輪式牽引器支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及越障性能

趙建國(guó), 何 同, 彭漢修*, 吳昌軍, 王昆鵬, 方世紀(jì)， 涂 赤

(1.西南石油大學(xué)能源裝備研究院， 成都 610500； 2.中國(guó)石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院， 北京 100101; 3.中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院， 德陽(yáng) 618000)

在水平井中運(yùn)用牽引器輸送儀器，具有簡(jiǎn)單快捷的優(yōu)勢(shì)[1]。在測(cè)井方面，由于時(shí)間緊張，牽引測(cè)井儀器質(zhì)量較輕，主要使用速度較快的輪式牽引器[2]。輪式牽引器是在套管中運(yùn)動(dòng)的，而套管在使用過(guò)程中，可能在內(nèi)壁產(chǎn)生井壁沉積物、套管磨損和套管縮徑等現(xiàn)象，所以支撐輪將可能在凹凸不平的套管內(nèi)壁上運(yùn)行，如不能很好的越過(guò)這些障礙，輪式牽引器可能卡死，影響正常工作，甚至發(fā)生井下事故，這對(duì)現(xiàn)有輪式牽引器的越障性能提出了更高的要求[3-6]。輪式牽引器主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)構(gòu)成，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)支撐輪旋轉(zhuǎn)，支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)支撐輪的徑向位置，使支撐輪接觸或脫離套管，支撐輪在支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的作用下接觸套管，使得輪式牽引器能在套管內(nèi)向前運(yùn)動(dòng)[7]。現(xiàn)有輪式牽引器主要有活塞連桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)[8]、電機(jī)滑塊單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)[9]、凸輪支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)[10]、滑桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)[11]、滑塊滑槽支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)[12]，現(xiàn)有支撐結(jié)構(gòu)均采用單彈簧作為越障緩沖零件，單彈簧設(shè)計(jì)方法面對(duì)套管內(nèi)各種各樣的雜質(zhì)和障礙物時(shí)，不能較好的滿足井下復(fù)雜的環(huán)境和中國(guó)水平井作業(yè)需求。

基于此，提出一種越障性能較好的雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)軟件對(duì)輪式牽引器支撐機(jī)構(gòu)的越障性能進(jìn)行研究，并對(duì)比分析輪式牽引器已有的單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與新設(shè)計(jì)的雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在越障過(guò)程中相關(guān)性能，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的輪式牽引器雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的優(yōu)越性，為輪式牽引器支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 輪式牽引器支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化 設(shè)計(jì)

與單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)[圖1(a)]1個(gè)推桿、1個(gè)調(diào)節(jié)彈簧不同的是：設(shè)計(jì)出的新的支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用了2個(gè)推桿(外推桿、內(nèi)推桿)、2個(gè)彈簧(外調(diào)節(jié)彈簧、內(nèi)調(diào)節(jié)彈簧)，其支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理如[圖1(b)]所示。

圖1 單推桿、雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)Fig.1 Single push rod, double push rod-double spring support adjustment mechanism

該設(shè)計(jì)保證了一個(gè)推桿對(duì)應(yīng)一個(gè)支撐臂，一個(gè)推桿對(duì)應(yīng)一個(gè)調(diào)節(jié)彈簧，當(dāng)支撐輪同時(shí)經(jīng)過(guò)套管內(nèi)壁不同的井壁沉積物、套管縮徑和磨損時(shí)，可以通過(guò)各自的調(diào)節(jié)彈簧，調(diào)節(jié)支撐輪與套管內(nèi)壁之間的接觸，保證了支撐輪在任何不同的井壁沉積物、套管縮頸和磨損時(shí)，都能緊貼套管內(nèi)壁，確保了支撐輪與套管內(nèi)壁之間始終存在適當(dāng)?shù)恼龎毫?，使得輪式牽引器能正常的在牽引力作用下向前爬行，由于使用了雙推桿結(jié)構(gòu)，輪式牽引器能適應(yīng)套管內(nèi)不同的井壁沉積物、套管縮頸和損傷等一系列的障礙物，極大的提高了輪式牽引器的越障性能和套管適應(yīng)性。

2 輪式牽引器支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)越障性能 研究

2.1 輪式牽引器支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)越障模型

2.1.1 輪式牽引器支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)建模與設(shè)置

輪式牽引器整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此為了便于計(jì)算和仿真，對(duì)輪式牽引器的仿真模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，保留輪式牽引器支撐機(jī)構(gòu)的核心部件。通過(guò)Solidworks軟件對(duì)輪式牽引器進(jìn)行建模，導(dǎo)出得到parasolid文件，之后導(dǎo)入到ADAMS軟件中。為了便于對(duì)比說(shuō)明設(shè)計(jì)的雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)越障性能的優(yōu)越性，將輪式牽引器已有的單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)其他零部件與設(shè)計(jì)的雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)保持一致，對(duì)比圖1(a)、圖1(b)可知，單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由單調(diào)節(jié)彈簧、單推桿、驅(qū)動(dòng)臂和支撐臂組成，雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要有雙彈簧、雙推桿、驅(qū)動(dòng)臂和支撐臂組成，由此得到輪式牽引器支撐機(jī)構(gòu)單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)仿真模型如圖2(a)所示、雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)仿真模型如圖2(b)所示。

圖2 單推桿、雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)ADAMS 仿真模型Fig.2 ADAMS simulation model of single push rod, double push rod double spring support adjusting mechanism

輪式牽引器仿真模型如圖3所示。為了便于研究越障性能，選用4個(gè)支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，假設(shè)前后兩個(gè)機(jī)構(gòu)為扶正機(jī)構(gòu)，只研究中間兩個(gè)的越障性能，按照中外牽引器的連接方式，分別呈90°規(guī)則分布，支撐輪從左到右依次命名為支撐輪1、2，支撐輪3、4，支撐輪5、6，支撐輪7、8。為了仿真的準(zhǔn)確性，模型尺寸無(wú)縮放，尺寸和設(shè)計(jì)的輪式牽引器保持一致，仿真模型內(nèi)固連體通過(guò)布爾運(yùn)算進(jìn)行合并，其余零件為單獨(dú)構(gòu)件。對(duì)輪式牽引器仿真模型的41個(gè)構(gòu)件進(jìn)行重命名和材料屬性定義，由于輪式牽引器全為剛性機(jī)構(gòu)，因此全部定義為steel鋼材屬性。

輪式牽引器支撐機(jī)構(gòu)的仿真模型總共有41個(gè)運(yùn)動(dòng)副，其中1個(gè)固定副，8個(gè)滑動(dòng)副，32個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。①固定副：套管與地面之間；②滑動(dòng)副：內(nèi)推桿、外推桿與固連體外殼之間每個(gè)單節(jié)2個(gè)，4個(gè)單節(jié)共8個(gè)；③轉(zhuǎn)動(dòng)副：支撐臂與固連體外殼之間8個(gè)，支撐臂與支撐輪之間8個(gè)，支撐輪與支撐桿之間8個(gè)，內(nèi)推桿、外推桿與支撐桿之間均為2個(gè)，4個(gè)單節(jié)共8個(gè)。

忽略牽引器自身的重力，定義支撐輪與套管之間的接觸為“碰撞約束”，接觸類(lèi)型為“實(shí)體對(duì)實(shí)體”，支撐輪與套管之間的接觸對(duì)與阻尼系數(shù)如表1所示[13-14]。

表1 支撐輪與套管之間相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficient of interaction between supporting wheel and casing

設(shè)定調(diào)節(jié)彈簧剛度系數(shù)為12.5 N/mm，設(shè)定彈簧的預(yù)載荷為1 000 N，設(shè)定支撐輪的角速度為100(°)/s。

2.1.2 套管建模與設(shè)置

套管的障礙一般分為井壁沉積物、套管磨損和縮徑，以套管內(nèi)徑150 mm為研究對(duì)象，為了便于仿真研究，采用臺(tái)階高度分別為3、6、9、12 mm，長(zhǎng)度50 mm矩形凸臺(tái)模擬套管內(nèi)的不同井壁沉積物、采用深度為3、6、9、12 mm，長(zhǎng)度100 mm的凹坑模擬套管磨損、使用高度為9 mm，斜角為10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°，長(zhǎng)度20 mm的斜角模擬縮徑，如圖4所示。

圖4 模擬套管障礙Fig.4 Simulated casing obstacle

目前學(xué)者對(duì)支撐輪越障的分析主要是針對(duì)井壁沉積物、套管磨損或者套管縮徑等單一障礙進(jìn)行研究，沒(méi)有考慮到同時(shí)面對(duì)井壁沉積物和套管磨損或者同時(shí)面對(duì)不同斜度的套管縮徑和套管變形等多種障礙的研究。因此，對(duì)支撐輪在套管運(yùn)行中遇到的單一障礙的情況進(jìn)行分析研究，并且對(duì)支撐輪在套管運(yùn)行中同時(shí)面對(duì)井壁沉積物和套管磨損、同時(shí)面對(duì)不同斜度的套管縮徑和套管變形進(jìn)行分析研究，如圖5所示。

圖5 支撐輪越障分析Fig.5 Obstacle surmounting analysis of supporting wheels

2.2 單種障礙對(duì)輪式牽引器支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)越障性能的影響

采用單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的輪式牽引器，分別經(jīng)過(guò)了井壁沉積物、套管磨損和套管縮徑，輪式牽引器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和越障性能差異對(duì)比。

2.2.1 單種障礙對(duì)輪式牽引器支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中軸位置的影響

圖6 井壁沉積物障礙單推桿、雙推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 中軸位置偏移Fig.6 Displacement of the central axis of thesingle push rod, double push rod support adjustment mechanism under the wall sediment obstacle

圖7 套管磨損障礙下單推桿、雙推桿支撐調(diào)節(jié) 機(jī)構(gòu)中軸位置偏移Fig.7 Shaft position deviation of thesingle push rod, double push rod support adjustment mechanism due to casing wear

圖8 套管縮徑物障礙下單推桿、雙推桿支撐調(diào)節(jié) 機(jī)構(gòu)中軸位置偏移Fig.8 Deviation of the central axis position of the single push rod, double push rod support adjustment mechanism under the obstacle of the casing reducing object

從圖6～圖8可以看出，單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在井壁沉積物、套管磨損和套管縮徑障礙下運(yùn)行，輪式牽引器的中軸位置都發(fā)生了變化，但變化不大，說(shuō)明這兩種支撐機(jī)構(gòu)都能保持較好的對(duì)中性能，在這種情況下，都能保證輪式牽引器在套管內(nèi)正常運(yùn)行；支撐輪越障時(shí)單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的中軸偏移量要大于雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的中軸偏移量，說(shuō)明雙推桿-雙彈簧支撐機(jī)構(gòu)的對(duì)中性能要好于單推桿支撐機(jī)構(gòu)；以上分析得到了輪式牽引器兩種支撐機(jī)構(gòu)在跨越井壁沉積物、套管磨損和套管縮徑時(shí)都能保持良好的對(duì)中性能，越障效果良好；但總體上，輪式牽引器在跨越單種障礙時(shí)，雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的對(duì)中性能要好于單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

2.2.2單種障礙對(duì)輪式牽引器支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)正壓力的影響

當(dāng)支撐輪5、支撐輪6在套管內(nèi)壁上運(yùn)行時(shí)，彈簧處于壓縮狀態(tài)，彈簧力接近1 000 N，而在跨越井壁沉積物、套管縮徑時(shí)(圖9、圖10)，彈簧力逐漸增大，說(shuō)明輪式牽引器在跨越井壁沉積物、套管縮徑時(shí)，彈簧被持續(xù)壓縮，彈簧力持續(xù)增大；在跨越套管磨損時(shí)(圖11)，彈簧力逐漸減小，說(shuō)明輪式牽引器在跨越套管磨損時(shí)，彈簧被持續(xù)釋放，彈簧力持續(xù)減小，彈簧的調(diào)節(jié)作用使得支撐輪可以持續(xù)的與套管接觸，保證了支撐輪與套管之間的正壓力。

圖9 井壁沉積物障礙下單推桿、雙推桿支撐機(jī)構(gòu) 正壓力變化Fig.9 The change of positive pressure of the single push rod, double push rod supporting mechanism under the barrier of well wall sediment

由圖9～圖11可知，在單推桿的作用下，支撐輪5、支撐輪6的兩個(gè)正壓力在1 000 N的作用力下持續(xù)波動(dòng)，由于一個(gè)彈簧調(diào)節(jié)兩個(gè)支撐輪的正壓力，要保證輪式牽引器的正壓力施加，只能犧牲一部分對(duì)中性能。由于設(shè)計(jì)的為雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，彈簧各自調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的支撐輪，支撐輪之間互不影響，所以支撐輪的正壓力在2 000 N的作用力下持續(xù)波動(dòng)，此結(jié)構(gòu)既能保證輪式牽引器的對(duì)中性能，還能保證對(duì)支撐輪正壓力的施加效果；雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的支撐輪5、支撐輪6的正壓力的波動(dòng)變化明顯，正壓力對(duì)彈簧力和牽引器的變化狀態(tài)比較敏感，說(shuō)明了正壓力的大小可以隨時(shí)根據(jù)牽引器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及時(shí)調(diào)整，避免了單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)滯后的現(xiàn)象，有利于牽引器越障性能的提高。

分析可知，輪式牽引器兩種不同支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)支撐輪正壓力的值影響較大，由此可以看出輪式牽引器雙推桿-雙彈簧的支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)比單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)更能滿足輪式牽引器的設(shè)計(jì)要求，輪式牽引器雙推桿-雙彈簧的支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)比單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)更有優(yōu)越性。

2.3 多種障礙對(duì)輪式牽引器支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)越障性能的影響

輪式牽引器兩種支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在跨越井壁沉積物、套管磨損和套管縮徑時(shí)，雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)比單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具有優(yōu)勢(shì)，因套管障礙物呈現(xiàn)X軸、Y軸對(duì)稱變化，雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)輪式牽引器越障性能的影響優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)還不夠明顯。上述只討論了單獨(dú)跨越井壁沉積物、套管磨損或者套管縮徑，因此本節(jié)重點(diǎn)討論在輪式牽引器在同時(shí)跨越井壁沉積物和套管磨損、套管縮徑和套管變形時(shí)，輪式牽引器兩種支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)輪式牽引器越障性能的影響。

2.3.1 多種障礙對(duì)輪式牽引器支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中軸位置的影響

由圖12、圖13可知，兩種支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)同時(shí)跨越井壁沉積物和套管磨損、套管縮徑和套管變形時(shí)，兩種支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中軸位置偏移變化。兩種支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)輪式牽引器在跨越障礙時(shí)，都引起了輪式牽引器中軸位置偏移，只是偏移量不同。單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的輪式牽引器在套管內(nèi)同時(shí)跨越井壁沉積物和套管磨損、套管縮徑和套管變形時(shí)，X軸的最大偏心值為10 mm，Y軸的最大偏心值為6 mm，雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的輪式牽引器在套管內(nèi)同時(shí)跨越井壁沉積物和套管損傷、套管縮徑和套管變形時(shí)，X軸的最大偏心值為5 mm，Y軸的最大偏心值為6 mm。

由圖12、圖13可知，輪式牽引器在跨越相同障礙時(shí)，雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)輪式牽引器的中軸位置偏移比單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的小。套管內(nèi)障礙物的最大偏心值為12 mm，對(duì)于單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，牽引器的中軸偏心最大值達(dá)到了10 mm，對(duì)中性能較差，很容易造成牽引器與套管內(nèi)壁之間碰撞，導(dǎo)致輪式牽引器越障失??；對(duì)于雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，牽引器的偏心值最大僅為6 mm，這是因?yàn)殡p推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)每個(gè)調(diào)節(jié)彈簧對(duì)應(yīng)一個(gè)推桿，分別帶動(dòng)一個(gè)支撐輪徑向移動(dòng)，所以即使同時(shí)跨越井壁沉積物和套管磨損時(shí)，依然能保持良好的對(duì)中性能，可以較好地避免牽引器因中軸偏移過(guò)大而造成的事故。

圖10 套管縮徑障礙下單推桿、雙推桿支撐機(jī)構(gòu) 正壓力變化Fig.10 The positive pressure change of the single push rod, double push rod supporting mechanism under the obstacle of casing shrinkage

圖11 套管磨損障礙下單推桿、雙推桿支撐機(jī)構(gòu) 正壓力變化Fig.11 Positive pressure change of the single push rod, double push rod supporting mechanism under casing wear obstacle

分析可知，輪式牽引器同時(shí)跨越井壁沉積物和套管磨損、套管縮徑和套管變形時(shí)，雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的輪式牽引器有更好的對(duì)中性能。

2.3.2 多種障礙對(duì)輪式牽引器支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)正壓力的影響

從圖14、圖15可以看出，單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的輪式牽引器在套管內(nèi)運(yùn)行時(shí)，彈簧處于壓縮狀態(tài)，彈簧力大致為1 000 N，支撐輪5、支撐輪6的正壓力大致為1 000 N，在輪式牽引器運(yùn)行至40 s時(shí)左右，支撐輪5、支撐輪6開(kāi)始跨越障礙物，由于存在井壁沉積物、套管縮徑，所以彈簧只能壓縮，無(wú)法伸長(zhǎng)彈簧長(zhǎng)度去適應(yīng)套管磨損、套管變形，彈簧力開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)，支撐輪正壓力也開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)，以適應(yīng)彈簧力的變化。由于一邊支撐輪的障礙物為套管磨損、套管縮徑，為了保持支撐輪與套管接觸，所以輪式牽引器只能通過(guò)中軸偏心來(lái)達(dá)到支撐輪5、支撐輪6同時(shí)接觸套管，由此導(dǎo)致?tīng)恳鲗?duì)中能力較差；彈簧5、彈簧6的彈簧力大致為1 000 N，支撐輪正壓力為2 000 N，在40 s時(shí)一個(gè)壓縮，一個(gè)伸長(zhǎng)，使得彈簧力一個(gè)變大，一個(gè)變小，由于彈簧各自調(diào)節(jié)一個(gè)支撐輪，使得支撐輪可以按照各自的障礙情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以雙推桿-雙彈簧支撐機(jī)構(gòu)能保持較好的對(duì)中性能；對(duì)比正壓力波動(dòng)可以發(fā)現(xiàn)，雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的正壓力對(duì)牽引器的運(yùn)行狀態(tài)更加敏感，反饋效果更好，雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)相比于單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能更快的調(diào)整彈簧的壓縮或伸長(zhǎng)狀態(tài)，更能適應(yīng)套管內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境。

圖12 同時(shí)跨越井壁沉積物和套管磨損單推桿、雙推桿 支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中軸位置偏移Fig.12 Displacement of the central axis of the single push rod, double push rod support adjustment mechanism across the well wall sediment and casing wear

圖13 同時(shí)跨越套管縮徑和變形單推桿、雙推桿支撐 機(jī)構(gòu)中軸位置偏移Fig.13 The position of the central axis of the supporting mechanism of the single push rod, double push rod is shifted

圖14 同時(shí)跨越井壁沉積物和套管磨損單推桿、雙推桿 支撐機(jī)構(gòu)支撐輪正壓力變化Fig.14 The positive pressure change of supporting wheel of the single push rod, double push rod supporting mechanism crossing the well wall sediment and casing wear

圖15 同時(shí)跨越套管縮徑和變形單推桿、雙推桿 支撐機(jī)構(gòu)支撐輪正壓力變化Fig.15 The positive pressure change of supporting wheel of the single push rod, double push rod supporting mechanism

分析可知，輪式牽引器在同時(shí)跨越井壁沉積物和套管磨損、套管縮徑和套管變形時(shí)，雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)比單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)更優(yōu)越。

2.3.3 多種障礙對(duì)輪式牽引器支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)彈簧力的影響

圖16 同時(shí)跨越井壁沉積物和套管磨損雙推桿支撐 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)彈簧力變化Fig.16 The change of spring force of the single push rod, double push rod supporting mechanism across the well wall sediment and casing wear

圖17 同時(shí)跨越套管縮徑和變形雙推桿支撐調(diào)節(jié) 機(jī)構(gòu)彈簧力變化Fig.17 The spring force changes of the single push rod, double push rod supporting mechanism

從圖16、圖17可以看出，單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的輪式牽引器內(nèi)的彈簧力分別變化了4次且每次有4個(gè)等高波峰、變化了4次且每次有7個(gè)逐漸增高的波峰，剛好對(duì)應(yīng)4對(duì)支撐輪越過(guò)4個(gè)等高的井壁沉積物和7個(gè)逐漸增加的套管縮徑，對(duì)于套管磨損和套管縮徑所造成的障礙，調(diào)節(jié)彈簧無(wú)法調(diào)節(jié)，由于扶正器作用，若牽引器強(qiáng)行保持對(duì)中，會(huì)導(dǎo)致跨越套管磨損的支撐輪保持懸空狀態(tài)，無(wú)法再提供牽引力；雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的彈簧力變化剛好對(duì)應(yīng)4個(gè)支撐輪越過(guò)的障礙變化，說(shuō)明支撐輪在多種障礙下還能保持與井壁的接觸，還能提供牽引器所需的牽引力；對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的彈簧力波動(dòng)更大，波動(dòng)更為復(fù)雜，是因?yàn)闋恳髟谠秸蠒r(shí)，雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)反應(yīng)更靈敏、反饋更快，在牽引器跨越復(fù)雜障礙時(shí)，能更快的反饋牽引器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，及時(shí)的調(diào)節(jié)彈簧的作用，使得支撐輪與套管之間的正壓力能及時(shí)根據(jù)牽引器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

分析可知，單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)只能適應(yīng)4個(gè)等高的井壁沉積物和7個(gè)逐漸增加的套管縮徑，無(wú)法適應(yīng)4個(gè)逐漸加深的套管磨損和7個(gè)逐漸減小的套管變形，雙推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)既能適應(yīng)4個(gè)等高的井壁沉積物和7個(gè)逐漸增加的套管縮徑，又能適應(yīng)4個(gè)逐漸加深的套管磨損和7個(gè)逐漸減小的套管變形，由此，得到了輪式牽引器在同時(shí)跨越井壁沉積物和套管磨損、套管縮徑和套管變形時(shí)，雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)比單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)更優(yōu)越。

2.3.4 多種障礙對(duì)輪式牽引器支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)支撐輪角速度的影響

從圖18、圖19可以看出，兩種不同支撐機(jī)構(gòu)的輪式牽引器在套管內(nèi)運(yùn)行時(shí)支撐輪經(jīng)歷了波動(dòng)變化，為了使得輪式牽引器在跨越障礙時(shí)，不會(huì)造成卡死現(xiàn)象，越障支撐輪需要變化角速度，使得支撐輪之間形成差速。輪式牽引器兩種支撐機(jī)構(gòu)的支撐輪在未跨越障礙時(shí)，角速度保持在100(°)/s，同時(shí)跨越井壁沉積物和套管磨損、套管縮徑和套管變形時(shí)，角速度都發(fā)生了變化，單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的角速度在跨越障礙物時(shí)變化較大，是由于跨越障礙時(shí)單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)支撐輪所受的扭矩變大，使得角速度波動(dòng)變大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的壽命會(huì)減少，由此得到了得到了輪式牽引器在同時(shí)跨越井壁沉積物和套管磨損、套管縮徑和套管變形時(shí)，雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)比單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)更優(yōu)越。

圖19 同時(shí)跨越套管縮徑和變形單推桿、雙推桿 支撐機(jī)構(gòu)角速度變化Fig.19 The change of angular velocity of the single push rod, double push rod supporting mechanism

3 結(jié)論

為了提高井下?tīng)恳髟诼阊劬葟?fù)雜工況條件下的適應(yīng)性，首次提出了雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。得到如下結(jié)論。

(1)利用運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件分別建立了常規(guī)單彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型；研究了兩種支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在套管內(nèi)不同障礙物下的越障性能，得到了單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在跨越井壁沉積物、套管損傷和套管縮徑時(shí)，對(duì)支撐輪輪心位置和角速度變化影響一致，對(duì)輪式牽引器的中軸位置、輪式牽引器支撐輪的正壓力變化影響相差較大，雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)比單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有更好的對(duì)中性能、能提供更大的正壓力。

(2)在同時(shí)跨越井壁沉積物和套管磨損、同時(shí)跨越套管縮徑和變形時(shí)，雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)輪式牽引器比單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)輪式牽引器更能適應(yīng)套管的直徑變化、能更快地反饋牽引器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。研究結(jié)果表明，在輪式牽引器跨越套管障礙物時(shí)，雙推桿-雙彈簧支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)比單推桿支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的越障性能更好。