鉆機頂驅系統(tǒng)背鉗機構設計及仿真*

□于萍 □張鵬 □張春鵬 □效志輝

吉林大學機械科學與工程學院 長春 130025

目前，國內(nèi)頂部驅動鉆井裝備與國外相比，無論是在結構上還是在可靠性方面，都存在著很大的差距。鉆機頂驅系統(tǒng)的重要組成部分背鉗，主要用來完成鉆桿的上卸扣作業(yè)，此外也可利用背鉗來更換保護接頭和內(nèi)防噴器。頂驅在進行上卸扣作業(yè)時，其背鉗要夾緊鉆桿，此時背鉗的左鉗牙和右鉗牙很難做到同時夾緊鉆桿及左右夾緊力相同。夾緊力不均衡會造成鉗牙的磨損和鉆桿的劃傷，減少鉆桿的使用壽命。頂驅鉆機的工作地點環(huán)境惡劣、工作強度大，背鉗機構的故障率很高，這就需要提高背鉗機構的工作可靠性。

1 背鉗的結構設計

根據(jù)背鉗功能進行背鉗機構設計，結構如圖1所示。側掛式背鉗結構主要由前扶正環(huán)、后扶正環(huán)、導向環(huán)、背鉗本體、背鉗支架、背鉗托座、彈簧等組成。

如圖2所示，當液壓油進入無桿腔，液壓缸缸筒與浮動安裝座同時移動，液壓缸左移、浮動安裝座右移來夾緊鉆桿。當液壓油進入有桿腔，液壓缸缸筒向右移動，帶動右鉗頭遠離鉆桿，同時浮動安裝座左移，左鉗頭遠離鉆桿。當背鉗不工作時，調(diào)整背鉗液壓缸內(nèi)部壓力，使壓力保持恒定，這時背鉗鉗頭處于浮動狀態(tài)，即不影響頂驅裝置正常工作［1］。

液壓缸活塞桿與浮動安裝座采用的是固定連接，4個連接銷釘與液壓缸剛性連接，浮動安裝座隨著活塞桿的移動而移動，液壓油通過夾緊活塞內(nèi)部的通道進入液壓缸。液壓缸的缸筒與浮動安裝座可以產(chǎn)生相對位移，浮動安裝座可以在背鉗外殼內(nèi)部產(chǎn)生位移。

2 背鉗機構的運動學仿真

2.1 背鉗機構的仿真模型

根據(jù)系統(tǒng)模型的實際運動情況，在構件間建立相應的約束運動副，這些運動副可以使被約束構件間具有一定的運動關系。從而使模型中各獨立的部件相互聯(lián)系在一起，按照設計的運動軌跡實現(xiàn)運動。使用ADAMS/view中的函數(shù)編輯器定義相應的背鉗運動，背鉗機構的仿真模型如圖3所示。

2.2 背鉗機構的運動學計算

研究機械系統(tǒng)的速度、加速度、位置以及約束力是運動學仿真的主要目標，因此運動學方程［2］的求解只需要求解約束方程：

式中：Φ為雅克比矩陣；q為廣義坐標；tn為任意時刻。

在約束方程中，tn位置的計算，能夠運用約束方程的迭代法獲得：

▲圖1 側掛式背鉗的結構示意圖

▲圖2 背鉗整體結構剖視圖

▲圖3 背鉗機構虛擬仿真模型

任意時刻tn的速度和加速度都可以運用數(shù)值方法中的線性方程求解，ADAMS軟件中有兩種求解方法：Harwell法和Calahan法，前者可以處理冗余約束問題,而后者不能，但后者比較快捷。運用Calahan法計算任意時刻tn的速度和加速度的公式如下：

式中：Φq是雅可比矩陣，設Φ的維數(shù)是m，q的維數(shù)是n，可得Φq就是m×n的矩陣。

2.3 背鉗機構的仿真曲線

運動學仿真分析就是根據(jù)機械系統(tǒng)的實際工作情況，對背鉗裝置上卸扣過程中所關心部件的位置、加速度和速度進行仿真分析，獲得機構運動曲線，并檢驗其正確性。在整個背鉗裝置運動過程中，可以分為五個運動部分：右背鉗、左背鉗、鉆桿、液壓缸、浮動安裝座，每一個運動部件都發(fā)生了兩次運動過程［3］。

本文只對背鉗裝置右鉗頭的位置、速度和加速度的變化曲線進行分析。

2.4 右背鉗夾緊過程

圖4和5圖所示為右鉗頭Z軸位置變化曲線和右鉗頭總體位置變化曲線圖，從圖中可以清晰地看出，Z軸方向的位置變化比較明顯，X軸方向位置沒有任何變化，在Y軸方向，位置曲線只有很微小的變化，這是由于某些慣性載荷或者振動造成的。Z軸方向在0～5 s的過程中運動了大約20 mm距離。背鉗裝置夾緊過程的前階段和后階段位移變化比較小，在整個夾緊過程中位移變化比較平穩(wěn)。

圖6所示為右鉗頭速度變化曲線，在背鉗夾緊的過程中，鉗頭的速度先平穩(wěn)增加，然后又平穩(wěn)下滑，當時間到2.5 s時,背鉗的運動速度達到最大，且背鉗裝置鉗頭的最大運動速度為6 mm/s。右鉗頭速度變化曲線變化穩(wěn)定，滿足背鉗設計要求。

▲圖7 右鉗頭加速度變化曲線

▲圖8 右鉗頭松開過程的位置變化曲線

▲圖9 右鉗頭松開過程時速度和加速度變化曲線

圖7所示為右鉗頭加速度變化曲線，背鉗鉗頭剛夾緊時加速度為零，然后在很少的時間內(nèi)急速上升，當加速度達到最大（約4.5 mm/s2）以后加速度開始平穩(wěn)變化，到2.5 s時加速度為0，之后又增加，鉗頭的加速度在2.5 s前后呈現(xiàn)對稱性。如圖所示的背鉗鉗頭在剛開始運動時，液壓缸活塞桿的慣性載荷比較大，因此對液壓缸的內(nèi)部沖擊也比較大。

2.5 右背鉗松開過程

圖8所示為右鉗頭松開過程的位置變化曲線，在0～5 s過程中，背鉗右鉗頭在松開鉆桿時的位置曲線與夾緊鉆桿時的位置曲線變化方向相反，其它都基本相同。背鉗裝置在整個運動過程中，位移變化比較平穩(wěn)。

圖9所示為右鉗頭速度和加速度變化曲線，在0～5 s過程中，右鉗頭速度和加速度變化曲線與夾緊鉆桿時的曲線變化方向相反，其它都基本相同。2.5 s之前加速度為正值，2.5 s之后加速度為負值，速度先升高后降低，變化平穩(wěn)。加速度在很短的時間內(nèi)快速增加、快速減少可能會給背鉗液壓缸造成一定程度的沖擊。

3 結論

本文建立了背鉗機構的仿真模型，使用ADAMS中的COSMOS/motion對背鉗系統(tǒng)進行了運動學仿真，得到了背鉗鉗頭的速度、加速度變化曲線。設計的背鉗結構更加合理可靠，降低了制造成本，操作維修方便。

［1］劉廣華.頂部驅動鉆井裝置操作指南［M］.北京：石油工業(yè)出版社,2010.

［2］劉常福,宋開利,張振海.自動化液壓動力大鉗［J］.石油機械,2002,30(9)：61-62.

［3］李昂.頂部驅動鉆井裝置背鉗［P］.中國專利：2007101766 55.4,2009-05-06.

［4］沈澤俊,白光利，鄒連陽，等.DQ70BS交流變頻頂部驅動鉆井裝置［J］.石油機械,2005,33(2)：39-41.

［5］陳立平，張云清，任衛(wèi)群，等.機械系統(tǒng)動力學分析及ADAMS應用教程［M］.北京：清華大學出版社，2001.