地面自動(dòng)排管裝置的設(shè)計(jì)與研究

鮑澤富，聶丹陽，薛繼軍，黨 鵬，伏 露

(西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

引 言

鉆桿排放是鉆井作業(yè)中的一項(xiàng)重要操作[1]。動(dòng)力貓道的應(yīng)用已非常廣泛,其整體送鉆過程比較成熟，但是如何把鉆桿排送至動(dòng)力貓道的排管架上卻存在問題。

目前，國內(nèi)地面鉆桿輸送還未達(dá)到自動(dòng)化，大部分排管工作依靠人工搬運(yùn)[2]。在現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)，排管架的一端放置管橋架，管橋架上鋪滿鉆桿，需要用鉆桿時(shí)，工人將鉆桿依次推至排管架上。這種搬運(yùn)鉆桿的方式效率較低，工作強(qiáng)度大，并且工人安全得不到保證。

針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)一種地面自動(dòng)排管裝置，利用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模，對(duì)地面自動(dòng)排管裝置的主要受力部位進(jìn)行力學(xué)分析，采用ANSYS對(duì)受力部件進(jìn)行強(qiáng)度分析，最后對(duì)地面自動(dòng)排管裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排管。

1 自動(dòng)排管裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 地面自動(dòng)排管裝置的結(jié)構(gòu)

地面自動(dòng)排管裝置安裝在動(dòng)力貓道排管架的一旁，主要由管橋架、舉升裝置和傳送裝置3個(gè)部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，管橋架對(duì)稱放置在排管架一旁，舉升裝置和傳送裝置居中放置于排管架和管橋架之間，舉升裝置安裝于傳送裝置上，可在傳送裝置上的軌道滑行。鉆桿依次排放在管橋架上，管橋架主要起承擔(dān)鉆桿的作用，舉升裝置的作用是舉起以及放置鉆桿，傳送裝置主要是帶動(dòng)舉升裝置進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)，達(dá)到運(yùn)送鉆桿的目的。

圖1 地面自動(dòng)排管裝置結(jié)構(gòu)

1.1.1 舉升裝置的結(jié)構(gòu)

當(dāng)鉆桿放置于管橋架的最前端時(shí)，舉升裝置開始工作，其功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆桿的托舉及放下的動(dòng)作。舉升裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，為了保證鉆桿的平穩(wěn)運(yùn)移，舉升裝置的底部設(shè)有4個(gè)車輪，可在軌道上滑行。根據(jù)平行四邊形四連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，將舉升裝置的升降部分設(shè)置為連桿升降，主要由挺桿、支桿、滑道、滑塊、面板和液壓缸組成[3]。2個(gè)滑塊可在滑道上作直線運(yùn)動(dòng)，挺桿的一端固定于耳板，另一端固定于支桿的耳座上，支桿的一端以耳板連接的方式固定于滑塊上，另一端與面板鉸連接。面板設(shè)計(jì)有突出的舉升手臂，且設(shè)有V型槽，被舉起的鉆桿放于V型槽中，可防止運(yùn)送過程中鉆桿滑落。舉升裝置前后端都設(shè)有一連接板，是為了與傳送裝置的鏈條固定連接。滑塊的往返運(yùn)動(dòng)由液壓驅(qū)動(dòng)，液壓缸縮回，滑塊前移，舉升裝置上升；液壓缸伸出，滑塊后移，舉升裝置下降。

圖2 舉升裝置結(jié)構(gòu)

1.1.2 管橋架的結(jié)構(gòu)

管橋架是地面自動(dòng)排管裝置中放置鉆桿的部分，結(jié)構(gòu)如圖3所示。鉆桿依次排放在管橋架上,為了保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，主體用管柱焊接形成三腳架，上方焊有一槽鋼，內(nèi)部放置承梁，鉆桿全部擔(dān)于承梁上。管橋架設(shè)有前、后液壓缸。排入鉆桿時(shí)，后液壓缸將承梁頂起，鉆桿滾至最前端，這使舉升裝置每次都托舉起最前端的鉆桿，節(jié)省了舉升裝置的運(yùn)動(dòng)行程；排出鉆桿時(shí)，前液壓缸將承梁頂起，鉆桿便會(huì)滾至后端，方便后續(xù)排管。為防止液壓缸頂起承梁的角度過大而造成鉆桿因沖擊力滑落的現(xiàn)象發(fā)生，對(duì)頂起的角度進(jìn)行計(jì)算，保證鉆桿在斜面上有微微滾動(dòng)的趨勢(shì)即可，此處詳細(xì)計(jì)算不作說明。

圖3 管橋架結(jié)構(gòu)

1.1.3 傳送裝置的結(jié)構(gòu)

傳送裝置的功能是傳送鉆桿，將鉆桿運(yùn)送至排管架處，或?qū)@桿運(yùn)送至管橋架處。傳送裝置主要由電機(jī)、軌道、皮帶和鏈輪組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。兩個(gè)鏈輪安裝于前后兩端的固定耳板上，其驅(qū)動(dòng)方式為電驅(qū)動(dòng)，通過鏈傳動(dòng)，使舉升裝置在軌道上作往返移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)送鉆桿[4]。

圖4 傳送裝置結(jié)構(gòu)

1.2 地面自動(dòng)排管裝置的工作原理

自動(dòng)排管分為兩個(gè)工作流程，即排入鉆桿與排出鉆桿。排入、排出鉆桿工作原理分別如圖5、圖6所示。圖5、圖6中液壓缸的伸縮、電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)以及位置的檢測(cè)均由控制系統(tǒng)完成[5]。

圖5 排入鉆桿工作原理

圖6 排出鉆桿工作原理

2 力學(xué)分析

2.1 舉升裝置的力學(xué)分析

在進(jìn)行自動(dòng)排管工作時(shí)最重要的就是舉升裝置舉起并運(yùn)送鉆桿的過程，如若主要零部件強(qiáng)度不夠，所受載荷過大，便會(huì)損壞設(shè)備，鉆桿滑落，安全性得不到保證，因此對(duì)舉升裝置重要部件進(jìn)行受力分析，并加以驗(yàn)證。

舉升裝置工作時(shí)主要承受的載荷為鉆桿的自重載荷，排管過程中運(yùn)送直徑為127 mm的鉆桿，并考慮動(dòng)載荷因素，總重力G約為3 200 N(包括面板結(jié)構(gòu)的自重)。

為了便于分析，將面板和支桿分別作為一個(gè)單元體進(jìn)行分析。支桿與面板成θ角時(shí)舉升裝置的受力情況如圖7所示。其中，根據(jù)工作行程的要求，取20°≤θ≤45°。

圖7 支桿與面板成θ角時(shí)舉升裝置的受力情況

2.1.1 面板的受力分析

在圖7中，面板作為一個(gè)單元體，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析。在H鉸點(diǎn)受到了支桿對(duì)其的支撐力FH，在E鉸點(diǎn)受到了兩個(gè)鉸鏈約束力FEx和FEy，整個(gè)面板受到的總重力G=3 200 N。對(duì)平面力系進(jìn)行正交分解[6]，列出平衡方程式：

FHcosθ+FEx=0 ；

(1)

FHsinθ+FEy-G=0；

(2)

(3)

由式(1)、式(2)可得

(4)

(5)

(6)

(7)

由式(4)和式(7)可知，F(xiàn)E和FH都是隨著θ角變化的函數(shù)，將常量G和θ角的變化范圍代入上式，即可求出兩個(gè)力與θ角的變化關(guān)系及力的最大值。FE隨θ角的變化情況如圖8所示，從圖8中可以看出，隨著θ角的不斷增大，F(xiàn)E呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)θ=20°時(shí)，F(xiàn)E為最大值，即FEmax=4.678 kN，F(xiàn)H也為最大值，F(xiàn)Hmax=1.753 kN。

圖8 FE的變化情況

2.1.2 支桿的受力分析

在圖7中，將支桿作為一個(gè)單元體，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析。支桿在鉸點(diǎn)D受到挺桿的作用力FD，在鉸點(diǎn)B受到滑板的約束力FBx和FBy，在鉸點(diǎn)E受到了兩個(gè)鉸鏈約束力FEx和FEy，在鉸點(diǎn)E還受到了面板的約束反力F′Ex和F′Ey，其中F′Ex=FEx，F(xiàn)′Ey=FEy。對(duì)平面力系進(jìn)行正交分解，列出平衡方程式：

FBx-F′Ex-FDcosθ=0；

(8)

FBy-F′Ey+FDsinθ=0；

(9)

(10)

由式(10)可得

(11)

由式(8)和式(9)可得

(12)

(13)

(14)

由式(11)—式(14)可知，F(xiàn)D和FB都是隨著θ角變化的函數(shù)，其中L1=500 mm，L2=1 127 mm 。將已知量L1和L2代入上式，即可求出兩個(gè)力與θ角的變化關(guān)系及力的最大值。FD的變化情況如圖9所示，從圖9中可以看出，隨著θ角的不斷增大，F(xiàn)D呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)θ=20°時(shí)，F(xiàn)D為最大值，即FDmax=923 N，F(xiàn)B也為最大值，F(xiàn)Bmax=10 731 N。

圖9 FD的變化情況

在鉸點(diǎn)D處的應(yīng)力

(15)

由式(15)可知，舉升鉆桿的過程中，D點(diǎn)的最大應(yīng)力σDmax=203.6 MPa。

2.2 支桿的有限元強(qiáng)度分析

2.2.1 材料設(shè)置、網(wǎng)格劃分與載荷施加

舉升裝置的主要受力件為桿件，因此對(duì)桿件進(jìn)行有限元分析。簡化面板結(jié)構(gòu)，對(duì)一側(cè)桿件進(jìn)行分析即可。將簡化的模型導(dǎo)入ANSYS workbench，設(shè)置桿件材料為Q345[7]。材料的具體參數(shù)見表1。

表1 Q345的性能參數(shù)

材料屬性設(shè)置后，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格單元設(shè)置成四面體單元，網(wǎng)格整體尺寸20 mm，關(guān)鍵桿件15 mm，關(guān)鍵面4 mm，所生成的網(wǎng)格單元數(shù)為171 405，節(jié)點(diǎn)數(shù)277 444。使用正交質(zhì)量評(píng)估對(duì)生成的網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，網(wǎng)格質(zhì)量符合要求。

由于模型的簡化，在分析時(shí)總重力取原總重力的一半(包括結(jié)構(gòu)自重)，將安全系數(shù)考慮在內(nèi)，安全系數(shù)ns取為2，根據(jù)舉升裝置實(shí)際的工作情況，在簡化的面板結(jié)構(gòu)上施加F=3 200 N的力，方向豎直向下，模型底部設(shè)有靜力支撐。在分析中，各個(gè)部件的接觸方式均為摩擦接觸，摩擦系數(shù)設(shè)為0.2。

2.2.2 有限元分析

(1)桿件的位移云圖分析

在有限元分析中，系統(tǒng)根據(jù)所添加的載荷與約束條件，計(jì)算出X、Y、Z3個(gè)方向的變形量。模型的總變形量由

(16)

得出。

經(jīng)過系統(tǒng)的整體運(yùn)算，得出桿件的位移云圖，如圖10所示。施加的力的具體位置在圖10中用箭頭標(biāo)出。從圖10中可看出，排管過程中，當(dāng)θ=20°時(shí)，模型的最大位移變形發(fā)生在面板前端，最大位移變形量為4.549 7 mm，在合理的變形范圍內(nèi)。

圖10 桿件位移云圖

(2)桿件的應(yīng)力云圖分析

通過運(yùn)行ANSYS分析算例，計(jì)算得出桿件的應(yīng)力云圖，如圖11所示。由圖11可知，模型的最大應(yīng)力發(fā)生在支桿與支桿耳座接觸的邊緣處。最大應(yīng)力值為241.89 MPa，該值接近于上文的計(jì)算值σDmax=203.6 MPa，且小于材料的屈服強(qiáng)度345 MPa(由于施加力的時(shí)候已將安全系數(shù)考慮在內(nèi)，可直接將分析值與材料屈服強(qiáng)度做比較)。

圖11 桿件應(yīng)力云圖

通過ANSYS靜力學(xué)分析，得出了桿件的位移云圖和應(yīng)力云圖，分析結(jié)果表明，最大應(yīng)力的計(jì)算值與分析值接近，桿件的設(shè)計(jì)合理，變形量較小，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)需求，在實(shí)際使用中也可保證足夠的安全余量。

3 舉升裝置的運(yùn)動(dòng)仿真

在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)，假設(shè)鉆桿已置于管橋架最前端，只運(yùn)算舉升鉆桿和傳送鉆桿的過程。首先定義運(yùn)動(dòng)體的質(zhì)量屬性，本次仿真選擇系統(tǒng)默認(rèn)指派的材料、慣性、質(zhì)量等屬性來定義運(yùn)動(dòng)體。

利用SolidWorks進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，流程如下：

(1)利用SolidWorks進(jìn)行建模，進(jìn)入裝配模塊，將各個(gè)零部件虛擬裝配，確定運(yùn)動(dòng)體的自由度。

(2)進(jìn)入SolidWorks運(yùn)動(dòng)算例模塊，創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)分析方案；添加所需要的力以及驅(qū)動(dòng)，確定力和運(yùn)動(dòng)的方向等。

(3)計(jì)算運(yùn)動(dòng)算例，生成圖表并分析。

3.1 運(yùn)動(dòng)仿真方案的建立

進(jìn)入SolidWorks “運(yùn)動(dòng)算例”界面，選擇“Motion分析”模塊，對(duì)排管過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。首先，建立運(yùn)動(dòng)算例，將傳送裝置的軌道、電機(jī)設(shè)為固定，其他零部件均為浮動(dòng)。在面板上添加一個(gè)3 200 N的重力，方向豎直向下，給舉升裝置的液壓缸添加直線馬達(dá)，速度設(shè)置為等速20 mm/s，給鏈輪添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，速度設(shè)置為100 r/min，仿真運(yùn)算時(shí)間設(shè)為24 s，點(diǎn)擊“計(jì)算運(yùn)動(dòng)算例”，SolidWorks開始進(jìn)行分析[8]。通過運(yùn)動(dòng)仿真分析，得出機(jī)構(gòu)的位移、速度的運(yùn)動(dòng)特征。

仿真時(shí)，裝配體在運(yùn)動(dòng)算例下所完成的各個(gè)動(dòng)作見表2。

表2 運(yùn)動(dòng)算例中的動(dòng)作流程

3.2 仿真結(jié)果分析

舉升裝置上升、下降的速度與時(shí)間的關(guān)系如圖12所示。從圖12中的仿真曲線可以看出，舉升裝置在托舉鉆桿、放下鉆桿時(shí)，整個(gè)過程都是平穩(wěn)運(yùn)行，并且6 s的上升時(shí)間完全可實(shí)現(xiàn)將鉆桿舉起一定的高度，或?qū)@桿平穩(wěn)地放在排管架上。

圖12 舉升裝置的速度與時(shí)間關(guān)系

舉升裝置運(yùn)送鉆桿時(shí)位移與時(shí)間的關(guān)系如圖13所示。從圖13中可以看出，舉升裝置運(yùn)送鉆桿的過程較為平穩(wěn)，運(yùn)動(dòng)行程為2.5 m，滿足設(shè)計(jì)需求。

圖13 舉升裝置運(yùn)送鉆桿的位移與時(shí)間關(guān)系

通過仿真分析，驗(yàn)證了該裝置設(shè)計(jì)的合理性，并且符合實(shí)際工作的要求[9-10]。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)地面自動(dòng)排管的工作要求以及實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了管橋架、舉升裝置和傳送裝置。通過對(duì)鉆桿的位置處理、托舉、運(yùn)送和下放，達(dá)到了自動(dòng)排管的目的，減少了勞動(dòng)力，排管效率提高。

(2)分別對(duì)舉升裝置的面板和支架進(jìn)行了受力分析。最主要的兩個(gè)受力點(diǎn)為面板的鉸鏈E處和支桿的鉸鏈D處，受力大小均為夾角θ的函數(shù)，隨著θ角(20°≤θ≤45°)逐漸增大，受力逐漸減小。當(dāng)θ=20°時(shí)，E和D處所受力的最大值分別為4 678 N和923 N，D處的最大應(yīng)力為203.6 MPa，并在該狀態(tài)下對(duì)桿件進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果顯示，最大位移變形發(fā)生在面板前端，最大位移變形量為4.549 7 mm，最大應(yīng)力發(fā)生在支桿與支桿耳座接觸的邊緣處，最大應(yīng)力值為241.89 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度。

(3)利用SolidWorks對(duì)地面自動(dòng)排管裝置進(jìn)行三維建模，在運(yùn)動(dòng)算例界面對(duì)該裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，其三維動(dòng)畫效果以及仿真曲線表達(dá)了自動(dòng)排管的工作過程以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律。動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果表明，地面自動(dòng)排管裝置的設(shè)計(jì)合理，符合工作要求。