滑車式管子移運(yùn)裝置研究

李慶杰， 高世卿， 曹振波， 劉希梁， 陶承虎

（沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110000）

0 引言

隨著石油鉆井平臺(tái)對(duì)技術(shù)升級(jí)的迫切需求， 大量鉆井設(shè)備需要改造。目前常用的管子移運(yùn)方式主要有：吊裝式、抓管式、橋式起重機(jī)式。 山東勝利石油產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院公開(kāi)了一種抓管、吊裝式管子移運(yùn)裝置，僅適用于陸地石油開(kāi)采[1]。寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司公開(kāi)了一種橋式起重機(jī)式管子移運(yùn)裝置，由于其采用了鋼絲繩傳動(dòng)，抗風(fēng)荷載能力較弱，不能滿足平臺(tái)鉆井需要[2]。 為了滿足石油鉆井平臺(tái)對(duì)技術(shù)升級(jí)的需求， 本文研究了一種用于鉆桿在貓道與地面管架之間的轉(zhuǎn)運(yùn)工作的新型滑車式管子移運(yùn)裝置，并對(duì)最惡劣工況進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證其在最惡劣工況下的工作性能。

1 移運(yùn)裝置的組成

移運(yùn)裝置的組成包括：滑車、滑車軌道、貓道、管架及鉆桿，如圖1 所示。

鉆桿堆放于管架之上，2 條軌道按要求分布在管子兩側(cè)，2 部滑車分別安放在2 條軌道上， 通過(guò)2 部滑車的協(xié)調(diào)移動(dòng)和升降，實(shí)現(xiàn)鉆桿在貓道與管架之間的往返傳送。

滑車的包括：底座、液壓馬達(dá)、油缸、升降體、伸縮吊梁，如圖2 所示。

圖1 滑車式移運(yùn)裝置

圖2 滑車

滑車由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)， 完成滑車在軌道上的前后移動(dòng)， 由油缸驅(qū)動(dòng)完成升降體及伸縮吊梁的升降伸縮吊梁的組成見(jiàn)圖3，主要包括：外套、內(nèi)套1、內(nèi)套2、油缸、吊軸。其中，油缸安裝在外套內(nèi)。

伸縮吊梁的伸縮是由吊梁內(nèi)的油缸驅(qū)動(dòng)， 油缸裝有位移傳感器， 用于控制油缸的伸縮量。 通過(guò)內(nèi)部的倍程機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)吊軸的伸縮功能，吊軸可以根據(jù)需要更換不同規(guī)格。

圖3 伸縮吊梁

2 滑車的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真采用Solidworks 軟件。三維模型設(shè)計(jì)完成后，使用Solidworks Motion 插件的Motion 分析功能，先對(duì)三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和前處理，去除冗余約束；然后設(shè)置驅(qū)動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)速度；最后運(yùn)行仿真程序，生成動(dòng)畫(huà)。 動(dòng)畫(huà)生成后，通過(guò)“結(jié)果和圖解”功能可以生成位移、速度、加速度、角速度、角加速度的圖解。

圖5～7 所示分別為滑車吊軸的角位移、角速度、角加速度圖解。由圖5 可知，在滑車從初始位置運(yùn)動(dòng)到工作位置的過(guò)程中， 吊軸角位移從-1°逐漸增大到-48°； 由圖6可知，在滑車從初始位置運(yùn)動(dòng)到工作位置的過(guò)程中，吊軸角速度從初始時(shí)0°/s 逐漸減小到12°/s （3.5s 時(shí)）， 再?gòu)?2°/s 逐漸增加到10°/s；由圖7 可知，在滑車從初始位置運(yùn)動(dòng)到工作位置的過(guò)程中，吊軸角加速?gòu)某跏紩r(shí)0°/s2迅速加到8°/s2，然后逐漸減小到0°/s2（3.5s 時(shí)），再?gòu)?°/s2逐漸增加到3°/s2。

圖4 滑車伸縮吊梁圖解

圖5 滑車伸縮吊梁角位移圖解

圖6 滑車角速度圖解

圖7 滑車角加速度圖解

3 底座及升降體的力學(xué)分析

3.1 滑車受力的計(jì)算和導(dǎo)出

滑車受力計(jì)算仿真采用Solidworks 軟件。

第一步，調(diào)用Motion 分析功能圖解。前述已經(jīng)完成的工作有：三維模型完成、三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和前處理、設(shè)置驅(qū)動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)速度、運(yùn)行仿真程序、生成動(dòng)畫(huà)。 動(dòng)畫(huà)生成后，通過(guò)“結(jié)果和圖解”功能可以生成受力的圖解。

第二步，選中受力最惡劣的圖解位置，將受力最惡劣位置的受力導(dǎo)出至零件， 則零件自動(dòng)加載該時(shí)刻所有的受力、速度、加速度、角速度、角加速度。 打開(kāi)相關(guān)零件，設(shè)置零件的“夾具”，即零件與上一節(jié)臂的聯(lián)接位置，設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)，生成網(wǎng)格，運(yùn)行，即可得到最惡劣受力位置的應(yīng)力圖解和位移圖解。

通過(guò)該方法可以計(jì)算出滑車油缸推力，如圖8 所示。

3.2 有限元分析模型的建立

表1 滑車升降體材料及加載信息

建立模型時(shí)，分別對(duì)滑車支座和滑車框架進(jìn)行建模。由圖8可知，當(dāng)滑車框架出于最低點(diǎn)開(kāi)始由液壓缸驅(qū)動(dòng)升起時(shí)，滑車支座和滑車框架受力最大，為57280N。 因此取這個(gè)狀態(tài)作為有有限元分析的狀態(tài)。

建立模型時(shí)，各零部件的三維模型使用Solidworks 完成。 有限元分析使用Solidworks Simulation。 Solidworks Simulation 的優(yōu)勢(shì)在于可以自動(dòng)生成網(wǎng)格并進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算， 在保證了計(jì)算準(zhǔn)確性的同時(shí)降低了前處理和后處理的難度。

在有限元分析建模前對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化原則為：

（1）忽略了螺紋孔及螺釘?shù)挠绊憽?/p>

（2）忽略了倒角和圓角的影響。

（3）忽略了油管、閥、走線附件等的影響。

簡(jiǎn)化模型后， 采用Solidworks Simulation 的網(wǎng)格生成功能自動(dòng)生成網(wǎng)格，網(wǎng)格生成結(jié)果如圖9、10 所示。

圖9 滑車支座網(wǎng)格圖解

圖10 滑車升降體網(wǎng)格圖解

3.3 力的加載與分析結(jié)果

采用導(dǎo)出法將Motion 中計(jì)算的最惡劣狀態(tài)下受力導(dǎo)出至模型，并利用Simulation 進(jìn)行計(jì)算。 加載力后，使用Solidworks 的“加網(wǎng)格并運(yùn)行”功能得到有限元分析結(jié)果。其受力仿真分析結(jié)果如圖11～14 所示。 圖11 為滑車支座應(yīng)力圖解，圖12 為滑車支座位移圖解，圖13 為滑車升降體應(yīng)力圖解，圖14 為滑車升降體位移圖解。

圖11 滑車支座應(yīng)力分析圖

圖12 滑車支座位移分析圖

圖13 滑車升降體應(yīng)力分析圖

圖14 滑車升降體位移分析圖

根據(jù) 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》， 機(jī)架安全系數(shù)應(yīng)該取1.5 以上， 則滑車支座材料至少應(yīng)當(dāng)有166.6×1.5=249.9MPa 的屈服強(qiáng)度， 滑車升降體材料至少應(yīng)當(dāng)有221.1×1.5=331.65MPa 的屈服強(qiáng)度。Q345B 材料屈服強(qiáng)度345MPa，滿足要求。

通過(guò)有限元分析得知， 滑車底座在工作狀態(tài)下最大變形量0.4044mm；滑車升降體在工作狀態(tài)下最大變形量1.068mm。 兩者均滿足要求。

4 結(jié)論

本文針對(duì)鉆井平臺(tái)技術(shù)改造提出的滑車式管子移運(yùn)裝置，提供了一種與傳統(tǒng)方式不同的方案，在控制和移運(yùn)方式上提出了全新的方法，與傳統(tǒng)方式相比，設(shè)備更加簡(jiǎn)化，節(jié)省空間占用，自重輕，自動(dòng)化程度提高。

本文對(duì)上述滑車式管子移運(yùn)裝置進(jìn)行了有限元分析與校核，通過(guò)有限元分析得知，管子移運(yùn)裝置在最惡劣工況下能夠滿足使用要求，設(shè)計(jì)合理。這種滑車式管子移運(yùn)裝置將會(huì)在石油鉆井領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。