修井用鉆臺(tái)機(jī)械手設(shè)計(jì)與仿真

關(guān)春麗

(勝利油田勝機(jī)石油裝備有限公司,山東 東營(yíng) 257000)

近年來(lái),隨著修井作業(yè)裝備應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展,油田對(duì)修井作業(yè)提速提效、降低人工成本、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度及提高修井作業(yè)自動(dòng)化水平等有了較高的要求,具有安全性好且自動(dòng)化控制水平高的管柱處理系統(tǒng)越來(lái)越受到油田用戶的青睞。鉆臺(tái)機(jī)械手是管柱處理系統(tǒng)的重要組成設(shè)備,可以代替人工實(shí)現(xiàn)管柱在操作平臺(tái)和排放架之間的移送操作[1-4]。目前,應(yīng)用于大修修井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的鉆臺(tái)機(jī)械手普遍存在對(duì)中不準(zhǔn)確、作業(yè)效率低、自動(dòng)化程度不高等問(wèn)題,部分自動(dòng)化程度較高的鉆臺(tái)機(jī)械手用于修井作業(yè)時(shí)也存在著體積大、安裝拆卸困難,人工作業(yè)時(shí)無(wú)法避讓、影響工作等問(wèn)題。因此,研制一種多功能集成、精確定位、自動(dòng)化程度高、可避讓井口位、便于搬家與安裝的鉆臺(tái)機(jī)械手是自動(dòng)化修井管柱處理系統(tǒng)的關(guān)鍵。

國(guó)外早在20世紀(jì)50年代便開始對(duì)修井井口操作機(jī)械化裝置進(jìn)行研究。目前以NOV和RDS等鉆井公司為代表,在鉆具排放機(jī)械手和鉆臺(tái)機(jī)器人等領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究,形成了工業(yè)樣機(jī),但智能化的鉆臺(tái)機(jī)器人并未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用[5]。

國(guó)內(nèi)少量公司針對(duì)鉆具排放和推扶等動(dòng)作研制了簡(jiǎn)單的鉆臺(tái)排管機(jī)構(gòu),但動(dòng)作路徑單一、穩(wěn)定性差、效率低,自動(dòng)化程度不高,且多適用于鉆井作業(yè)[6-7]。

針對(duì)上述問(wèn)題,研制了一種修井用鉆臺(tái)機(jī)械手。該設(shè)備采用機(jī)、電、液相結(jié)合的技術(shù),具有行走、伸縮、旋轉(zhuǎn)、抓取功能,可實(shí)現(xiàn)對(duì)貓道輸送單根的接送、管柱在鉆臺(tái)面的擺放、井口管柱的對(duì)扣等。該鉆臺(tái)機(jī)械手的成功研制對(duì)于提高作業(yè)效率、降低人工成本、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改善施工環(huán)境、提升修井作業(yè)自動(dòng)化水平等具有重要意義。

1 技術(shù)分析

1.1 主要結(jié)構(gòu)及原理

研制的鉆臺(tái)機(jī)械手主要由行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、立柱總成、臂架總成、夾爪總成、動(dòng)力總成、檢測(cè)及控制系統(tǒng)等組成[8],設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。在大修自動(dòng)化作業(yè)中,鉆臺(tái)機(jī)械手主要負(fù)責(zé)扶持管柱下端,限制其擺動(dòng),推扶其到井口輔助對(duì)扣或移動(dòng)到立根盒指定位置,配合二層臺(tái)機(jī)械手完成管柱擺放。在下鉆或起鉆過(guò)程中鉆臺(tái)機(jī)械手具有初始位、下鉆等待位和起鉆等待位、井口位,各位置參數(shù)由司鉆控制系統(tǒng)集中設(shè)定。

1-行走機(jī)構(gòu);2-回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu);3-臂架總成;4-夾爪總成;5-立柱總成;6-動(dòng)力總成。圖1 鉆臺(tái)機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

推扶管徑范圍 ?60～?89 mm

徑向推力 1 500 N

推扶半徑 2 100 mm

回轉(zhuǎn)角度 ±180°

1.3 主要技術(shù)特點(diǎn)

1) 鉆臺(tái)機(jī)械手采用多功能集成技術(shù),使用程序控制和液壓驅(qū)動(dòng)[9-10],可以完成行走、伸縮、旋轉(zhuǎn)、抓取動(dòng)作,在起鉆或下鉆流程中實(shí)現(xiàn)管柱在鉆臺(tái)面的擺放、單根接送、井口對(duì)扣、推扶吊環(huán)等功能,作業(yè)效率較高且適應(yīng)性強(qiáng),能夠適應(yīng)油田大修作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣復(fù)雜的施工環(huán)境。

2) 鉆臺(tái)機(jī)械手采用模塊化設(shè)計(jì),設(shè)備可整體吊裝并通過(guò)螺栓固定安裝于鉆臺(tái)面,自動(dòng)化修井作業(yè)時(shí)只需將進(jìn)油、回油、卸油管線及電氣控制管線通過(guò)快插接頭與鉆臺(tái)面相應(yīng)管線連接即可使用,設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小、穩(wěn)定性好、便于移動(dòng)和搬運(yùn)。

3) 鉆臺(tái)機(jī)械手采用布置讓位技術(shù),它可沿底座軌道滑行,具有初始位、避讓位、起鉆等待位和下鉆等待位、井口位5個(gè)工位,工作狀態(tài)靈活可變,既可避讓貓道送管,又可完成井口指定動(dòng)作。當(dāng)有突發(fā)故障時(shí),鉆臺(tái)機(jī)械手還可快速退回到初始工位,拆除活動(dòng)底座讓出井口操作空間,恢復(fù)人工作業(yè)模式,此時(shí)鉆臺(tái)無(wú)凸起,提高操作安全性。

4) 鉆臺(tái)機(jī)械手采用精確定位技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確擺管及精確對(duì)扣,上述技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要取決于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的緊湊穩(wěn)定性、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的精密可靠性和控制技術(shù)的精確反饋性,通過(guò)傳感檢測(cè)技術(shù)和智能控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)鉆臺(tái)機(jī)械手的高精度定位[11-13]。

5) 鉆臺(tái)機(jī)械手由司鉆集成控制,操控模式分為手動(dòng)和自動(dòng),可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況自主選擇操控模式,智能化的司鉆集成控制模式[14]有效提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,大幅提高了作業(yè)效率。

2 鉆臺(tái)機(jī)械手臂架靜力學(xué)分析

鉆臺(tái)機(jī)械手中的臂架主要連接立柱總成與夾爪總成,臂架在油缸的驅(qū)動(dòng)下做變幅運(yùn)動(dòng),完成鉆臺(tái)機(jī)械手在水平方向的運(yùn)動(dòng)和定位,實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)夾爪總成快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確地向目標(biāo)管具移動(dòng)的目的。臂架是鉆臺(tái)機(jī)械手的重要承載部件,其設(shè)計(jì)水平直接影響鉆臺(tái)機(jī)械手的工作性能和經(jīng)濟(jì)性,故根據(jù)工況及載荷情況對(duì)臂架進(jìn)行受力分析十分重要。

臂架為復(fù)合平行四連桿機(jī)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如圖2所示。兩個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)通過(guò)下連接座連接在一起,并與姿態(tài)控制連桿、變幅油缸共同組成曲臂結(jié)構(gòu)。當(dāng)變幅油缸伸長(zhǎng)時(shí),后主臂相對(duì)于下連接座做向前變幅運(yùn)動(dòng),同時(shí)在平行四邊形機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下,后輔臂同步變幅并通過(guò)姿態(tài)控制連桿推動(dòng)前主臂,前主臂與前輔臂因此推動(dòng)上連接座向前做變幅運(yùn)動(dòng),從而帶動(dòng)夾爪總成向前運(yùn)動(dòng)。反之,當(dāng)變幅油缸縮回時(shí),各連桿都將反向運(yùn)動(dòng),即向后變幅運(yùn)動(dòng)[15]。

1-上連接座;2-前主臂;3-前輔臂;4-姿態(tài)控制連桿;5-下連接座;6-后主臂;7-后輔臂;8-變幅油缸;9-固定連接座。圖2 臂架結(jié)構(gòu)示意圖

臂架工作過(guò)程為緩慢低速,機(jī)構(gòu)的受力分析可視為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程,臂架重力、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和各鉸接點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦的影響可以忽略。取臂架伸出某一角度時(shí)的狀態(tài)為對(duì)象,用解析法對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)分析,將各構(gòu)件鉸點(diǎn)之間的長(zhǎng)度與角度設(shè)為已知,如圖3所示,根據(jù)各構(gòu)件力平衡及力矩平衡以及各構(gòu)件之間的角度和長(zhǎng)度關(guān)系,最終求得臂架各連接鉸點(diǎn)的受力大小及方向,以及各二力桿件的軸向力大小[16-17]。

圖3 臂架變幅機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件長(zhǎng)度與角度關(guān)系

將臂架的各構(gòu)件分別進(jìn)行受力分析,如圖4～9所示。分別取后主臂、后輔臂、前主臂、前輔臂、下連接座、上連接座取力平衡、力矩平衡,總共18個(gè)方程聯(lián)立求解,如圖10所示。

圖4 后輔臂受力簡(jiǎn)圖

圖5 后主臂受力簡(jiǎn)圖

圖6 前輔臂受力簡(jiǎn)圖

圖7 前主臂受力簡(jiǎn)圖

圖8 下連接座受力簡(jiǎn)圖

圖9 上連接座受力簡(jiǎn)圖

圖10 各構(gòu)件力與力矩平衡方程

針對(duì)臂架各構(gòu)件所列的力平衡與力矩平衡方程為理論方程,可為讀者提供一種計(jì)算復(fù)合平行四連桿機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件受力的思路,可將角度、長(zhǎng)度,外部推力等具體參數(shù)代入如下方程進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算。將臂架處于最危險(xiǎn)工況時(shí)的上述參數(shù)代入如下方程進(jìn)行計(jì)算,得到每個(gè)構(gòu)件所受最大載荷,再根據(jù)桿件受軸向載荷時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算公式(公式1)和桿件彎曲時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算公式(公式2)及受組合載荷時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算公式(公式3),對(duì)臂架每個(gè)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度校核,從而驗(yàn)證可知臂架各構(gòu)件滿足強(qiáng)度理論要求。

桿件只受軸向載荷時(shí)的強(qiáng)度校核公式為:

(1)

桿件彎曲時(shí)的強(qiáng)度校核公式為:

(2)

桿件同時(shí)受軸向載荷與垂直軸線載荷產(chǎn)生組合變形時(shí)的強(qiáng)度校核公式為:

(3)

式中:σmax為最大工作應(yīng)力,MPa;FN為危險(xiǎn)截面處的軸向載荷,N;A為桿件危險(xiǎn)截面的面積,mm;M為危險(xiǎn)截面處的彎矩,N.mm;WZ為危險(xiǎn)截面的抗彎截面模量,mm3;[σ]為材料的的許用應(yīng)力,MPa。

3 鉆臺(tái)機(jī)械手臂架仿真分析

為了更加詳細(xì)地了解鉆臺(tái)機(jī)械手推扶管柱過(guò)程中臂架的運(yùn)動(dòng)特性,下面運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)臂架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。從上述論述可知,臂架主要是完成鉆臺(tái)機(jī)械手在起鉆等待位或下鉆等待位與井口位之間的伸縮動(dòng)作,主要依靠變幅油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)臂架帶動(dòng)夾爪扶持管柱水平移動(dòng)的目的。

根據(jù)需要在Solidworks中簡(jiǎn)化臂架三維模型,轉(zhuǎn)化模型格式后導(dǎo)入到ADAMS中建立臂架的虛擬樣機(jī)[18-19]。根據(jù)實(shí)際工況為模型添加材料、約束、驅(qū)動(dòng)及載荷,進(jìn)行仿真分析,其中載荷主要為立根對(duì)夾爪的水平壓力1 500 N。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況可知,臂架變幅油缸先做加速運(yùn)動(dòng),最后再做減速運(yùn)動(dòng)直到速度為零。為保證變幅油缸的速度驅(qū)動(dòng)函數(shù)的設(shè)定盡可能符合實(shí)際工況,采用機(jī)構(gòu)學(xué)中的凸輪曲線理論設(shè)定驅(qū)動(dòng)函數(shù),在凸輪曲線理論中加速度主要有等加速度、擺線加速度、5次多項(xiàng)式加速度[20],如表1所示。

表1 凸輪曲線理論加速度表達(dá)式

本文選擇等加速度驅(qū)動(dòng)對(duì)臂架進(jìn)行仿真分析。據(jù)已知條件,臂架伸展到最遠(yuǎn)姿態(tài)時(shí),變幅油缸處于最大行程S為210 mm的位置。假設(shè)變幅液缸完全伸出時(shí)間t=16 s,在0～6 s之間做初速度為零的勻加速運(yùn)動(dòng),則t1=6 s;在6～10 s之間做勻速運(yùn)動(dòng),則t2=4 s;在10～16 s之間做勻減速運(yùn)動(dòng),則t3=6 s。由以上假設(shè)條件可知,在0 s和16 s時(shí),變幅油缸伸出的速度為0。

3.1 等加速度驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)定

將以上數(shù)據(jù)代入位移公式:

(4)

求得 :

a=3.5 mm/s2

根據(jù)驅(qū)動(dòng)加速/度a,設(shè)定變幅油缸的加速度驅(qū)動(dòng)函數(shù):

IF(time-6:3.5,0,IF(time-10:0,-3.5,-3.5))

3.2 等加速度驅(qū)動(dòng)仿真分析

將等加速度驅(qū)動(dòng)函數(shù)添加到臂架仿真模型變幅油缸上,進(jìn)行仿真分析結(jié)果如圖11～16所示。

圖11 變幅油缸加速度曲線

由圖11可知,變幅油缸的加速度曲線不連續(xù)、在第6 s和第10 s存在間斷點(diǎn),加速度具有跳躍性。由圖12可知,在速度曲線中,速度在這兩個(gè)時(shí)刻同樣存在明顯折點(diǎn),說(shuō)明臂架在伸展過(guò)程中可能存在振動(dòng)。但希望變幅油缸的運(yùn)動(dòng)是平滑的,即從始點(diǎn)到終點(diǎn)的加速度、速度曲線都是連續(xù)的,所以應(yīng)合理設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng),控制變幅油缸的進(jìn)油和回油速度,使變幅油缸在臂架伸展過(guò)程中平穩(wěn)運(yùn)行。

圖12 變幅油缸速度曲線

由圖13可知,變幅油缸的位移曲線平滑上升,隨著時(shí)間的延長(zhǎng)位移逐漸增大,在第16 s仿真結(jié)束,位移達(dá)到最大值210 mm。曲線趨勢(shì)與油缸真實(shí)位移變化相符。

圖13 變幅油缸位移曲線

由圖14可知,當(dāng)臂架完全縮回且受立根對(duì)夾爪的1 500 N的水平壓力時(shí),變幅油缸若想驅(qū)動(dòng)臂架展開,需要提供的最大推力為15 898 N。隨著臂架的展開,變幅油缸與水平方向的夾角逐漸減小,克服負(fù)載需要提供的推力也在逐漸減小。當(dāng)臂架完全展開后,變幅油缸提供的推力達(dá)到最小值10 936 N。以上曲線可作為變幅油缸計(jì)算選型的參考依據(jù)。

圖14 變幅油缸推力曲線

由圖15可知,夾爪水平方向的最小位移為597 mm,隨著變幅油缸的伸出,夾爪水平位移逐漸增大,最大水平位移為2 400 mm。該曲線說(shuō)明鉆臺(tái)機(jī)械手能夠滿足預(yù)定的扶管半徑2 100 mm要求。由圖16可知,臂架在展開過(guò)程中,夾爪在豎直方向的位移發(fā)生變化,由最初的-45 mm變?yōu)?130 mm,該方向的位移變化對(duì)鉆臺(tái)機(jī)械手豎直方向的控制影響不大,可不做考慮。

圖15 夾爪水平位移曲線

圖16 夾爪豎直位移曲線

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

自2021年至今,設(shè)計(jì)的鉆臺(tái)機(jī)械手配套其他大修自動(dòng)化設(shè)備已經(jīng)在勝利油田推廣應(yīng)用,應(yīng)用超過(guò)百余口井次。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,安全可靠,解放了勞動(dòng)力,提高了作業(yè)效率,具有較大的市場(chǎng)推廣價(jià)值,鉆臺(tái)機(jī)械手現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用如圖17所示。

圖17 鉆臺(tái)機(jī)械手現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5 結(jié)論

1) 針對(duì)油田修井作業(yè)需求和裝備應(yīng)用現(xiàn)狀, 提出了一種新型修井用鉆臺(tái)推扶管裝置,并給出具體方案。鉆臺(tái)機(jī)械手的成功研制與應(yīng)用,改變了傳統(tǒng)的人工作業(yè)模式,實(shí)現(xiàn)了大修修井作業(yè)時(shí)管柱在鉆臺(tái)面排放的無(wú)人值守,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了作業(yè)效率。

2) 采用靜力學(xué)分析方法對(duì)臂架各構(gòu)件進(jìn)行受力分析,驗(yàn)證在最危險(xiǎn)工況時(shí)臂架滿足強(qiáng)度理論要求。應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)臂架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析,得到變幅油缸的運(yùn)動(dòng)特性曲線及驅(qū)動(dòng)力曲線,為鉆臺(tái)機(jī)械手臂架軌跡控制及變幅油缸計(jì)算選型提供依據(jù);驗(yàn)證了鉆臺(tái)機(jī)械手水平推力及推扶半徑滿足技術(shù)參數(shù)要求。 研究結(jié)論既可為產(chǎn)品技術(shù)升級(jí)奠定基礎(chǔ),也可為其他技術(shù)人員開展同類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型提供依據(jù)。