需要柔化的零部件為液壓缸桿，在有限元分析軟件abaqus中生成柔性體，并進(jìn)行分析?？紤]液壓桿的柔性體情況，考慮折臂連桿與舉升滑道的連接關(guān)系，擋銷與折臂連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖如圖15所示。

圖15中BD桿代表折臂連桿的一半，實(shí)際模型θ3=0，即擋銷與擋銷定位圈軸線是始終平行的。B點(diǎn)在DC(即連桿方向)的位移db受到折臂連桿一定的限制。

圖15 擋銷與折臂連桿的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖

1) 運(yùn)動學(xué)分析。

選擇轉(zhuǎn)動副θ1，θ2和移動副db，d4作為廣義坐標(biāo)，D點(diǎn)不動，選擇D點(diǎn)為原點(diǎn)坐標(biāo)，向右為正方向，進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。

A點(diǎn)的位置坐標(biāo)：

x=l4cosθ1+dbcosθ1

(1)

y=l4sinθ1+l5+d4+dbsinθ1

(2)

對A點(diǎn)的位置進(jìn)行求導(dǎo)，即可得到A點(diǎn)在這一瞬間的速度為：

(3)

其中J為該系統(tǒng)的雅克比(Jacobian)矩陣，且：

J(θ1,db,d4)=[eij],i=1,2;j=1,2,3

(4)

(5)

通過對液壓桿柔性模型的分析，采用柔性矩陣以及在A點(diǎn)作用力來表示A點(diǎn)的位移變化。

Δp=CF

(6)

式中：C為系統(tǒng)柔性矩陣；F為在A點(diǎn)處的作用力。

K為系統(tǒng)剛度矩陣:

(7)

因此機(jī)構(gòu)的柔性矩陣可以表示為：

C=JTKJ

(8)

通過從Abaqus有限元分析軟件中輸出液壓缸的柔性體中性mnf文件，在ADAMS中建立好剛?cè)狁詈夏Ｐ?，對系統(tǒng)進(jìn)行剛?cè)狁詈戏治觥?/p>

2) 速度輸出響應(yīng)剛?cè)狁詈戏治觥?/p>

圖16是防墜落機(jī)構(gòu)擋銷速度輸出響應(yīng)對比曲線。由圖16可以得出：防墜落機(jī)構(gòu)在經(jīng)過剛?cè)狁詈夏Ｐ吞幚砗螅瑩蹁N的速度曲線和剛性模型下的速度曲線基本上是一致的，僅在速度峰值處產(chǎn)生頻率很小的小幅波動，這是因?yàn)橐簤焊谆钊麠U在運(yùn)動的過程中產(chǎn)生的彈性變形引起的。

圖16 擋銷速度輸出響應(yīng)對比曲線

圖 17是防墜落機(jī)構(gòu)擋銷加速度輸出響應(yīng)對比曲線。由圖 17可以得到：由于在ADAMS仿真分析中設(shè)置的驅(qū)動函數(shù)為Step(0,0,1,120)+Step( 1,0,2,-120),故系統(tǒng)加速度應(yīng)該為0。由圖17可以看出，剛性系統(tǒng)加速度在運(yùn)動過程始終為0，而柔性系統(tǒng)加速度在由靜止到運(yùn)動的初始階段并不為0，而是加速一小段時間后變?yōu)?。對實(shí)際系統(tǒng)來說更為真實(shí)。

圖 17 擋銷加速度輸出響應(yīng)對比曲線

6 結(jié)論

1) 設(shè)計的全液壓自動貓道機(jī)具有圓軸型擋銷的防墜落機(jī)構(gòu)，在足夠的液壓缸驅(qū)動力的情況下，能保證擋銷正常伸出而不卡死。擋銷與導(dǎo)向圈之間的接觸力比較大，擋銷反復(fù)伸縮產(chǎn)生的磨損對機(jī)構(gòu)的正常工作和運(yùn)行平穩(wěn)性會產(chǎn)生影響。

2) 在舉升滑道空間有限的情況下，對防墜落機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，改變擋銷為板狀的結(jié)構(gòu)形式，消除了其原有的接觸力，縮短了整個機(jī)構(gòu)運(yùn)行時間，使機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)性和效率得到提高。且鉆桿與擋銷的碰撞接觸條件得到改善，有利于鉆桿表面的保護(hù)。

3) 通過簡化實(shí)際碰撞情況，對擋銷進(jìn)行有限元分析，得出板狀擋銷滿足工作強(qiáng)度要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了整個防墜落機(jī)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行中的可行性。

4) 為了得到更加真實(shí)可信的分析結(jié)果，對系統(tǒng)進(jìn)行了剛?cè)狁詈戏治?，整體來看剛性系統(tǒng)和柔性系統(tǒng)分析結(jié)果基本相吻合。柔性系統(tǒng)進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性和可行性。

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