修井作業(yè)立式翻轉(zhuǎn)貓道受力特性研究

周揚(yáng)理，岳吉祥，綦耀光，滿善平，何坤元

(1.中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院 機(jī)械與控制工程學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061;2.勝利油田康貝石油工程裝備有限責(zé)任公司，山東 東營(yíng) 257091)

油田修井作業(yè)存在作業(yè)環(huán)境惡劣、安全性差、工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，研究自動(dòng)化程度高的修井作業(yè)機(jī)械化設(shè)備具有重要意義[1-2]。貓道是處理管(桿)的重要設(shè)備之一，貓道按結(jié)構(gòu)形式分為固定式貓道、舉升式貓道和機(jī)械手臂[3]。現(xiàn)有貓道多數(shù)采用舉升式貓道。舉升式貓道將管(桿)送至工作臺(tái)面，操作人員仍需要負(fù)責(zé)吊卡、液壓鉗推送、扶管對(duì)中等工作[4]。

為了提高修井作業(yè)的自動(dòng)化程度，分析現(xiàn)有修井井口自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)狀[5-7]，提出了“立式接替作業(yè)、吊卡不流轉(zhuǎn)”的新型作業(yè)工藝[8-9]。該工藝是立式翻轉(zhuǎn)貓道將管(桿)由水平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)呈豎直狀態(tài)，并直接對(duì)正井口上方，吊卡卡住管(桿)，進(jìn)行上卸扣等作業(yè)。該工藝優(yōu)化了修井作業(yè)流程，去掉了摘掛吊環(huán)、搬抬吊卡、拽拉管(桿)等人工作業(yè)環(huán)節(jié)，提高了作業(yè)效率，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。立式翻轉(zhuǎn)貓道是該工藝的核心部件，決定整個(gè)新型工藝的工作性能。分析立式翻轉(zhuǎn)貓道受力特性，獲得翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的力學(xué)規(guī)律，為貓道各主要部件型號(hào)選取提供依據(jù)。

本文介紹了立式翻轉(zhuǎn)貓道的結(jié)構(gòu)組成，建立了受力模型，進(jìn)行了靜力學(xué)分析計(jì)算，并通過(guò)SolidWorks Motion軟件進(jìn)行驗(yàn)證；利用Adams軟件對(duì)翻轉(zhuǎn)過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真。

1 結(jié)構(gòu)組成

立式翻轉(zhuǎn)貓道整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。貓道底座通過(guò)井口調(diào)整裝置與井口四通定位并連接。井口調(diào)整裝置可調(diào)整貓道與井口四通在豎直方向、水平方向的相對(duì)位置關(guān)系。底座上分別安裝有翻轉(zhuǎn)臂、液壓缸，液壓缸驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)臂，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。

主要技術(shù)參數(shù)：可處理直徑38.1～88.9 mm的油管、直徑19～29 mm的抽油桿。

1—底座；2—井口四通；3—井口調(diào)整裝置；4—翻轉(zhuǎn)臂；5—液壓缸；6—油管。

2 靜力學(xué)分析

2.1 受力模型

根據(jù)立式翻轉(zhuǎn)貓道的結(jié)構(gòu)、液壓缸的驅(qū)動(dòng)力，將翻轉(zhuǎn)過(guò)程的受力狀況分為3個(gè)階段，如圖2所示。其簡(jiǎn)化模型如圖3所示。第1階段，液壓缸驅(qū)動(dòng)推力朝向左側(cè)；第2階段，液壓缸驅(qū)動(dòng)推力朝向右側(cè)；第3階段，液壓缸驅(qū)動(dòng)力變推力為拉力。立式翻轉(zhuǎn)貓道的運(yùn)動(dòng)過(guò)程較為簡(jiǎn)單，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算，作如下假設(shè)：

1) 受力分析的各個(gè)過(guò)程，立式翻轉(zhuǎn)貓道處于受力平衡狀態(tài)。

2) 各運(yùn)動(dòng)副摩擦力忽略不計(jì)。

圖2 立式翻轉(zhuǎn)貓道受力模型

3) 各構(gòu)件重心位置由SolidWorks軟件通過(guò)幾何形狀和密度計(jì)算而得。圖3中，A為翻轉(zhuǎn)臂與底座的鉸接點(diǎn)，B為液壓缸與底座的鉸接點(diǎn)，C為液壓缸活塞桿與翻轉(zhuǎn)臂的鉸接點(diǎn)。翻轉(zhuǎn)臂的重力G簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)D的集中力。液壓缸及其活塞桿簡(jiǎn)化為線段BC，液壓缸驅(qū)動(dòng)力為F，方向始終沿液壓缸軸線。翻轉(zhuǎn)臂水平夾角為α，油缸豎直夾角為θ，液壓缸與翻轉(zhuǎn)臂垂直面的夾角為φ。翻轉(zhuǎn)臂參數(shù)如表1所示。

圖3 簡(jiǎn)化模型

表1 翻轉(zhuǎn)臂參數(shù)

2.2 受力分析

1) 第1階段。以翻轉(zhuǎn)臂為整體，建立力矩平衡方程。

FLF-GLG=0

式中：LF為液壓缸驅(qū)動(dòng)力F的力臂，LG為重力G的力臂。

根據(jù)圖3a幾何關(guān)系，可得：

LG=(LAE-LDEtanα)cosα

LF=(LAH-LCHtanφ)cosφ

φ=α+θ

2) 第2階段。根據(jù)圖3b幾何關(guān)系，可得：

LG=(LAE-LDEtanα)cosα

LF=(LAH-LCHtanφ)cosφ

φ=α-θ

3) 第3階段。第3階段初始，翻轉(zhuǎn)臂簡(jiǎn)化質(zhì)點(diǎn)D在OA線段延長(zhǎng)線上，即在翻轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)軸正上方，此后，液壓缸驅(qū)動(dòng)力由推力變?yōu)槔Α?/p>

LG=(LDEtanα-LAE)cosα

LF=(LAH-LCHtanφ)cosφ

φ=α-θ

4) 計(jì)算求解。利用Matlab軟件對(duì)3個(gè)階段的關(guān)系式進(jìn)行處理后，對(duì)其受力情況進(jìn)行整合。出現(xiàn)上述情況的主要原因是受力分析時(shí)，將各受力視為標(biāo)量，角度變化均限定在90°范圍內(nèi)?，F(xiàn)將各受力設(shè)為矢量，角度變化擴(kuò)大到360°范圍內(nèi)，得到立式翻轉(zhuǎn)貓道在整個(gè)翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的液壓缸驅(qū)動(dòng)力為：

利用Matlab軟件，得到液壓缸驅(qū)動(dòng)力隨翻轉(zhuǎn)臂水平夾角的變化曲線，如圖4所示。

在翻轉(zhuǎn)初期，所需液壓缸驅(qū)動(dòng)力最大，為49.83 kN；隨后緩慢降低至0 N，此時(shí)翻轉(zhuǎn)臂質(zhì)點(diǎn)恰好在翻轉(zhuǎn)臂與底座鉸接軸正上方，由該鉸接軸完全承受翻轉(zhuǎn)臂重力；之后，液壓缸驅(qū)動(dòng)力由正值變?yōu)樨?fù)值，表示驅(qū)動(dòng)力由推力變?yōu)槔Γ畲罄?.05 kN。

2.3 數(shù)值驗(yàn)證

利用SolidWorks軟件的Motion模塊對(duì)立式翻轉(zhuǎn)貓道的虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行力學(xué)分析[10]。

液壓缸活塞桿添加直線馬達(dá)，施加力方向始終與液壓缸軸線重合，為盡可能減少翻轉(zhuǎn)臂動(dòng)力學(xué)的影響，馬達(dá)作用時(shí)間設(shè)定為30 s。仿真得到液壓缸驅(qū)動(dòng)力隨翻轉(zhuǎn)臂水平夾角變化曲線，并與Matlab理論解析結(jié)果對(duì)比，如圖5所示。

圖4 液壓缸驅(qū)動(dòng)力隨翻轉(zhuǎn)臂水平夾角變化曲線

圖5 液壓缸驅(qū)動(dòng)力對(duì)比曲線

由圖5可以看出，理論數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的變化規(guī)律基本一致，數(shù)值差別較小。仿真數(shù)據(jù)略大于理論數(shù)據(jù)的主要原因是理論解析將翻轉(zhuǎn)臂簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，而Motion是按照翻轉(zhuǎn)臂幾何形狀和密度進(jìn)行質(zhì)量屬性計(jì)算的。

3 Adams動(dòng)力學(xué)仿真分析

利用Adams軟件對(duì)立式翻轉(zhuǎn)貓道的虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。

立式翻轉(zhuǎn)貓道按照勻加速—?jiǎng)蛩佟獎(jiǎng)驕p速的三段式運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。為探究合適的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)置30、20、15、10、5 s 5種翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)總時(shí)間，每種翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的勻加速和勻減速時(shí)間均相等，對(duì)液壓缸的啟動(dòng)與制動(dòng)速度使用階躍函數(shù)模式進(jìn)行仿真[11-12]。5種翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的函數(shù)表達(dá)式分別為：

Step(time,0,0,5,31.84)+Step(time,5,0,25,0)+Step(time,25,0,30,-31.84)

Step(time,0,0,4,49.75)+Step(time,4,0,16,0)+Step(time,16,0,20,-49.75)

Step(time,0,0,3,66.333)+Step(time,3,0,12,0)+Step(time,12,0,15,-66.333)

Step(time,0,0,2,99.5)+Step(time,2,0,8,0)+Step(time,8,0,10,-99.5)

Step(time,0,0,1,199)+Step(time,1,0,4,0)+Step(time,4,0,5,-199)

通過(guò)仿真，獲得不同翻轉(zhuǎn)時(shí)間下液壓缸驅(qū)動(dòng)力隨翻轉(zhuǎn)臂角度變化的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 不同翻轉(zhuǎn)時(shí)間下液壓缸驅(qū)動(dòng)力變化曲線

由圖6可見(jiàn)：①勻速運(yùn)動(dòng)階段，液壓缸作用力基本一致，與加速階段、減速階段區(qū)別較大；②當(dāng)翻轉(zhuǎn)時(shí)間為15、20、30 s時(shí)，液壓缸驅(qū)動(dòng)力的變化基本一致，其變化規(guī)律受翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度的影響較??；③當(dāng)翻轉(zhuǎn)時(shí)間為5、10 s時(shí)，液壓缸驅(qū)動(dòng)力在翻轉(zhuǎn)臂勻加速、勻減速階段變化較大，其變化規(guī)律受翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度的影響較大，翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)越快，液壓缸驅(qū)動(dòng)力變化幅度越大；④當(dāng)翻轉(zhuǎn)時(shí)間為5、10 s時(shí)，液壓缸在翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)開(kāi)始階段和末尾階段受力變化較大，受沖擊較大，故此時(shí)不宜采用翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)論

1) 通過(guò)建立立式翻轉(zhuǎn)貓道各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的簡(jiǎn)化受力模型，得到了立式翻轉(zhuǎn)貓道液壓缸驅(qū)動(dòng)力與翻轉(zhuǎn)臂水平夾角的函數(shù)關(guān)系，為立式翻轉(zhuǎn)貓道的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

2) 通過(guò)SolidWorks Motion軟件對(duì)立式翻轉(zhuǎn)貓道進(jìn)行了靜力學(xué)分析，仿真結(jié)果與理論解析結(jié)果一致，驗(yàn)證了理論解析的正確性。

3) 運(yùn)用Adams軟件對(duì)立式翻轉(zhuǎn)貓道虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，初步確定了較合適的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)間，可為立式翻轉(zhuǎn)貓道的運(yùn)動(dòng)控制提供依據(jù)。