修井作業(yè)機(jī)械臂受力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王金龍 ，張俊亮 ，張夏琦 ，陳 輝

（1.濰坊學(xué)院 建筑工程學(xué)院，山東 濰坊 261061；2.德州學(xué)院，山東 德州 253023；3.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

1 引言

小修井作業(yè)是石油與天然氣開采過程中的重要環(huán)節(jié)。油氣井生產(chǎn)過程中，隨時(shí)會(huì)發(fā)生各類故障，因而在石油的開采中小修井任務(wù)頻繁且復(fù)雜。在我國油氣田每年進(jìn)行的10多萬次各類小修井作業(yè)中，井口起下管桿作業(yè)，即利用井口裝備進(jìn)行起下管柱（包括油管、套管和鉆桿等，以下統(tǒng)稱管柱）的作業(yè)施工，是工作頻率最高的作業(yè)形式，所耗費(fèi)的時(shí)間一般要占修井總用時(shí)的70%以上[1-3]。

本文以修井作業(yè)機(jī)械臂為研究對(duì)象，利用Solidworks軟件對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行三維建模，通過ANSYS Workbench對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，得到機(jī)械臂在哪個(gè)部位的變形和應(yīng)力最大，并依據(jù)仿真結(jié)果對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，分析流程如圖1所示。

圖1 分析流程圖

2 機(jī)械臂靜力學(xué)分析

2.1 建立機(jī)械臂有限元模型

本文運(yùn)用SolidWorks三維繪圖軟件對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行三維模型繪制，得到的模型圖如圖2所示。

圖2 機(jī)械臂三維模型圖

由于實(shí)際工作中，機(jī)械臂的前部抓取部件受力較為復(fù)雜，因此本文主要研究機(jī)械臂抓取部件的結(jié)構(gòu)特性，如圖3所示，并將繪制好機(jī)械抓手模型文件保存成x_t格式。

圖3 機(jī)械抓手三維圖

2.2 機(jī)械抓手材料屬性的定義

打開ANSYS Workbench仿真軟件建立靜力學(xué)分析模塊，將機(jī)械抓手的x_t格式文件導(dǎo)入其中，機(jī)械抓手的材料設(shè)置屬性如表1所示。

表1 機(jī)械抓手材料屬性

2.3 網(wǎng)格劃分

由于網(wǎng)格劃分的尺寸對(duì)計(jì)算時(shí)間和結(jié)果有一定的影響，因此根據(jù)本文研究模型的尺寸和精度要求，本次網(wǎng)格的尺寸大小設(shè)置為5mm，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示，得到節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)679018個(gè)，單元個(gè)數(shù)433152個(gè)。

圖4 機(jī)械抓手的網(wǎng)格劃分圖

2.4 靜力學(xué)分析

根據(jù)修井作業(yè)的工作情況，機(jī)械抓手主要作用是抓取和搬運(yùn)油管，經(jīng)過查找文獻(xiàn)[4-6]以及目前油田實(shí)際工作環(huán)境，確定了機(jī)械抓手的受力位置以及載荷大小，然后對(duì)機(jī)械抓手施加相應(yīng)的約束條件進(jìn)行受力分析，分析結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 機(jī)械抓手的總變形云圖

圖6 機(jī)械抓手的等效應(yīng)力云圖

根據(jù)圖5和圖6可知，機(jī)械臂的抓手部分為主要變形部分，最大變形在抓手部分的前端，總變形為0.1492mm，同時(shí)，在抓手下部連接處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為50.026MPa，滿足材料的性能要求。

3 機(jī)械臂抓手的模態(tài)分析

模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析中的基礎(chǔ)內(nèi)容，其通用方程的表達(dá)式為：

因阻尼對(duì)本文影響不大，可以忽略不計(jì)，于是式（1）可簡化為：

結(jié)構(gòu)的振動(dòng)為簡諧振動(dòng)，故 ，將公式代入公式（2）中為：

根據(jù)上述理論，利用Workbench對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到了機(jī)械抓手的前六階模態(tài)的變形云圖，如圖7所示。

圖7 機(jī)械臂的前六階振型

由圖7可知，機(jī)械抓手在頻率266.89Hz時(shí)受到最小變形，最小變形為15.768mm，在頻率362.05Hz時(shí)受到最大變形，最大變形為31.443mm，機(jī)械抓手容易受到變形的地方為前抓部分。

4 機(jī)械臂的優(yōu)化

通過對(duì)機(jī)械臂抓手的靜力學(xué)分析結(jié)果得到機(jī)械臂抓手連接部位出現(xiàn)了應(yīng)力集中，為了防止應(yīng)力集中對(duì)機(jī)械臂帶來的影響，對(duì)此進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，文中對(duì)模型的網(wǎng)格劃分沒進(jìn)行細(xì)化處理，因此本次對(duì)產(chǎn)生應(yīng)力集中的面進(jìn)行細(xì)化處理，得到更為準(zhǔn)確的數(shù)值。

消除應(yīng)力集中的最好辦法就是設(shè)置圓角，在應(yīng)力集中的地方設(shè)置半徑為3mm的圓角。然后再一次對(duì)模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到優(yōu)化后的模型的總變形圖和應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8 機(jī)械臂抓手的優(yōu)化改進(jìn)圖

由圖8可以看出，優(yōu)化后的模型最大變形為0.1394mm，最大應(yīng)力為44.261MPa，與優(yōu)化前的結(jié)果相對(duì)比應(yīng)力減少了11.52%，變形減少了0.98%，對(duì)于應(yīng)力集中問題，大大提升了機(jī)械設(shè)備的可靠性。

5 結(jié)論

以修井作業(yè)機(jī)械臂抓手作為研究對(duì)象，對(duì)機(jī)械臂的關(guān)鍵零部件機(jī)械抓手進(jìn)行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，接著對(duì)機(jī)械抓手進(jìn)行優(yōu)化處理，結(jié)果如下：

（1）初次對(duì)模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，最大變形處在前抓手部分，得到模型會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中；

（2）對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析得知模型在頻率362.05Hz時(shí)產(chǎn)生的變形最大；

（3）優(yōu)化后的模型最大應(yīng)力比優(yōu)化前結(jié)果減小了11.52%，減輕了應(yīng)力集中的效果。