新型自動貓道提升系統(tǒng)動力學(xué)分析

李艷嬌，于 萍，高建強，譚志松（吉林大學(xué)　機械科學(xué)與工程學(xué)院，長春130025）

專題研究

新型自動貓道提升系統(tǒng)動力學(xué)分析

李艷嬌，于 萍，高建強，譚志松
（吉林大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，長春130025）

新型自動貓道是實施深部大陸科學(xué)鉆探工程的關(guān)鍵設(shè)備。提升系統(tǒng)是該貓道的動力裝置，而作用在提升系統(tǒng)上的牽引力是一個很重要的參數(shù)。分析了貓道提升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與運動特性，建立了貓道機構(gòu)的動力學(xué)理論模型，求解得到牽引力變化規(guī)律。利用A dams軟件建立貓道機構(gòu)動力學(xué)仿真模型，獲得仿真曲線。理論分析與仿真分析結(jié)果基本一致，驗證了理論牽引力數(shù)值的準確性。理論分析可作為提升系統(tǒng)各主要部件規(guī)格型號選取的依據(jù)，并為后續(xù)樣機調(diào)試提供數(shù)據(jù)支撐。

自動貓道；提升系統(tǒng)；動力學(xué)分析

隨著海洋石油鉆井技術(shù)的進步，促進了鉆井裝備技術(shù)的發(fā)展，自動化石油鉆機是海洋石油鉆井技術(shù)的發(fā)展方向之一［1］。自動化貓道被廣泛應(yīng)用于海洋石油鉆機，提高了鉆機的作業(yè)效率和安全性。目前，在深部科學(xué)鉆探領(lǐng)域自動化貓道正在被廣泛的應(yīng)用，可使鉆臺操作自動化和機械化，減輕操作人員的勞動強度，并提高鉆機的安全性能。

根據(jù)深部大陸科學(xué)鉆探項目要求以及自動化貓道的國內(nèi)外現(xiàn)狀［2］設(shè)計了如圖1所示的新型自動化貓道，采用全液壓驅(qū)動。其中，提升系統(tǒng)是貓道的動力裝置，提升牽引舉升滑道沿坡道運移。提升系統(tǒng)的牽引力是一個重要參數(shù)，合理的牽引力可作為提升系統(tǒng)各主要部件型號選取的有效依據(jù)。通過對提升系統(tǒng)進行動力學(xué)分析，對比仿真結(jié)果與理論數(shù)據(jù)，達到對牽引力分析驗證的目的。

圖1 新型自動貓道結(jié)構(gòu)示意

1 提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)深部大陸科學(xué)鉆探項目要求，結(jié)合提升系統(tǒng)具體功能與實際工作環(huán)境，設(shè)計的一種鏈傳動提升系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

提升系統(tǒng)主體安裝在貓道坡道兩側(cè)的鋼軌上，主要包括提升滑車、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、鏈條張緊裝置。提升滑車主要作用是承受載荷，同時也是翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、驅(qū)動裝置的安裝載體；驅(qū)動裝置和鏈條傳動為提升滑車提供驅(qū)動牽引力；翻轉(zhuǎn)機構(gòu)先將舉升滑道抬升一定角度便于提升，后作為固定連桿；鏈條張緊裝置用于調(diào)節(jié)鏈條的預(yù)緊力與垂度，確保鏈條與鏈輪準確嚙合，減小鏈傳動過程中產(chǎn)生的動載荷沖擊。提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響著貓道整體運行的工作效率與安全性。為了確保貓道可靠平穩(wěn)的運行，對提升系統(tǒng)進行動力學(xué)分析是非常重要的。

2 提升系統(tǒng)動力學(xué)分析

2．1 貓道機構(gòu)簡化

根據(jù)貓道各主要部件的結(jié)構(gòu)及運動狀態(tài)，將其簡化為如圖3所示平面連桿機構(gòu)，其中支撐機構(gòu)、舉升滑道、平臺浮動滑車、提升滑車分別簡化為連桿AB、連桿BC、滑塊AH、滑塊D，鉆桿平臺、坡道、緩沖助力液壓缸分別簡化為固定的水平滑道、具有一定角度的固定滑道、長度可變的連桿EH，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)簡化為連接桿件CQ，一端固定在提升滑車上，另外一端與舉升滑道前端鉸接。經(jīng)計算此機構(gòu)具有2個自由度［3］（2個輸入控制變量），分別是提升滑車沿坡道的直線運動和緩沖助力液壓缸的伸縮運動。

圖3 機構(gòu)運動示意

在提升滑車牽引提升舉升滑道向上運行過程中，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)實際工作狀態(tài)是充當(dāng)固定連桿，起著傳遞動力的作用。根據(jù)剛體平移定義，滑塊D上的點Q與連桿CQ上點C的運動軌跡、速度、加速度分別相同［4-5］。因此，為降低機構(gòu)的復(fù)雜程度，便于分析，對機構(gòu)做進一步簡化，如圖4所示。

圖4 簡化的機構(gòu)運動示意

2．2 貓道機構(gòu)受力分析

由于提升系統(tǒng)是在翻轉(zhuǎn)機構(gòu)完成對舉升滑道一定角度的翻轉(zhuǎn)后才真正向舉升滑道提供提升拉力。因此，考慮提升滑車沿坡道開始爬行，到達坡道預(yù)定位置而停止運行這段時間相關(guān)部件之間的運動關(guān)系和受力分析。用解析法建立圖4的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實際工作原理與運動關(guān)系可知，連桿E H的長度變化可由連桿A B的角位移的變化進行等效，得到如圖5所示的機構(gòu)運動分析示意圖，相關(guān)符號說明如表1。

圖5 機構(gòu)運動分析示意

表1 圖5相關(guān)符號說明

通過建立機構(gòu)運動學(xué)方程式求得點A（xA，yA），點B（xB，yB），點C（xC，yC），連桿A B質(zhì)心（x1，y1）、連桿B C質(zhì)心（x2，y2）的位移坐標表達式，再分別對位移表達式求一階、二階導(dǎo)數(shù)后獲得速度和加速度表達式。在貓道機構(gòu)運動學(xué)分析的基礎(chǔ)上對圖4進行動力學(xué)分析，采用動力學(xué)方程序列求解法求解各構(gòu)件的受力情況［5-6］。圖6為機構(gòu)受力分析圖。其中F為力，F(xiàn)x，F(xiàn)y分別為x，y方向分力，m為質(zhì)量，m為轉(zhuǎn)矩，W為重力，x，y分別為x，y方向的加速度。

圖6 機構(gòu)受力分析

1） 對滑塊AH的受力分析。

2） 將EH簡化為二力桿，對EH桿受力分析。

3） 對連桿AB受力分析。式中：J1A表示以A點為矩心桿件AB的轉(zhuǎn)動慣量。

4） 對桿件BC受力分析。

分別求解推導(dǎo)出：FCx與FCy的表達式：

作用在提升滑車的有效牽引力F的表達式：

2．3 提升系統(tǒng)牽引力數(shù)值求解

由項目實際設(shè)計要求確定的2個輸入控制變量提升滑車和緩沖助力液壓缸的運行方案為：啟動時間5 s，勻速運行時間70 s，制動時間5 s。為了簡化運算的同時保障一定的計算精度，將貓道機構(gòu)的運行過程分為16個區(qū)段，每個區(qū)段時間為5 s。勻速運行過程中每個區(qū)段各個構(gòu)件上點的軌跡使用關(guān)于變量t的6次多項式進行有效替代；啟動與制動過程使用三次多項式逼近Heaviside階躍函數(shù)來表達，目的是使提升滑車的加速度從零過渡到一個數(shù)值，再逐步過渡回零，盡量實現(xiàn)提升滑車平穩(wěn)啟動與制動。利用m atlab軟件高效的數(shù)值計算功能對推導(dǎo)所得牽引力F進行快速求解［8-9］，簡化運算得到提升滑車運行過程中的近似有效牽引力表達式

牽引變化規(guī)律如圖7所示。提升滑車啟動過程中，牽引拉力是按照提升滑車預(yù)設(shè)的速度形式產(chǎn)生的加速度變化規(guī)律，先緩慢增加到某個數(shù)值后緩慢下降到另一個數(shù)值，牽引力大小變化連續(xù)，無尖點突變現(xiàn)象，牽引力數(shù)值上的變化量不超過0．3k N，其波動幅值較小；勻速運行過程中，牽引力沿一條曲線緩慢減小，變化非常平緩，將此階段的牽引力變化近似為線性遞減；制動過程中，牽引力變化規(guī)律與啟動過程相反，先緩慢減小再緩慢增加到某個數(shù)值。

圖7 牽引力變化規(guī)律

提升滑車運行時，舉升滑道作用在連接點C處的作用力的變化是一個重要參數(shù)，它的數(shù)值大小和變化幅度將決定翻轉(zhuǎn)液壓缸選型，影響舉升滑道動作的平穩(wěn)性。因此在求解提升滑車的牽引力變化規(guī)律的同時，需要分別求解出點C處x與y軸方向作用力FCx與FCy隨時間的變化規(guī)律，如圖8～9所示。

圖8 點C處的x軸方向作用力

點C處y軸方向的作用力在提升滑車勻速運行階段數(shù)值時非常小，如圖8所示，充分說明了舉升滑道在水平方向的運行較平穩(wěn)，也不會對提升滑車產(chǎn)生水平?jīng)_擊載荷。

圖9 點C處的y軸方向的作用力

由于承受舉升滑道因重力產(chǎn)生的靜態(tài)載荷和舉升滑道在y軸方向做勻速直線運動產(chǎn)生的動載荷，如圖9所示，在連接點C處y軸方向的作用力較大，在提升滑車勻速運行過程中，點C在y軸方向的作用力呈線性遞減規(guī)律變化，遞減趨勢平緩且幅值變化量小。

2．4 提升系統(tǒng)牽引力數(shù)值驗證

利用Adams對新型自動貓道的虛擬樣機模型進行動力學(xué)仿真［9］。創(chuàng)建貓道的仿真模型如圖10所示。

圖10 貓道的仿真模型

對提升滑車與緩沖助力液壓缸的啟動與制動速度在A dams中設(shè)置為階躍函數(shù)模式進行仿真：提升滑車速度設(shè)置形式為：

STEP（TImE，0，0，5，0．173）＋STEP（TImE，5，0，75，0）＋STEP（TImE，75，0，80，－0．173）

緩沖助力液壓缸速度設(shè)置為：

ST EP（TIm E，0，0，5，0．02156）＋ST EP（TIm E，5，0，75，0）＋ST EP（TIm E，75，0，80，－0．02156）

獲得相關(guān)仿真數(shù)據(jù)后將理論數(shù)據(jù)導(dǎo)入A dams中，進行理論數(shù)值與仿真數(shù)據(jù)對比［10－11］，得到3組對比曲線如圖11～13所示。

圖11 牽引力對比變化曲線

圖12 點C處的x軸方向作用力對比曲線

圖13 點C處的y軸方向作用力對比曲線

通過對比3組曲線可以看出，理論數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)隨時間的變化趨勢基本一致，數(shù)值差別較小?？梢则炞C理論運算數(shù)據(jù)的可靠性。但理論數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)之間存在一定的相對誤差，這一點可以從3個方面進行解釋。

1） 在使用簡化模型計算牽引力時，將模型中的緩沖助力液壓缸簡化為無質(zhì)量的剛性二力桿。但在A dams中是按照實際參數(shù)賦予其相應(yīng)的質(zhì)量屬性。

2） 理論計算使用的平面連桿機構(gòu)模型，各桿件的質(zhì)心都在兩個鉸鏈點的連線上，并且所有構(gòu)件的質(zhì)心在同一平面。實際各部件的質(zhì)心位置不在連線上，而在距離連線非常近的位置，只是這個距離相對與構(gòu)件兩鉸接點之間的距離非常小。

3） 在平面連桿機構(gòu)的模型運算中，對各桿件點的軌跡使用的是多項式方程所表達的近似軌跡方程，各時間區(qū)段中數(shù)據(jù)運算存在積累誤差。

3 結(jié)論

1） 作為貓道動力裝置的提升系統(tǒng)，其驅(qū)動裝置的牽引力的變化直接影響其提升滑車的運移平穩(wěn)性，間接影響整機運行的平穩(wěn)性與可靠性。

2） 通過把貓道模型進行合理簡化為雙自由度平面連桿機構(gòu)，對其進行運動學(xué)分析與求解，確定了主要構(gòu)件的具體運動參數(shù)以及相應(yīng)變化規(guī)律。列出機構(gòu)的動力學(xué)方程組，利用matlab求解出驅(qū)動提升滑車的有效牽引力的變化規(guī)律，運用A dams對結(jié)構(gòu)虛擬樣機模型進行動力學(xué)分析。

3） 對比理論數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)，兩者之間的變化趨勢相一致，在允許的誤差范圍內(nèi)，驗證了理論分析的正確性與可靠性，可作為提升系統(tǒng)中液壓馬達的動力參數(shù)和鏈條傳動的鏈輪與鏈條型號規(guī)格選取的依據(jù)，并為后續(xù)樣機調(diào)試提供數(shù)據(jù)支撐。

［1］ 崔學(xué)政，劉平全，肖文生，等．海洋鉆井平臺自動化貓道機設(shè)計［J］．石油礦場機械，2011，40（2）：20-23．

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［3］ 孫桓，陳作模，葛文杰．機械原理［m］．北京：高等教育出版社，2006．

［4］ 林文惠．剛體運動學(xué)的幾何討論［J］．力學(xué)與實踐，2005，27（5）：71-72．

［5］ 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室．理論力學(xué)［m］．6版．北京：高等教育出版社，2002．

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［9］ 張德豐，楊文茵．m A T L A B仿真技術(shù)與應(yīng)用［m］．北京：清華大學(xué)出版社，2012．

［10］ 鄭建榮．A D AmS—虛擬樣機技術(shù)入門與提高［m］．北京：機械工業(yè)出版社，2002．

［11］ 羅賢勇．超深井石油鉆機提升系統(tǒng)動力學(xué)建模與分析［D］．武漢：華中科技大學(xué)，2008．

Dynamic Analysis of Hoisting System of the New Automatic Catwalk

LI Yanjiao，Y U Ping，G A O Jianqiang，T A N Zhisong
（College ofmechanical Science and Engineering，Jilin University，Changchun130025，China）

The new automatic catwalk is the key equipment of Deep Continental Scientific Drilling Project．H oisting system is the power plant of catwalk，and the traction force is an im portant parameter w hich roles in hoisting system．T he structure andmotion characteristics of hoisting system are analyzed，the kinetic theorymodel of the catwalkmechanism is established and solved to get the variation of traction force．A dams software is used to establish dynamic sim ulationmodel on catwalkmechanism to obtain sim ulation curves．T he result shows that：theoretical analysis and sim ulation results are basically the same to verify the accuracy of the value of theoretical traction force．T he theoretical analysis can be used as the effective basis of the components selection of hoisting system，and also provides data support for the subsequent prototype debugging．

automatic catwalk；hoisting system；dynamic analysis

T E923

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．001

1001-3482（2015）05-0001-05

2014-11-19

國家深部探測技術(shù)與實驗研究專項資助項目（SinoProbe-09-05）

李艷嬌（1991-），女，吉林長春人，碩士研究生，研究方向：石油機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化，E-mail：13604307924＠163．