小修自動(dòng)化平臺(tái)移動(dòng)液壓鉗運(yùn)動(dòng)仿真分析

趙俊利，胡穎，洪鶴云

（三一集團(tuán)有限公司石油裝備事業(yè)部，長(zhǎng)沙410007）

0 引言

修井作業(yè)是為了確保石油油氣井順利使用而采取的一種維護(hù)和保養(yǎng)方法，包括檢泵、打撈、修復(fù)套管等。小修作業(yè)屬于修井作業(yè)范疇，是一種簡(jiǎn)單修理、維護(hù)的工作。傳統(tǒng)的小修作業(yè)完全依靠人工操作，工作環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)危險(xiǎn)性高。小修自動(dòng)化平臺(tái)是適用于油水井小修作業(yè)的自動(dòng)化裝備，具備自動(dòng)抓管、卡持、對(duì)中、上/卸扣等功能，通過移動(dòng)液壓鉗和扶管機(jī)械手聯(lián)動(dòng)配合，可代替井口作業(yè)工進(jìn)行液壓鉗及管柱的操作，實(shí)現(xiàn)井口小修作業(yè)自動(dòng)化、無人化[1]，極大提升安全性。

移動(dòng)液壓鉗在進(jìn)行管柱上、卸扣作業(yè)時(shí)精度要求高。運(yùn)行狀態(tài)不佳時(shí)會(huì)對(duì)平臺(tái)導(dǎo)軌造成沖擊，產(chǎn)生磨損，引發(fā)異響，嚴(yán)重時(shí)可引起故障。本文通過對(duì)移動(dòng)液壓鉗進(jìn)行理論計(jì)算和多體動(dòng)力學(xué)仿真分析，結(jié)合試驗(yàn)論證，找出最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)加速度，從而避免上述問題發(fā)生，同時(shí)為馬達(dá)選型、液壓系統(tǒng)控制、后續(xù)類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)組成

1.1 小修自動(dòng)化平臺(tái)

小修自動(dòng)化平臺(tái)主要由工作平臺(tái)、移動(dòng)液壓鉗和扶管機(jī)械手等組成[2]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

扶管機(jī)械手用于管柱的接、送作業(yè)，負(fù)責(zé)從外部扶持管柱至平臺(tái)中心或?qū)⒐苤椭疗脚_(tái)外部，通過機(jī)械手支座固定在工作平臺(tái)上，由前后臂架組成平行四邊形機(jī)構(gòu)，確保機(jī)械手抓手始終處于水平狀態(tài)。

移動(dòng)液壓鉗是小修自動(dòng)化平臺(tái)的核心部件，用于實(shí)現(xiàn)井口位和待機(jī)位的切換、管柱對(duì)中、上/卸扣、鉗體高度調(diào)節(jié)等功能，其穩(wěn)定性決定小修自動(dòng)化平臺(tái)能否正常工作。

工作平臺(tái)為移動(dòng)液壓鉗和扶管機(jī)械手提供支撐，用于作業(yè)位置高度調(diào)節(jié)、水平調(diào)整等，便于臺(tái)上設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)等。

1.2 移動(dòng)液壓鉗

移動(dòng)液壓鉗主要由門架、液壓鉗、導(dǎo)軌、滾輪、齒條、馬達(dá)及齒輪等部件組成。門架布置在兩側(cè)導(dǎo)軌上，液壓鉗隨門架前后運(yùn)動(dòng)。馬達(dá)提供門架行走的動(dòng)力，其安裝在門架的一側(cè)，輸出端安裝有齒輪，齒條固定在導(dǎo)軌上，馬達(dá)帶動(dòng)齒輪與導(dǎo)軌上的齒條嚙合從而驅(qū)動(dòng)門架前后移動(dòng)[3]，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 理論計(jì)算分析

2.1 移動(dòng)液壓鉗結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

在三維軟件Pro/E中計(jì)算移動(dòng)液壓鉗質(zhì)量和重心，并將三維模型轉(zhuǎn)化為二維圖樣，標(biāo)注關(guān)鍵尺寸，如圖3和圖4所示。移動(dòng)液壓鉗質(zhì)量為510 kg，重心靠近門架后立柱。

圖1 小修自動(dòng)化平臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖2 移動(dòng)液壓鉗結(jié)構(gòu)

2.2 極限加速度計(jì)算

圖5為移動(dòng)液壓鉗運(yùn)動(dòng)示意圖，顯示重心、滾輪位置、齒輪驅(qū)動(dòng)中心等相互位置關(guān)系，通過力矩平衡公式[4]，計(jì)算移動(dòng)液壓鉗運(yùn)動(dòng)的情況下滾輪與導(dǎo)軌滾輪槽的壓應(yīng)力為零時(shí)的極限加速度或減速度值，計(jì)算如下：

1）當(dāng)移動(dòng)液壓鉗在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下加速啟動(dòng)時(shí)，以移動(dòng)液壓鉗重心為力矩平衡中心，在前滾輪即將離地的臨界點(diǎn)，后滾輪分配到的正壓力即移動(dòng)液壓鉗重力510g，可得馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的加速度為：

其中，g為重力加速度，取10 m/s2（下述用到的計(jì)算公式中g(shù)同上）。

2）當(dāng)移動(dòng)液壓鉗在減速停止時(shí)，以移動(dòng)液壓鉗重心為力矩平衡中心，在后滾輪即將離地的臨界點(diǎn)，前滾輪分配到的正壓力即移動(dòng)液壓鉗重力510g，可得馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的減速度為：

因移動(dòng)液壓鉗重心較高，且靠近后滾輪，而馬達(dá)驅(qū)動(dòng)中心因結(jié)構(gòu)限制設(shè)計(jì)在低位。計(jì)算結(jié)果表明，使前滾輪壓應(yīng)力為零比后滾輪壓應(yīng)力為零更容易實(shí)現(xiàn)。為使液壓和電氣系統(tǒng)的控制更簡(jiǎn)單、移動(dòng)液壓鉗運(yùn)行更平穩(wěn)，在其后退時(shí)我們采用同樣不大于1.16 m/s2的減速度來實(shí)現(xiàn)減速停止。

2.3 運(yùn)動(dòng)時(shí)間及速度計(jì)算

參考小修作業(yè)人工操作節(jié)拍，作業(yè)工將油管鉗從平臺(tái)邊緣推扶至井口中心時(shí)間約為3 s。由圖3所示結(jié)構(gòu)可知，移動(dòng)液壓鉗行程為1.15 m，以3 s完成單行程計(jì)算，移動(dòng)液壓鉗體做加速運(yùn)動(dòng)，再做勻速運(yùn)行，最后做減速運(yùn)動(dòng)直至停止，加速度、時(shí)間、速度之間關(guān)系如圖6所示。

根據(jù)加速度、時(shí)間、速度對(duì)應(yīng)關(guān)系圖，可列出如下算式[4]：

式中：t1為加速/減速運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；t2為勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；V為勻速運(yùn)動(dòng)速度，m/s。

經(jīng)計(jì)算，可得出結(jié)果：t1=0.37 s，t2=2.26 s，V=0.437 m/s。

移動(dòng)液壓鉗以1.18 m/s2的加速度運(yùn)動(dòng)0.37 s后，速度達(dá)到0.437 m/s并勻速運(yùn)行2.26 s，再以-1.18 m/s2的減速度運(yùn)行0.37 s直至停止。

3 運(yùn)動(dòng)仿真分析

3.1 ADAMS簡(jiǎn)述及建模

ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）是集建模、求解、可視化技術(shù)為一體的虛擬樣機(jī)軟件，主要模塊有ADAMS/View（用戶界面模塊）和ADAMS/Solver（求解器）[5]，運(yùn)用上述模塊，對(duì)本文中的移動(dòng)液壓鉗進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

將移動(dòng)液壓鉗三維模型導(dǎo)入軟件，在模型上施加運(yùn)動(dòng)約束副、力或力矩的運(yùn)動(dòng)激勵(lì)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。

本文采用基于碰撞函數(shù)的接觸算法 (IMPACTFunction -based contact)，ADAMS/Solver運(yùn)用ADAMS函數(shù)庫(kù)中IMPACT函數(shù)來計(jì)算接觸力。門架滾輪與導(dǎo)軌之間存在上面、下面、側(cè)面3個(gè)接觸面，參考圖7所示的接觸碰撞模型及公式，設(shè)定各滾輪與導(dǎo)軌中間的接觸參數(shù)，移動(dòng)液壓鉗ADAMS模型如圖8所示，運(yùn)用求解器得出如下分析結(jié)果。

碰撞函數(shù)的理論計(jì)算公式為

圖7 接觸碰撞模型

圖8 移動(dòng)液壓鉗ADAMS模型

FContact=K·(Δx)e-STEP(x，0，0，d，C)·x。式中：FContact為接觸力；Δx為兩碰撞物體的擠壓變形；d為滲入深度；K為剛度，K越大，兩物體滲透的量越?。恢笖?shù)e越大，兩物體滲透的量越大，滲透量是小數(shù)；C為阻尼，C越大，滲透量曲線越平滑，碰撞力曲線越平滑[6]。

3.2 ADAMS分析結(jié)果

如圖9和圖10所示，在軟件中施加的驅(qū)動(dòng)力從0開始逐漸加大，提取前滾輪離開導(dǎo)軌時(shí)的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力達(dá)到643 N時(shí)，前滾輪離開下導(dǎo)軌面，此時(shí)導(dǎo)軌的支撐力為0[7-8]。

圖9 前滾輪壓應(yīng)力時(shí)間-驅(qū)動(dòng)力曲線圖

圖10 前滾輪驅(qū)動(dòng)力-滾輪壓應(yīng)力曲線圖

如圖11和圖12所示，在軟件中施加的反向驅(qū)動(dòng)力從0逐漸加大，提取后滾輪離開導(dǎo)軌時(shí)的驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力達(dá)到2050 N時(shí)，后滾輪離開下導(dǎo)軌面，此時(shí)導(dǎo)軌支撐力為0。

圖11 后滾輪壓應(yīng)力時(shí)間-驅(qū)動(dòng)力曲線圖

根據(jù)ADAMS仿真分析結(jié)果，移動(dòng)液壓鉗在643 N的驅(qū)動(dòng)力下加速前進(jìn)導(dǎo)致前滾輪壓應(yīng)力為零，滾輪抬離導(dǎo)軌。根據(jù)力、質(zhì)量和加速度三者間關(guān)系可知，驅(qū)動(dòng)力造成的加速度為643 N÷510 kg=1.26 m/s2，比理論計(jì)算加速度結(jié)果1.18 m/s2偏大，其原因是仿真分析時(shí)增加了滾動(dòng)摩擦阻尼，兩者結(jié)果基本吻合。而移動(dòng)液壓鉗在2050 N的阻力減速停止時(shí)導(dǎo)致后滾輪壓應(yīng)力為零，出現(xiàn)滾輪抬離導(dǎo)軌的現(xiàn)象。

圖12 后滾輪驅(qū)動(dòng)力-滾輪壓應(yīng)力曲線圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論計(jì)算和ADAMS仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在試驗(yàn)樣機(jī)移動(dòng)液壓鉗門架上固定西瑪AR63系列便攜式加速度儀，精度為0.1 m/s2，通過調(diào)整液壓系統(tǒng)壓力控制馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩得到不同加速度和減速度下對(duì)應(yīng)的門架運(yùn)行平穩(wěn)情況，測(cè)試10次后得出表1和表2所示結(jié)果。

表1 加速啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，移動(dòng)液壓鉗以1.2 m/s2左右的加速度啟動(dòng)時(shí)，門架前滾輪將出現(xiàn)抬離導(dǎo)軌的現(xiàn)象；而當(dāng)移動(dòng)液壓鉗以3.9 m/s2左右的減速度停止時(shí)，門架的后滾輪將出現(xiàn)抬離導(dǎo)軌的現(xiàn)象。結(jié)果與理論計(jì)算及動(dòng)力學(xué)仿真分析所得出的極限加速度1.18 m/s2和3.82 m/s2的結(jié)果基本一致。

表2 減速停止試驗(yàn)結(jié)果

因此，我們調(diào)整移動(dòng)液壓鉗加速度和減速度為1.1 m/s2，調(diào)整加速及減速時(shí)間為0.45 s，最后測(cè)得移動(dòng)液壓鉗走過1.15 m行程所耗時(shí)間為2.8 s，滿足文中所提出的3 s內(nèi)完成移動(dòng)液壓鉗單程動(dòng)作，且運(yùn)行過程平穩(wěn)，無沖擊、異響等要求。

5 結(jié)論

本文對(duì)移動(dòng)液壓鉗的模型簡(jiǎn)化后進(jìn)行理論計(jì)算得出合適的加速度和時(shí)間分配參數(shù)，結(jié)合ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)比分析，最后通過加速度測(cè)試論證。結(jié)果表明：移動(dòng)液壓鉗在以1.1 m/s2的加速度啟動(dòng)，加速時(shí)間維持0.45 s，然后以此速度勻速運(yùn)行1.9 s，再以1.1 m/s2的減速度耗時(shí)0.45 s停止，完成全行程1.15 m共計(jì)耗時(shí)2.8 s。該過程移動(dòng)液壓鉗運(yùn)行平穩(wěn)，前、后滾輪無振動(dòng)、抬離導(dǎo)軌等異常，移動(dòng)液壓鉗也無搖晃沖擊等問題。