張鵬，于萍，王清巖，張春鵬

(吉林大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春130025)

當前，國內(nèi)井場鉆井平臺作業(yè)施工中，鉆具上下鉆臺過程仍以人工操作為主，其強度大而且不安全，完全不能滿足石油鉆井、大陸科學(xué)鉆探等頻繁上下鉆桿的要求［1］。為此，結(jié)合我國深部大陸科學(xué)鉆探的施工要求，課題組自主研發(fā)了全液壓自動貓道。鉆桿運移系統(tǒng)是全液壓自動貓道的重要組成部分。該系統(tǒng)能在鉆井作業(yè)中將管狀類鉆具 (鉆桿、鉆鋌、套管等)由地面鉆桿擺放架自動運移到貓道的平臺上，當完成作業(yè)時，再將管狀類鉆具運移到地面擺放架，代替了人工上下鉆具、使用鉆臺和貓道上的氣動絞車拉、拽鉆具等高危險、半自動化的操作［2－3］。

1 鉆桿自動運移系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)鉆桿運移系統(tǒng)的要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 鉆桿運移系統(tǒng)示意圖

鉆桿運移系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)臂總成、液壓缸、萬向節(jié)、立銷軸、立銷座、擋銷等組成。其工作原理是鉆桿放在鉆桿運移系統(tǒng)擋銷端時，液壓缸桿開始伸出，旋轉(zhuǎn)臂總成前端抬起，鉆桿沿著曲面結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)臂總成向貓道平臺滾動。當滾落到一定位置，可通過液壓缸調(diào)節(jié)流量，減小鉆桿滾落速度，速度直至減小為零，從而減小鉆桿對貓道平臺上擋銷的沖擊。

旋轉(zhuǎn)臂總成、液壓缸以及萬向節(jié)是通過銷軸連接，保證鉆桿運移系統(tǒng)上下翻轉(zhuǎn)。萬向節(jié)與立銷座通過立銷軸連接，萬向節(jié)可實現(xiàn)鉆桿運移系統(tǒng)上下、左右轉(zhuǎn)動。當左右轉(zhuǎn)動時，即可將鉆桿運移系統(tǒng)順置在貓道平臺一側(cè)，方便運輸。旋轉(zhuǎn)臂總成上表面的曲線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)鉆桿在滾動的過程中速度的很好的控制［4－5］。

2 鉆桿運移系統(tǒng)的運動學(xué)仿真

鉆桿進入貓道平臺的過程中，其速度過大會對貓道平臺上面的擋銷產(chǎn)生很大的沖擊甚至?xí)苯訚L入貓道平臺內(nèi)造成事故，而速度過小又會卡在貓道平臺與鉆桿運移系統(tǒng)之間［4］，所以通過對鉆桿運移系統(tǒng)中的液壓缸桿設(shè)定不同的起升速度，來觀察鉆桿與旋轉(zhuǎn)臂之間的接觸力變化情況以及鉆桿滾動的快慢。通過仿真分析來確定最合適的起升速度。

2.1 鉆桿運移系統(tǒng)的仿真模型

根據(jù)系統(tǒng)模型的實際運動情況，在構(gòu)件間建立相應(yīng)的約束運動副，這些運動副可以使被約束構(gòu)件間具有一定的運動關(guān)系，從而使模型中各獨立的部件相互聯(lián)系在一起，按照設(shè)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(yīng)的鉆桿運移系統(tǒng)運動。鉆桿運移系統(tǒng)機構(gòu)的仿真模型如圖2、3所示。

圖2 液壓貓道整體仿真模型

圖3 液壓貓道局部仿真模型

ADAMS仿真中放置兩個鉆桿運移系統(tǒng)，間距4.7 m，初始位置為鉆桿運移系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)臂前端水平，鉆桿與旋轉(zhuǎn)臂設(shè)置Contact，接觸參數(shù)根據(jù)材料屬性添加［6］。

當鉆桿到達可自由滾落位置時，油缸可給較小流量或亦可保持不動，從而鉆桿以較小速度滾入液壓貓道平臺。由于在施工中多應(yīng)用直徑為127 mm的鉆桿，故以下對127 mm鉆桿進行仿真分析。

2.2 鉆桿運移系統(tǒng)的接觸力計算

圖4 鉆桿與旋轉(zhuǎn)臂接觸應(yīng)力示意圖

圖5 接觸面上的應(yīng)力分布

2.3 鉆桿運移系統(tǒng)的仿真曲線

油缸速度通過IF函數(shù)［9］設(shè)定，當設(shè)定驅(qū)動函數(shù)為IF(time-3:35，30，20)時，仿真分析可得鉆桿與鉆桿運移系統(tǒng)接觸力變化曲線和鉆桿速度變化曲線，如圖6—8所示。

圖6 127鉆桿與鉆桿運移系統(tǒng)1接觸力曲線 (一)

圖7 127鉆桿與鉆桿運移系統(tǒng)2接觸力曲線 (一)

圖8 127鉆桿速度曲線 (一)

由圖6與圖7知:當兩個鉆桿運移系統(tǒng)的液壓缸同時驅(qū)動時，鉆桿在兩個鉆桿運移系統(tǒng)上滾動所產(chǎn)生的接觸力也會有所區(qū)別，鉆桿運移系統(tǒng)1比鉆桿運移系統(tǒng)2沖擊大，鉆桿運移系統(tǒng)2受力相對穩(wěn)定。

由圖6與圖7知:接觸力消失的時間表示鉆桿已脫離鉆桿運移系統(tǒng)，即鉆桿滾離鉆桿運移系統(tǒng)所需時間為5.20 s。由圖8可以發(fā)現(xiàn):當鉆桿滾離鉆桿運移系統(tǒng)時 (t=5.20 s時)，鉆桿的末速度為 1 992 mm/s，在滾動過程中速度較平穩(wěn)。

當設(shè)定驅(qū)動函數(shù)為 IF(time-3:25，20，10)時，仿真分析可得鉆桿與鉆桿運移系統(tǒng)接觸力變化曲線和鉆桿速度變化曲線，如圖9—11所示。

圖9 127鉆桿與鉆桿運移系統(tǒng)1接觸力曲線 (二)

圖10 127鉆桿與鉆桿運移系統(tǒng)2接觸力曲線 (二)

圖11 127鉆桿速度曲線 (二)

鉆桿運移系統(tǒng)的驅(qū)動速度變小后，觀察圖9與圖10知:鉆桿運移系統(tǒng)1受力不平穩(wěn)，相對鉆桿運移系統(tǒng)2受的沖擊力大，而鉆桿運移系統(tǒng)2受力相對平穩(wěn)且沖擊力較小。

由圖9知:接觸力消失的時間表示鉆桿已脫離鉆桿運移系統(tǒng)，即鉆桿滾離鉆桿運移系統(tǒng)所需時間為9.10 s。由圖11可以發(fā)現(xiàn):當鉆桿滾離鉆桿運移系統(tǒng)時 (t=9.10 s時)，鉆桿的末速度為1 650 mm/s。

通過改變驅(qū)動速度，得到鉆桿與鉆桿運移系統(tǒng)間的接觸力和鉆桿滾落速度的對比曲線，知驅(qū)動速度變慢后接觸力變大而且接觸時間過長，鉆桿滾落變得不穩(wěn)定。但是驅(qū)動速度變慢后，鉆桿滾入貓道平臺時的速度會減小，對平臺擋銷的沖擊力減小。2.4 鉆桿運移系統(tǒng)關(guān)鍵部位的應(yīng)力分析

鉆桿運移系統(tǒng)在抬起的過程中，活塞桿承受很大的壓力，因此有必要對活塞桿進行應(yīng)力分析，以確定所選取的液壓缸是否滿足工作要求。將活塞桿做柔性體分析，得到活塞桿10個點應(yīng)力值，如圖12和13所示。

圖12 活塞桿應(yīng)力分析示意圖

圖13 活塞桿各點應(yīng)力值

由圖13可知:從所選取的10個點中應(yīng)力最大值為515 MPa，遠小于液壓缸桿的屈服強度［10］。所以可得出結(jié)論:所選取的液壓缸滿足工作要求。

3 結(jié)論

(1)建立了鉆桿運移系統(tǒng)模型，鉆桿運移系統(tǒng)采用曲面支撐結(jié)構(gòu)，解決了鉆桿滾入貓道平臺過程中鉆桿滾落速度很難控制的問題。

(2)通過對接觸力和鉆桿速度的分析，油缸速度在30時，具有鉆桿與鉆桿運移系統(tǒng)間的接觸力較小、鉆桿滾落時速度平穩(wěn)、滾落時間短的優(yōu)點，符合快速、平穩(wěn)、自動運移鉆桿的要求。

(3)運用ADAMS/Durability插件對鉆桿運移系統(tǒng)液壓缸桿應(yīng)力分析得出結(jié)論:所選液壓缸滿足運移鉆桿的強度要求。

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