修井機(jī)緩沖機(jī)構(gòu)的研究與分析

黃 丹

（河源技師學(xué)院，廣東河源 517000）

0 前言

在油田的后期開采過程中，需要大量的修井機(jī)來完成鉆井的修復(fù)工作。為提高石油的開采效率和降低修井的作業(yè)成本，使用自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行修井作業(yè)變得非常流行。修井是鉆井后期維護(hù)過程中的一項(xiàng)必須工作，可以確保鉆井在后期可以繼續(xù)工作[1]。通常修井作業(yè)包括旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、起下作業(yè)、循環(huán)沖洗等幾個(gè)過程，這些工作都是需要緩沖機(jī)構(gòu)將油井里面的油管取出，并完成修井后放入新的油管。在油井的修復(fù)工作過程中，緩沖機(jī)構(gòu)約占有一半以上的工作時(shí)間，因此，使用具有自動(dòng)緩沖功能的修井機(jī)具有非常重要的意義[2]。

為了更好研究修井機(jī)緩沖機(jī)構(gòu)，使用Solid Works軟件進(jìn)行三維建模[3]，并使用ADAMS軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析[4-5]。

1 修井機(jī)緩沖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在對(duì)修井機(jī)緩沖機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究之前，需要對(duì)主體機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于修井機(jī)在夾緊油管后需要翻轉(zhuǎn)一個(gè)角度，將油管放入貓道上。為減少油管在翻轉(zhuǎn)過程中的沖擊，在油管翻轉(zhuǎn)一定角度后將其與緩沖機(jī)構(gòu)的承接件相接觸，減少它在翻轉(zhuǎn)過程中的沖擊力。圖1是修井機(jī)的緩沖結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出緩沖機(jī)構(gòu)采用的是擺動(dòng)導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行緩沖的。

在修井機(jī)緩沖機(jī)構(gòu)的工作過程中，首先是修井機(jī)將油管夾緊吊出油井，然后油管與緩沖機(jī)構(gòu)的承接件相接觸，在修井機(jī)的作用下下滑到貓道上，直至完全到位。在這過程中緩沖機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)起到重要的作用，液壓原理圖如圖2所示。在緩沖機(jī)構(gòu)起升時(shí)，電磁閥在控制系統(tǒng)的作用下調(diào)到左邊，此時(shí)液壓油流向液壓缸的后半部分活塞伸出；在緩沖機(jī)構(gòu)下降時(shí)，電磁閥在控制系統(tǒng)的作用下調(diào)節(jié)到右邊，此時(shí)液壓油流向液壓缸的前半部分活塞縮回。

圖1 修井機(jī)緩沖機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖2 緩沖機(jī)構(gòu)液壓原理圖

2 修井機(jī)緩沖機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析

為得到性能更好的動(dòng)力修井機(jī)緩沖機(jī)構(gòu)，需要進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。由于采用這種機(jī)構(gòu)可以很好地緩沖油管的撞擊，從而導(dǎo)致的一系列的事故。根據(jù)緩沖機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型，得到如圖3所示的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖3 緩沖機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

在進(jìn)行緩沖機(jī)構(gòu)的優(yōu)化分析過程中，需要對(duì)它的受力過程進(jìn)行分析。根據(jù)緩沖機(jī)構(gòu)的受力情況和擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，可知緩沖機(jī)構(gòu)在擺臂處于水平位置時(shí)，液壓缸的驅(qū)動(dòng)力最大，因此在進(jìn)行首席分析過程時(shí)可以根據(jù)此時(shí)的受力狀況來進(jìn)行分析。此時(shí)，擺臂的受力大小為：

式中：m為油管的質(zhì)量，通常一根油管的質(zhì)量為300 kg；

G為重力加速度，9.8 m/s2；

B為擺臂中心到轉(zhuǎn)軸的距離大小；

C為活塞桿與擺臂連接處的距離大?。?/p>

α為活塞桿與擺臂之間的夾角大小。

根據(jù)緩沖機(jī)構(gòu)的受力分析可知，液壓缸的最大驅(qū)動(dòng)力為F=21 586 N。因此，選用輸出載荷大小為P=3 MPa。

3 修井機(jī)緩沖機(jī)構(gòu)的仿真分析

在Solid Works軟件中建立起緩沖機(jī)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)模型，然后將裝配體導(dǎo)入到ADAMS軟件中[6-7]，得到如圖4所示的緩沖機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型。在緩沖機(jī)構(gòu)的起升過程仿真分析中，需要根據(jù)它的實(shí)際工作要求添加相關(guān)的約束條件，相互之間轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件需要設(shè)置旋轉(zhuǎn)副。由于支承座在工作過程中主要起到支承整個(gè)緩沖機(jī)構(gòu)的作用，因此，在進(jìn)行仿真分析過程中需要將其固定。

圖4 緩沖機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型

在仿真過程中，向液壓缸的缸筒和活塞之間施加一個(gè)運(yùn)動(dòng)約束，使液壓缸保持勻速運(yùn)動(dòng)，研究緩沖機(jī)構(gòu)中擺臂從水平位置運(yùn)動(dòng)到豎直位置的運(yùn)動(dòng)情況。為了研究液壓缸的驅(qū)動(dòng)力情況，在仿真分析前，在液壓缸筒和活塞之間新建一個(gè)測(cè)量液壓力的測(cè)量裝置，從而可以測(cè)量出液壓缸的驅(qū)動(dòng)力曲線。通過ADAMS仿真[8]可以得到緩沖機(jī)構(gòu)中輸出液壓缸驅(qū)動(dòng)力與擺臂起升角度的關(guān)系曲線如圖5所示。根據(jù)液壓缸驅(qū)動(dòng)力與擺臂起升角度關(guān)系曲線可知，隨著液壓缸驅(qū)動(dòng)的不斷增大，擺臂的起升角度越來越大。

圖5 液壓缸驅(qū)動(dòng)力與擺臂起升角度關(guān)系曲線

為了對(duì)緩沖機(jī)構(gòu)進(jìn)行更進(jìn)一步的研究分析，本文作者在液壓缸的驅(qū)動(dòng)作用下，對(duì)緩沖機(jī)構(gòu)擺臂的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度展開分析，運(yùn)動(dòng)關(guān)系曲線如圖6所示。由圖可知，緩沖機(jī)構(gòu)的速度在前2 s內(nèi)逐漸減小；在2～3 s之間逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，且達(dá)到最小速度；3～4 s內(nèi)速度有逐漸增大。加速度在前1.5 s內(nèi)逐漸減少，在1.5～3 s之間逐漸趨于穩(wěn)定，在該階段穩(wěn)定性比較好，在3～4 s內(nèi)也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。根據(jù)緩沖機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系研究可知，在3 s后需要保證該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。

圖6 緩沖機(jī)構(gòu)速度和加速度曲線

4 結(jié)論

通過對(duì)修井機(jī)緩沖機(jī)構(gòu)的研究和分析可以得出以下結(jié)論：（1）根據(jù)修井機(jī)緩沖機(jī)構(gòu)的工作要求，設(shè)計(jì)出它的結(jié)構(gòu)模型，并使用Solid works軟件建立它的三維模型。（2）使用ADAMS軟件對(duì)修井機(jī)緩沖機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過程分析，可以得到它的擺臂運(yùn)動(dòng)速度和加速度。