尚曉峰，馬　龍，尚　進

(沈陽航空航天大學(xué) 機電工程學(xué)院，沈陽 110136)①

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分層注水測調(diào)儀機械臂動力學(xué)分析和運動仿真

尚曉峰，馬龍，尚進

(沈陽航空航天大學(xué) 機電工程學(xué)院，沈陽 110136)①

摘要：針對分層注水測調(diào)儀的工作特點和關(guān)鍵技術(shù)，提出一種新型分層注水測調(diào)儀機械臂結(jié)構(gòu)方案?；诙囿w系統(tǒng)動力學(xué)理論建立其動力學(xué)模型，應(yīng)用仿真分析軟件ADAMS對測調(diào)儀機械臂進行了測調(diào)工況下的動力學(xué)仿真分析。對測調(diào)儀機械臂自動展開、定位、收回，以及機械臂的對接機構(gòu)與坐封在配水器中的堵塞器實現(xiàn)彈性對接等一系列運動過程進行仿真分析。結(jié)果表明，由工作中產(chǎn)生的振動和碰撞引起機械臂機構(gòu)位姿的變化在合理的范圍內(nèi)。仿真分析有效評價了測調(diào)儀機械臂系統(tǒng)動力學(xué)特性，為其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：分層注水；機械臂；運動仿真；優(yōu)化設(shè)計

目前，中國大部分油田都進入了高含水開發(fā)期，在注水井中實現(xiàn)分層控制注入的注水方式，現(xiàn)已成為解決油田的層間矛盾，保持地層能量，維持油田長期穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、提高采收率的重要手段。測調(diào)聯(lián)動分層配水技術(shù)的成功研制，實現(xiàn)“壓力同步錄取、流量實時監(jiān)測、水嘴連續(xù)可調(diào)”的功能，達到提高測試效率、縮短測調(diào)時間、提高測試資料準確率的目的。與原測試技術(shù)相比，測試能力提高近1倍，較大程度上緩解了上述矛盾[1-5]。

測調(diào)聯(lián)動分層配水工藝關(guān)鍵技術(shù)包括地面控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)、井下綜合測調(diào)儀、可調(diào)式堵塞器3個部分。其中，井下綜合測調(diào)儀是實現(xiàn)邊測邊調(diào)，實時監(jiān)測和傳輸井下流量、壓力和溫度等信息的關(guān)鍵部分。測調(diào)儀調(diào)節(jié)機械臂是完成與可調(diào)堵塞器對接，從而實現(xiàn)注水流量測量和調(diào)節(jié)的重要執(zhí)行部分[6-8]。

在井下的工作環(huán)境中，測調(diào)儀要進行機械臂的定位對接、收回等一系列動作，其能否準確地完成這些運動將直接影響工作量。本文根據(jù)實際工況建模，并在ADAMS/View中對模型進行運動仿真和動力學(xué)分析。經(jīng)過多次分析和優(yōu)化，改進設(shè)計方案進而到達完善設(shè)計的目的。

1分層注水測調(diào)儀調(diào)節(jié)機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)有注聚井、注水井的井下測調(diào)儀的機械臂多設(shè)計有鋼絲和彈簧結(jié)構(gòu)，使調(diào)節(jié)臂彈出和收回。該結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能通過簡單的機械結(jié)構(gòu)和一個電機實現(xiàn)多個動作，實際使用中存在鋼絲銹蝕、易卡滯、可靠性差等問題。因此，本文提出了一種使井下測調(diào)儀的調(diào)節(jié)臂能彈出、收回的離合凸輪機構(gòu)，用以解決現(xiàn)有調(diào)節(jié)臂存在的問題[9-10]。

本研究提出的機械臂新型結(jié)構(gòu)如圖1，電機帶動主傳動軸轉(zhuǎn)動，主傳動軸通過凸輪離合帶動凸輪運動，凸輪副帶動搖臂和平衡臂的張開和閉合。具體工作原理是，凸輪在主傳動軸的帶動下，凸輪每轉(zhuǎn)過90°，凸輪的長軸端和短軸端交替處于豎直位置。工作之前長軸端處于豎直位置，驅(qū)動扭簧處于壓縮狀態(tài)，利用杠桿原理，凸輪長軸轉(zhuǎn)向水平位置過程中，搖臂和平衡臂逐漸張開，扭簧隨之釋放扭轉(zhuǎn)力起到支撐作用；當(dāng)凸輪長軸轉(zhuǎn)回豎直位置時，搖臂和平衡臂逐漸收攏。當(dāng)機械臂完成定位時，機械臂上的水嘴對接機構(gòu)與配水器中的堵塞器對接過程中，在自重力和儀器下放慣性力的共同作用下，半圓支撐沿軸向滑移，凸輪在凸輪離合機構(gòu)作用下與主傳動軸分離，這時電機的全部動力通過主傳動軸、花鍵軸傳遞到水嘴傳動軸上，通過控制電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)對堵塞器的調(diào)節(jié)。

1—錐形螺套組件；2—水嘴調(diào)整彈簧；3—水嘴傳動軸；

2動力學(xué)分析

2.1機械臂張開運動動力學(xué)分析

測調(diào)儀機械臂的運動分為兩部分進行，即，機械臂從測調(diào)儀槽體內(nèi)彈出；定位后，測調(diào)儀在井下與堵塞器完成對接。在第1部分運動中，機械臂的三維模型和結(jié)構(gòu)簡圖如圖2～3所示。依據(jù)多剛體系統(tǒng)動力學(xué)的笛卡爾方法[12-13]，建立機械臂的運動學(xué)方程。

Φ(q)=[Φ1(q),Φ2(q),Φ3(q),

Φ4(q),Φ5(q),Φ6(q)]T=0

式中：Φ1(q)是搖臂絕對x位置的約束方程；Φ2(q)是搖臂絕對y位置的約束方程；Φ3(q)是搖臂絕對角約束方程；Φ4(q)是前臂絕對x位置約束方程；Φ5(q)是支撐傳動軸滑移約束方程；Φ6(q)是支撐傳動軸角約束方程。

圖2　測調(diào)儀機械臂三維圖

圖3　測調(diào)儀機械臂結(jié)構(gòu)簡圖

對機械臂各組件進行力學(xué)分析，機械臂的搖臂，前臂和支撐傳動軸在y方向位置如圖3，根據(jù)牛頓—歐拉方法，可得出各組件的剛體動力學(xué)方程，即

2.2機械臂對接運動動力學(xué)分析

在機械臂與堵塞器進行對接的過程中，對于機械臂中第i個柔性體或剛體，用拉格朗日乘子法建立運動微分方程[14]。

式中：T為系統(tǒng)廣義坐標表達的動能；qi為系統(tǒng)廣義坐標；Fi在廣義坐標下的廣義力；λ為拉格朗日乘子。

將系統(tǒng)中所有組件的運動方程與約束方程聯(lián)立，寫成矩陣形式：

式中：M為質(zhì)量矩陣；Cp為系統(tǒng)雅克比約束方程矩陣；Fa，F(xiàn)v，F(xiàn)e分別是由應(yīng)變能、力引起的速度和外加載荷引起的廣義力；λ為拉格朗日乘子。

3基于ADAMS機械臂運動仿真

針對測調(diào)儀機械臂張開，并與可調(diào)堵塞器對接這兩項典型任務(wù)，運用ADAMS動力學(xué)仿真軟件對其過程進行仿真。由于機械臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在ADAMS中建模較為復(fù)雜，因而其模型在UG建立，Parasolid格式導(dǎo)入ADAMS中后，對模型進行添加約束，運動副以及驅(qū)動等，并采用STEP函數(shù)進行擬合，調(diào)試模型，然后進行運動仿真。

3.1機械臂張開收攏過程

測調(diào)儀在井下工作時，第1步工作即是機械臂的張開。機械臂的張開由1臺行星減速電機控制。電機工作的額定轉(zhuǎn)矩為8N·m，轉(zhuǎn)速為1.5r/min，電機每轉(zhuǎn)過180°，機械臂即完成一次收攏動作。在ADAMS軟件中，根據(jù)測調(diào)儀實際工況設(shè)置電機的轉(zhuǎn)速為9°/s，對其進行40s時長的仿真。因為機械臂張開收攏，主要靠搖臂在凸輪和扭簧作用下完成，因此主要對搖臂進行分析研究。得到機械臂搖臂的位置變化如圖4。在40s內(nèi)，電機轉(zhuǎn)動1周，機械臂完成2次張開收攏動作。圖5顯示了搖臂與凸輪之間受力情況，搖臂在張開過程中，受力減小，特別是到短軸弧面部分，受力減小較快；而在收攏時受力又逐漸增大。

圖4　機械臂搖臂的位置變化曲線

圖5　機械臂搖臂和凸輪之間受力曲線

在ADAMS中對搖臂的角加速度進行快速傅里葉變換，得到其FFT3D圖(如圖6)?？梢灾庇^地看到搖臂在剛開始工作時，由于扭簧處于壓縮狀態(tài)，搖臂和凸輪之間受力較大，有較大的振動產(chǎn)生，隨后隨著繼續(xù)工作，機械臂系統(tǒng)工作逐漸趨于平滑，能夠平滑的張開和收攏。

圖6　機械臂搖臂質(zhì)心加速度FFT3D圖

3.2機械臂與堵塞器對接過程

測調(diào)儀下入井中的速度一般都很慢，當(dāng)?shù)竭_目標注水層時，應(yīng)當(dāng)以很慢的速度去進行對接。因此，本文設(shè)置初始對接條件：測調(diào)儀到達目標油層時的下行速度(x方向)設(shè)置為50mm/s，設(shè)其展開定位機構(gòu)無定位徑向偏差，并且下行無橫向移動，測調(diào)儀機械臂重力為39N。

研究傳動對接機構(gòu)與可調(diào)堵塞器對接碰撞過程對整個調(diào)節(jié)機械臂的影響，必須分析整個調(diào)節(jié)機械臂質(zhì)心的速度、加速度以及測調(diào)儀與可調(diào)堵塞器碰撞在接觸過程中相互作用力。由圖7～8可知，測調(diào)儀調(diào)節(jié)機械臂第1次碰撞可調(diào)堵塞器的速度是500mm/s左右，這時接觸面質(zhì)心沖擊碰撞的加速度為13m/s2左右。

圖7　測調(diào)儀質(zhì)心垂直方向速度曲線

圖8　接觸面質(zhì)心垂直方向加速度曲線

對接碰撞過程的相互受力曲線如圖9所示，在第1次碰撞時，其碰撞接觸力大約為350N，之后大約1s，由于碰撞對接緩沖彈簧的緩沖作用，碰撞接觸力逐漸減小，使碰撞接觸力趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值為調(diào)節(jié)機械臂的重力39N。

圖9　對接水嘴與可調(diào)堵塞器的碰撞沖擊力曲線

該對接機構(gòu)中緩沖元件主要包括水嘴調(diào)整彈簧和花鍵軸套彈簧?；ㄦI軸彈簧緩沖對接碰撞力對機械臂關(guān)節(jié)處的沖擊力；花鍵傳動軸用來一方面提供傳動動力，另一方面通過花鍵軸套彈簧可以起到緩沖對接碰撞力對驅(qū)動電機輸出軸沖擊的作用。本文選擇設(shè)計的對接緩沖花鍵軸套彈簧參數(shù)是自由伸長長度為33.2mm，剛度為6N/mm，最大行程為7.5mm。如圖10為對接過程中花鍵軸套彈簧緩沖裝置位移變化曲線，可以作為調(diào)節(jié)機械臂中的關(guān)鍵和危險零件設(shè)計的理論依據(jù)。由圖10可知，機械臂在與可調(diào)堵塞器對接首次接觸，得到該螺旋彈簧的最大壓縮量為7mm左右，經(jīng)過0.8s左右，該螺旋彈簧的壓縮位移趨于平穩(wěn)。

圖10　花鍵軸套彈簧緩沖位移曲線

如圖11所示為對接碰撞中搖臂機構(gòu)肩關(guān)節(jié)受力曲線，圖12為對接碰撞中搖臂機構(gòu)肘關(guān)節(jié)受力曲線。機械臂的對接水嘴與可調(diào)堵塞器對接頭在開始接觸時，不可避免會產(chǎn)生沖擊力，再加上在對接機構(gòu)和展開定位機構(gòu)中間通過花鍵軸連接，因此在接觸時會產(chǎn)生緩沖振動，振動導(dǎo)致關(guān)節(jié)受力值較大，由圖11～12可知，其中的肩關(guān)節(jié)受力最大200N左右，肘關(guān)節(jié)受力最大在250N左右，最終在1s后受力都趨于平穩(wěn)，肩關(guān)節(jié)受力在20N，肘關(guān)節(jié)值在30N。這表明彈簧緩沖振動不會對調(diào)節(jié)機械臂的搖臂和前臂產(chǎn)生很大的影響。

圖11　搖臂機構(gòu)肩關(guān)節(jié)受力曲線

圖12　搖臂機構(gòu)肘關(guān)節(jié)受力曲線

測調(diào)儀在實際工作時，由于機械臂的展開定位機構(gòu)與對接水嘴有一定的誤差，因此，調(diào)節(jié)機械臂的對接水嘴在與可調(diào)堵塞器初次對接時，調(diào)節(jié)機械臂的對接水嘴的軸線與可調(diào)堵塞器的軸線不同心，這造成搖臂機構(gòu)在展開方向上存在徑向?qū)诱`差。但是，對接水嘴內(nèi)部的錐面與可調(diào)堵塞器對接頭錐面結(jié)構(gòu)互相吻合，起到了對心導(dǎo)向作用。綜合可以看出，對接水嘴展開方向與x軸方向的位置變化大約在0.8s后都趨于穩(wěn)定，表明對接水嘴與可調(diào)堵塞器相對靜止，測調(diào)儀與可調(diào)堵塞器的對接成功。

4結(jié)論

1)利用動力學(xué)仿真軟件ADAMS對測調(diào)儀機械臂主要機構(gòu)在實際情況下的運動過程進行仿真分析，驗證了設(shè)計的合理性，為優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考。

2)該分層注水測調(diào)儀機械臂在傳動結(jié)構(gòu)上具有創(chuàng)新性，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化了很多，且提高了傳動效率，機械臂的收放時間不超過18s。

3)測調(diào)儀機械臂對接過程是否可靠，取決于對接機構(gòu)與可調(diào)堵塞器的碰撞接觸力大小以及對驅(qū)動電機輸出軸產(chǎn)生沖擊力大小。因此，碰撞接觸力和對驅(qū)動電機輸出軸的沖擊力不能太大，這就需要對下入井里的測調(diào)儀至目標注水層的速度進行一定的要求和限定。以測調(diào)儀下入井中到目標注水層上方的速度不能超過50mm/s為宜。

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Dynamics Analysis and Motion Simulation for Measuring Instrument Mechanical Arm Used in Oilfield Layered Water Injection

SHANG Xiaofeng，MA Long，SHANG Jin

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering，ShenyangAerospaceUniversity，Shenyang110136，China)

Abstract：Stratified water measuring instrument is one important part in the layered testing and adjusting combination water-distributing system，and in this paper，a new structure1 of the measuring instrument mechanical arm was proposed based on its work characteristics and key technology.Based on the theory of multi-body system dynamics，its dynamical model had been built for the simulation under measuring working condition by using ADAMS.A series of movements of the measuring instrument mechanical arm include its automatically unfolding，position，recover and docking with plug sitting in the water distribution device were simulated，and the result showed that vibration and impact generated in work that caused changes in body position and orientation of the robot arm were within a reasonable range.The simulation could effectively evaluate the dynamic characteristics of the measuring instrument mechanical arm，and provide a reference for structure optimization.

Keywords：separate layer water injection；mechanical arm；dynamics simulation；optimizing design

中圖分類號：TE934.101

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.008

作者簡介：尚曉峰(1972-)，男，遼寧海城人，博士，主要研究領(lǐng)域為激光快速成型和石油開采井下工具。

收稿日期：①2015-08-20

文章編號：1001-3482(2016)02-0037-05