修井作業(yè)井口上卸扣自動(dòng)化控制的設(shè)計(jì)與仿真*

常玉連,李明浩,胡慶勇,張有峰,于 磊

(1.東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318； 2.大慶油田工程建設(shè)有限公司， 黑龍江 大慶 163161)

修井作業(yè)井口上卸扣自動(dòng)化控制的設(shè)計(jì)與仿真*

常玉連1,李明浩1,胡慶勇1,張有峰1,于 磊2

(1.東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318； 2.大慶油田工程建設(shè)有限公司， 黑龍江 大慶 163161)

應(yīng)用SolidWorks進(jìn)行建模，完成整機(jī)液壓和一種新型液壓背鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于西門(mén)子S7-200 PLC和相應(yīng)的傳感器，提出整機(jī)控制理論和實(shí)現(xiàn)開(kāi)口式液壓主鉗非接觸式自動(dòng)對(duì)缺口的理論。在Adams中建立液壓主、背鉗的液壓系統(tǒng)，設(shè)定換向閥的控制函數(shù)，分析了液壓背鉗在夾緊油管時(shí)液壓缸的夾緊力、速度及液壓缸工作腔壓力變化和液壓主鉗液壓馬達(dá)輸出扭矩和液壓主鉗輸出扭矩變化。通過(guò)仿真得到背鉗可為主鉗上卸扣提夠足夠夾緊力，為液壓元件選型和裝置生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

液壓鉗；PLC；機(jī)液聯(lián)合仿真；Adams

0 引 言

隨著修井作業(yè)增多，我國(guó)的修井設(shè)備也向自動(dòng)化方向發(fā)展，現(xiàn)已有鉆修井管柱處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)管柱作業(yè)由人工參與變成人工控制，讓工人遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域。管柱處理系統(tǒng)減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了安全操作水平、降低了操作風(fēng)險(xiǎn)，是實(shí)現(xiàn)安全、健康鉆井和提高鉆井效率的有效途徑[1-4]。為了實(shí)現(xiàn)修井作業(yè)中井口無(wú)人作業(yè)，就要實(shí)現(xiàn)井口設(shè)備的自動(dòng)化控制，適應(yīng)不同尺寸的油管和抽油桿的上卸扣自動(dòng)化控制。筆者主要闡述了對(duì)修井作業(yè)井口裝置的整機(jī)液壓原理圖、PLC控制程序的順序功能圖、應(yīng)用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)液壓主鉗非接觸式自動(dòng)對(duì)缺口和一種新型液壓背鉗的設(shè)計(jì)與仿真，根據(jù)油管的上扣扭矩分析計(jì)算液壓背鉗的夾緊力，并根據(jù)液壓被鉗的工作參數(shù)要求，計(jì)算其基本液壓參數(shù)。通過(guò)Adams軟件進(jìn)行機(jī)液聯(lián)合仿真。

1 操作功能和結(jié)構(gòu)

如圖1所示，修井機(jī)在起下油管過(guò)程中完成上卸扣操作的主要工作系統(tǒng)有扶正手、液壓主鉗、液壓背鉗、卡瓦。其工作過(guò)程是油管提升到合適位置，卡瓦卡緊、上支架移動(dòng)到合適位置、扶正手扶正油管、液壓背鉗夾緊、由液壓主鉗完成上卸扣，這些動(dòng)作通過(guò)液壓元件及電氣控制元件聯(lián)合實(shí)現(xiàn)，該裝置可通過(guò)更換卡瓦鉗、液壓主鉗顎板(將傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力鉗顎板分成公顎板和母顎板兩部分，如圖2所示，通過(guò)更換母顎板來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸的油管和抽油桿的上卸扣)、液壓背鉗鉗頭來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸油管和抽油桿的上卸扣。

圖1 修井作業(yè)井口裝置的整機(jī)主要結(jié)構(gòu)圖

該裝置的控制部分是液壓傳動(dòng)和PLC可編程控制器聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化控制。液壓傳動(dòng)是以流體作為工作介質(zhì)對(duì)能量進(jìn)行傳動(dòng)和控制的一種傳動(dòng)形式，液傳動(dòng)具有輸出力大，重量輕，慣性小，調(diào)速方便，易于控制等優(yōu)點(diǎn)。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)一般由動(dòng)力裝置、執(zhí)行裝置、控制裝置、輔助裝置和傳動(dòng)介質(zhì)組成。執(zhí)行裝置中的閥類(lèi)元件是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)控制的核心，應(yīng)用不同的閥類(lèi)在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中構(gòu)成基本液壓回路，包括用來(lái)控制執(zhí)行元件(液壓缸、液壓馬達(dá)) 運(yùn)動(dòng)方式的換向回路，控制液壓系統(tǒng)全部或局部壓力的壓力控制回路，控制執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)速度的速度控制回路等。如圖3、4所示為整機(jī)液壓原理圖和PLC順序功能圖。

圖2 液壓主鉗顎板

圖3 整機(jī)液壓原理圖

圖4 PLC 順序功能圖

可編程控制器PLC具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，組合靈活，編程簡(jiǎn)單，維修方便等優(yōu)點(diǎn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，其控制功能由簡(jiǎn)單的邏輯控制，順序控制發(fā)展為復(fù)雜的連續(xù)控制和過(guò)程控制。液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，把各種指令信號(hào)和檢測(cè)液壓缸運(yùn)動(dòng)的反饋信號(hào)作為PLC的輸入，PLC 輸出的控制信號(hào)控制液壓系統(tǒng)各個(gè)電磁閥的電磁鐵，進(jìn)而控制液壓油路的流動(dòng)方向和速度，從而控制液壓元件運(yùn)動(dòng)及其速度[5-6]。

2 液壓主鉗自動(dòng)對(duì)缺口

應(yīng)用霍爾傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)口式液壓主鉗非接觸式自動(dòng)對(duì)缺口，將傳感器的磁鋼安裝在液壓主鉗大齒輪上方無(wú)齒輪牙側(cè)，而傳感器安放在液壓主鉗殼體上，當(dāng)傳感器得電液壓主鉗開(kāi)始對(duì)缺口，當(dāng)傳感器軸線和磁鋼軸線共線時(shí)，即液壓主鉗缺口對(duì)齊。在對(duì)缺口時(shí)大齒輪旋轉(zhuǎn)磁鋼相對(duì)于傳感器是由遠(yuǎn)到近的過(guò)程，信號(hào)由弱變強(qiáng)，缺口對(duì)齊時(shí)傳感器信號(hào)是由弱變強(qiáng)再由強(qiáng)變?nèi)踹^(guò)程，此信號(hào)類(lèi)似于矩形波，應(yīng)用PLC的上升沿和下降沿指令如圖5所示，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理得到脈沖信號(hào)，控制液壓主鉗的液壓馬達(dá)，完成自動(dòng)對(duì)缺口[7]。

圖5 對(duì)缺口傳感器信號(hào)處理

2.1 液壓背鉗的結(jié)構(gòu)

圖6所示為液壓背鉗的主要結(jié)構(gòu)。

圖6 液壓背鉗主要結(jié)構(gòu)1.液壓背鉗鉗體 2.連接鉸耳 3.輔助扶正器 4.滾輪 5.調(diào)節(jié)彈簧 6.鉗頭 7.鉗牙 8.測(cè)力傳感器

液壓背鉗鉗體在上支架背鉗軌道內(nèi)在液壓缸的作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，液壓缸固定在上肢架的背鉗固定架上，液壓桿鉸耳與液壓背鉗連接鉸耳連接，防止背鉗夾緊油管時(shí)輔助扶正器夾緊油管阻礙上卸扣，輔助扶正器內(nèi)有滾輪，輔助扶正器與鉗頭之間裝有調(diào)節(jié)的彈簧，調(diào)節(jié)彈簧使得當(dāng)油管上卸扣時(shí)可使輔助扶正器沿油管軸線方向的移動(dòng)。當(dāng)油管上扣時(shí)僅憑借圖1中扶正手來(lái)扶正油管并不能滿足油管上扣時(shí)的對(duì)中性，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)只用扶正手扶正油管時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)一根油管的公扣不能準(zhǔn)確的與另一根油管的母扣對(duì)接，該液壓背鉗上扣時(shí)，鉗頭夾緊油管的接箍，當(dāng)鉗頭夾緊油管接箍的同時(shí)輔助扶正器會(huì)夾緊帶有公扣的油管，來(lái)實(shí)現(xiàn)油管公扣和母扣良好的對(duì)接，如圖7所示為液壓背鉗夾緊油管。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制在液壓背鉗上設(shè)有測(cè)力傳感器，通過(guò)傳感器測(cè)得液壓背鉗的夾緊力，并將信號(hào)發(fā)送到控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)背鉗夾緊時(shí)的自動(dòng)化控制。

圖7 液壓背鉗夾緊油管1.夾緊液壓缸 2.上支架背鉗導(dǎo)軌 3.背鉗鉗體 4.油管接箍

3 液壓主背鉗機(jī)液聯(lián)合仿真

標(biāo)準(zhǔn)油管的上扣扭矩值有明確的規(guī)定，根據(jù)油管最大上扣扭矩值，應(yīng)用取平均值法和式(1)來(lái)設(shè)定夾緊力。

T=F·D

(1)

式中：T為油管最大上扣扭矩值取平均值得到的扭矩值；D為油管的直徑；F為油管的夾緊力。

為實(shí)現(xiàn)修井作業(yè)過(guò)程中井口無(wú)人上卸扣作業(yè)，要求液壓背鉗的夾緊力范圍較寬；為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同油管上卸扣時(shí)液壓背鉗可提供足夠的夾緊力，根據(jù)常用油管上扣扭矩，選擇扣型為FOX、鋼級(jí)為JFE110S、規(guī)格為4″×10.92 mm、上扣扭矩為12 150 N·m，半徑為116 mm的油管，根據(jù)式(1)的背鉗夾緊力為104.7 kN，液壓被鉗加緊油缸直徑為125 mm，系統(tǒng)壓力為12 MPa。

液壓系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模塊，是Adams軟件的擴(kuò)充模塊之一，能夠同機(jī)械系統(tǒng)模塊很好的耦合，建立和測(cè)試液壓系統(tǒng)虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上對(duì)液壓系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性分析仿真[8]。在Adams/Hydraulics中建立液壓系統(tǒng)回路，通過(guò)液壓缸的I_Marker和J_Marker兩個(gè)坐標(biāo)系，將液壓回路和機(jī)械系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來(lái)，將液壓缸的作用力施加到構(gòu)件上，實(shí)現(xiàn)機(jī)液聯(lián)合仿真[9]。液壓主、背鉗的液壓系統(tǒng)包括：液壓源、溢流閥、單向分流閥、油箱、三位四通電磁換向閥、液壓缸、二通連接器和三通連接器、液壓馬達(dá)，如圖8所示。

主鉗采用XQ114/6YB型液壓動(dòng)力鉗進(jìn)行仿真，它所提供的額定抵擋扭矩為6 000 N·m。將模型導(dǎo)入Adams/View中，通過(guò)仿真分析觀察，仿真過(guò)程中將油管簡(jiǎn)化為一根圓柱，為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的背鉗能否提供足夠夾緊力，先讓主鉗帶動(dòng)油管轉(zhuǎn)動(dòng)，再由背鉗提供夾緊力，其控制函數(shù)如圖8、9所示。液壓缸和液壓馬達(dá)的機(jī)械控制通過(guò)換向閥的控制函數(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，液壓背鉗三位四通電磁換向閥的控制函數(shù)為：step (time, 0.8, 0.0, 1.0, 0)+step (time,1.2, 0.0, 1.8, 1)+step (time,2.4, 0.0, 2.6, -1)，液壓馬達(dá)三位四通電磁換向閥的控制函數(shù)為：step (time, 0.0, 0.0, 0.2, 1)+step (time,2.0, 0.0, 2.2, -1)，數(shù)值1和-1代表閥的兩種工作狀態(tài)，表示處于換向閥的兩端。

圖8 液壓馬達(dá)換向閥控制曲線

圖9 油缸換向閥控制曲線

在規(guī)定的液壓系統(tǒng)壓力下進(jìn)行機(jī)液聯(lián)合仿真，仿真時(shí)間為3 s,步數(shù)為300步，如圖11、12所示為仿真模型。

圖10 液壓主背鉗夾緊機(jī)構(gòu)仿真模型圖 圖11 液壓主背鉗夾緊機(jī)構(gòu)緊狀態(tài)模型圖

1.開(kāi)口式液壓主鉗 2.油管 3.液壓背鉗

如圖12～14所示，液壓背鉗的工作狀況，背鉗夾緊力為106 kN，滿足要求；其工作腔A腔的最大壓力為11.8 MPa，小于系統(tǒng)壓力12 MPa滿足要求，油缸運(yùn)動(dòng)速度最大為0.12 m/s。圖15所示為馬達(dá)輸出扭矩與主鉗輸出扭矩之間的關(guān)系圖，當(dāng)馬達(dá)的輸出扭矩達(dá)到4 200 N·m時(shí)液壓主鉗所提供的上口扭矩為12 200 N·m。

如圖16所示，當(dāng)背鉗夾緊油管后油管的角速度逐漸減小，當(dāng)背鉗的夾緊力達(dá)到最大值時(shí)油管的角速度為0 rad，說(shuō)明背鉗能為主鉗上卸扣提夠足夠的扭矩；如圖17所示，通過(guò)測(cè)量油管之反力得到背鉗夾緊時(shí)主鉗扭矩輸出情況，背鉗夾緊力達(dá)到最到值時(shí)，主鉗輸出扭矩在1.91 s時(shí)，扭矩值為12 206 N·m，之后減小至0 N·m。

圖12 背鉗夾緊油缸夾緊力 圖13 背鉗夾緊油缸工作腔A腔壓力

圖14 背鉗夾緊油缸速度 圖15 主鉗和馬達(dá)輸出扭矩

圖16 油管角速度 圖17 背鉗夾緊時(shí)主鉗輸出扭矩

4 結(jié) 語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)修井作業(yè)井口裝置在上卸扣時(shí)自動(dòng)化控制,必須將人工操作變?yōu)槿斯た刂?就需要對(duì)一些主要機(jī)構(gòu)進(jìn)一步完善,該裝置控制的首要問(wèn)題是開(kāi)口式液壓主鉗的自動(dòng)對(duì)缺口、主鉗的上卸扣扭矩和液壓背鉗的夾緊力的控制。筆者闡述了有關(guān)自動(dòng)對(duì)缺口和液壓背鉗的自動(dòng)化控制理論，并且對(duì)液壓主、背鉗進(jìn)行了機(jī)液聯(lián)合仿真分析，得到在該壓力狀態(tài)下液壓主、背鉗的工作狀態(tài)。通過(guò)分析看出液壓主、背鉗在該工作壓力下液壓背鉗可以?shī)A緊油管，主鉗可以完成上扣，仿真過(guò)程是在理想條件下進(jìn)行的，在實(shí)際中可能出現(xiàn)兩側(cè)液壓背鉗運(yùn)動(dòng)不同步，此時(shí)通過(guò)液壓系統(tǒng)的調(diào)試可實(shí)現(xiàn)其同步工作。

[1] 常玉連，肖易平，高 勝，等.修井井口機(jī)械自動(dòng)化裝置的研究進(jìn)展[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37(5)：62-67.

[2] 常玉連，詹冠杰，高 勝，等.新型修井作業(yè)機(jī)械化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究[J].石油機(jī)械，2008，36(9)：181-191.

[3] 楊月明，常玉連，高 勝，等.井口起下油管作業(yè)自動(dòng)化裝置實(shí)驗(yàn)與液壓控制系統(tǒng)仿真[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42(5)：8-11.

[4] 常玉連，姜開(kāi)勛，樊巖松，等.鉆修井作業(yè)中管柱處理系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展[J].石油機(jī)械，2012，40(1)：87.

[5] 劉衛(wèi)平，王明泉.PLC的發(fā)展及應(yīng)用前景[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2009，24(5)：78，79.

[6] 吳春玉.PLC在控制多缸液壓系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].津職業(yè)院校聯(lián)合學(xué)報(bào)，2009，11(5):18-20.

[7] 趙景波.西門(mén)子S7-200 PLC實(shí)踐與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[8] 余新康，王 健.基于ADAMS的液壓系統(tǒng)虛擬樣機(jī)[J].工程機(jī)械，2003(11):42-44.

[9] 李增剛.ADAMS入門(mén)詳解與實(shí)例[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2006.

Design and Simulation of Automation Control for Shackle

CHANG Yu-lian1, LI Ming-hao1, HU Qing-yong1, ZHANG You-feng1, YU Lei2

(1.NortheastPetroleumUniversity,DaqingHeilongjiang163318,China；2.DaqingOilfieldEngineeringConstructionCo.,Ltd,DaqingHeilongjiang163161,China)

The hydraulic system and new type of lower clamp was built with SolidWorks and put forward the whole machine control theory and the theory of non-contact automatic gap alignment for open type hydraulic main clamp based on the Siemens S7-200 PLC and corresponding sensor. The hydraulic system of main and lower clamp was set up in Adams and the control function of reversing valve was set to analyze the clamping force, speed and pressure changes of working chamber of the hydraulic cylinder and output torque change of hydraulic motor. The design parameters of clamped tubing was

and provides design basis for production.

hydraulic tong；PLC；machine & fluid simulation；Adams

2014-03-10

常玉蓮(1951-)，男，遼寧鞍山人，教授，主要從事機(jī)械系統(tǒng)仿真與控制技術(shù)方面的研究工作。

TE358

A

1007-4414(2014)02-0011-04