李友興董宗正劉永勝樊春明

（1.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)中心 成都610052；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 寶雞721000；3.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 成都610500）

貓道機(jī)踢出裝置同步問(wèn)題的探討

李友興1，2董宗正3劉永勝1，2樊春明1，2

（1.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)中心 成都610052；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 寶雞721000；3.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 成都610500）

針對(duì)調(diào)試試驗(yàn)出現(xiàn)的踢出裝置不同步問(wèn)題，從原理和工況兩個(gè)方面分析原因，建立壓力損失數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)對(duì)比評(píng)估影響因素的影響程度；分析并提出管路等長(zhǎng)、增大管徑、加裝分流集流閥等三種解決方案；運(yùn)用AMESim軟件仿真與數(shù)值分析兩種方法對(duì)比分析不同方案的同步效果并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明加裝分流閥是解決踢出裝置同步問(wèn)題有效途徑之一，AMESim能用于液壓系統(tǒng)性能分析，且方便快捷、可靠性高。

貓道機(jī)；踢出裝置；同步；AMESim軟件

引 言

管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)在鉆井作業(yè)中，能將管狀類鉆具（鉆桿、鉆鋌、套管等）由鉆井平臺(tái)甲板或鉆桿排放架自動(dòng)傳送至鉆臺(tái)，在鉆井作業(yè)結(jié)束時(shí)再將管具輸送至甲板或地面排放架［1］。貓道機(jī)是管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)的重要組成部分，提高該裝置的工作效率是提升管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)工作效率的重要途徑之一［2-3］。目前，國(guó)外的貓道機(jī)主要有固定式、舉升式、機(jī)械手臂等三種形式，國(guó)內(nèi)諸多單位也根據(jù)我國(guó)鉆修井的實(shí)際情況，研發(fā)了多種型號(hào)的貓道機(jī)。

貓道機(jī)主要是完成送管柱上升至鉆臺(tái)面及送管柱下放到排管架兩個(gè)過(guò)程。在送管柱下放作業(yè)時(shí)，貓道機(jī)的踢出裝置將管柱踢至貓道上的傾斜機(jī)構(gòu)，而由于踢出裝置的兩個(gè)液壓缸間不同步問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致管柱無(wú)法順利踢出，進(jìn)而使整個(gè)管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)工作停滯，甚至可能造成管柱損傷以及其他無(wú)法預(yù)測(cè)的危險(xiǎn)。因此，分析研究貓道機(jī)踢出裝置不同步的影響因素，并提出有效的解決方案，解決其同步問(wèn)題，對(duì)提高貓道機(jī)工作效率從而降低鉆修井的成本有重要意義。

圖1為某石油裝備公司設(shè)計(jì)的應(yīng)用于海洋浮式平臺(tái)的某型號(hào)貓道機(jī)。

圖1 貓道機(jī)工作狀態(tài)示意圖

在完成生產(chǎn)后，進(jìn)行了貓道機(jī)廠內(nèi)試驗(yàn)，出現(xiàn)以下情況：

（1）踢出裝置的兩只踢出液壓缸活塞桿一前一后伸出，踢出時(shí)管柱出現(xiàn)偏斜；

（2）離液壓源較遠(yuǎn)端的踢出液壓缸無(wú)法將管柱踢出V形槽，或踢出后管柱又滑落回V形槽。

踢出裝置油路參數(shù)及測(cè)試結(jié)果如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明踢出裝置出現(xiàn)嚴(yán)重的不同步問(wèn)題。為解決該問(wèn)題，首先應(yīng)進(jìn)行問(wèn)題分析，然后計(jì)算壓力損失并提出解決方案。

表1 性能測(cè)試記錄

1 問(wèn)題分析與計(jì)算

針對(duì)上述提出的不同步問(wèn)題，現(xiàn)從工作原理和工況進(jìn)行分析、計(jì)算，并加以說(shuō)明，找出不同步的原因。

從工作原理上分析，踢出裝置總成圖如圖2所示。管柱落于V形槽中，在兩個(gè)踢出裝置的液壓缸的驅(qū)動(dòng)下，連桿自左下方至右上方運(yùn)動(dòng)，踢出管柱，沿支撐面滾動(dòng)至排管架。

圖2 踢出裝置總成圖

貓道機(jī)的踢出裝置由兩只液壓缸驅(qū)動(dòng)共同完成踢出動(dòng)作。踢出裝置部分的液壓原理圖如圖3所示。

圖3 踢出裝置液壓原理圖

從原理上分析，踢出裝置兩液壓缸之間相距4 800 mm，液壓管路較長(zhǎng)可能存在較大的壓力損失，從而導(dǎo)致兩只液壓缸壓力不同，使作用力大小不同?？梢杂?jì)算壓力損失，并與負(fù)載所需的壓力進(jìn)行比較，從而評(píng)估壓力損失的影響程度。

從工況上分析，理想的工況是兩液壓缸施加于管柱的作用力大小相等、方向一致且同時(shí)作用。這就要求：

（1）踢出時(shí)要求管柱的質(zhì)心處于兩液壓缸的中點(diǎn)位置（如圖4所示）。如不處于理想位置，則可能出現(xiàn)偏載。

圖4 管柱理想工作位置

（2）踢出裝置施加于管柱兩點(diǎn)之間力的大小和方向相同。

（3）兩個(gè)液壓缸活塞桿以相同速度伸出。但實(shí)際中管柱的工作位置靠操作人員的目測(cè)觀察判斷，很難做到管柱質(zhì)心處于兩液壓缸中點(diǎn)位置。踢出裝置施加于管柱力的大小由液壓缸內(nèi)油壓決定，力的方向由機(jī)構(gòu)加工和裝配精度決定。兩個(gè)液壓缸相同速度伸出則要求兩個(gè)液壓缸流量和流速相同，兩個(gè)液壓缸及管路規(guī)格相同時(shí)流量由三通分配而來(lái)，則流量相同。

進(jìn)而分析出影響因素為：壓力損失、管柱在踢出裝置的位置，以及踢出裝置兩個(gè)液壓缸內(nèi)液壓油的壓力。

1.1 壓力損失模型及計(jì)算

壓力損失分為沿程壓力損失和局部壓力損失兩類。對(duì)于絕大部分貓道機(jī)的踢出裝置而言，其壓力損失包括這兩類壓力損失，計(jì)算公式可表述為：

1.1.1 沿程壓力損失

沿程壓力損失［4］指液體在直管中流動(dòng)時(shí)因液體具有的粘性而產(chǎn)生的壓力損失，其計(jì)算公式為：

式中：ρ為液壓油密度，kg/m3；ν為管內(nèi)液壓油的流速，m/s；λ為摩擦系數(shù)。

式中：q為油管流量，m3/s（1 m3/s=60×105L/min）；d為油管內(nèi)徑，mm。

液壓油在油管內(nèi)流動(dòng)的形式不同，其摩擦系數(shù)計(jì)算方式也不相同。其流動(dòng)形式主要包括兩種：當(dāng)雷諾系數(shù)Re小于Recr時(shí)液壓油的流動(dòng)狀態(tài)為層流，反之為紊流。層流與紊流其摩擦系數(shù)計(jì)算公式分別見(jiàn)式（4）和式（5）。

式中：雷諾系數(shù)Re可根據(jù)式（6）計(jì)算得到：

式中：r為液壓油的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s。

1.1.2 局部壓力損失模型

兩個(gè)液壓缸之間無(wú)液壓元件，局部損失只需計(jì)算兩缸之間的直角接頭即可，根據(jù)式（7）計(jì)算局部壓力損失：

式中：K為局部阻力系數(shù)。

第一次淬火時(shí)，淬火感應(yīng)圈1的長(zhǎng)直角邊5到齒圈2的倒角端面6的落差為3.5mm，加熱時(shí)間設(shè)定為5.8s，冷卻時(shí)間設(shè)定為10s，冷卻時(shí)間即噴水時(shí)間，也需要控制，時(shí)間短易出現(xiàn)屈氏體，甚至是噴水壓力也應(yīng)該有效控制，通常壓力控制在0.3～0.45MPa，壓力小易導(dǎo)致淬火件金相組織不均勻，易出現(xiàn)屈氏體，降低金相等級(jí)。

代入q=80 L/min，d=12 mm，ρ=900 kg/m3，γ=46cst=46×10-6m2/s，K=0.3計(jì)算得：ν=11.79 m/s，Re=3 075，λ=4.248×10-2，ΣΔp=1.14 MPa。

1.2 壓力損失與負(fù)載所需壓力的比較

對(duì)貓道機(jī)的踢出裝置進(jìn)行載荷分析，計(jì)算可得出液壓缸的負(fù)載，即踢出管柱所需要的力。踢出裝置的載荷分析如圖5所示。

圖5 踢出裝置載荷示意圖

經(jīng)分析，液壓缸的壓力為：

式中液壓缸的負(fù)載Fp為：

式中：G為管柱的重力；L1～L4為力矩。

在壓力損失一定的情況下，驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需的液壓油壓力越小則壓力損失的影響越大?，F(xiàn)按最不利的情況即最小負(fù)載進(jìn)行分析、計(jì)算，貓道機(jī)適用的管柱中，取質(zhì)量最小的鉆桿計(jì)算。

貓道機(jī)設(shè)計(jì)適用鉆柱的最小規(guī)格為鉆桿為2-7/8 EU。查API 5DP鉆桿規(guī)范，2-7/8 EU鉆桿的計(jì)算質(zhì)量為16.25 kg/m，最小長(zhǎng)度取第二類最短長(zhǎng)度8.84 m，則最小鉆桿的質(zhì)量為 143.65 kg?？紤]到鉆桿接頭部分比鉆桿直徑大，因此增加5%的富裕量，則最短的2-7/8寸鉆桿的質(zhì)量m為150.8 kg，重力G=150.8×9.8 N=1 477.8 N。

代入式（8）、式（9），可求得Fp=1 648.5N。

液壓缸規(guī)格YG63/35-60，在該負(fù)載下單只液壓缸的壓力為：

將數(shù)值代入式（10）求得p=0.53 MPa，則壓力損失1.14 MPa比液壓缸所需壓力0.53 MPa還大。對(duì)常用的5EU鉆桿，代入上式計(jì)算單只液壓缸的壓力為0.67 MPa。經(jīng)分析計(jì)算，壓力損失因素對(duì)踢出裝置的不同步影響較大。

因此，兩個(gè)液壓缸的壓力損失差可能是造成踢出裝置不同步的主要因素。另外，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，偏載（管柱不處于理想工位導(dǎo)致兩個(gè)液壓缸載荷不同）也是造成踢出裝置不同步的另一個(gè)重要原因。為消除這兩個(gè)因素對(duì)踢出裝置同步問(wèn)題的影響，提出了以下解決方案。

2 改進(jìn)方案

踢出裝置對(duì)同步精度要求不是特別高，同時(shí)希望改造簡(jiǎn)單且成本低廉，因此不宜考慮同步馬達(dá)、伺服閥等高成本方案，針對(duì)性提出以下三種解決方案。

（1）油路等長(zhǎng)。在局部損失相同的情況下，兩液壓缸的壓力損失差取決于沿程壓力損失，而沿程壓力損失在流速和管徑不變的情況下，由管路長(zhǎng)度決定。但不可消除偏載帶來(lái)的影響。

（2）增大管徑。由沿程損失計(jì)算公式可知，在管路長(zhǎng)度l、流速ν不變的情況下，增大油管直接d的可降低壓力損失差。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》要求，壁厚可減至1.6 mm，則管徑增至14.8 mm。

d=14.8 mm代入公式計(jì)算，可得沿程損失為Δph=0.39 MPa，相比于原管徑的壓力損失減小63%，但不可消除偏載帶來(lái)的影響。

（3）加裝分流集流閥。分流集流閥可以使兩個(gè)或兩個(gè)以上的執(zhí)行元件在承受不同載荷時(shí)仍能獲得相等（或成一定比例）的流量，從而實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件的同步運(yùn)動(dòng)，因此也稱為同步閥。

為降低成本、提高效率，運(yùn)用AMESim軟件對(duì)以上方案進(jìn)行了仿真分析。

3 AMESim仿真分析

3.1 仿真模型建立

AMESim為多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)，該平臺(tái)可建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)模型并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入分析，也可以研究元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能［5-8］。在不考慮其他外界因素影響影響的情況下，建立的原系統(tǒng)仿真分析模型，如圖6所示。

圖6 原系統(tǒng)仿真模型

AMESim仿真系統(tǒng)的基本參數(shù)見(jiàn)表2。負(fù)載用質(zhì)量塊等效，用影響最大的規(guī)格為2-7/8 EU最 短鉆桿進(jìn)行分析。為模擬偏載工況，將鉆桿質(zhì)量設(shè)置成兩個(gè)質(zhì)量塊，其質(zhì)量比用以反映偏載的程度［9-10］。

方案1、方案2模型與原系統(tǒng)模型相同，只需分別調(diào)整管路長(zhǎng)度和直徑的參數(shù)即可仿真。方案3需先建立分流閥模型，再構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)模型（如圖7所示）。

圖7 方案3仿真模型

表2 仿真模型部分參數(shù)

3.2 仿真分析

3.2.1 原系統(tǒng)仿真分析

為分析、驗(yàn)證兩個(gè)液壓缸的壓力損失差對(duì)踢出裝置同步的影響，在進(jìn)行原系統(tǒng)仿真時(shí)，將鉆桿質(zhì)量平均分配到兩個(gè)液壓缸上，即兩個(gè)質(zhì)量塊的質(zhì)量比為1∶1，其仿真結(jié)果如圖8、圖9所示（仿真模型左側(cè)液壓缸稱之為遠(yuǎn)端液壓缸，右側(cè)液壓缸稱之為近端液壓缸）。圖中實(shí)線表示遠(yuǎn)端液壓缸，點(diǎn)線表示近端液壓缸。

圖8 進(jìn)油壓力—時(shí)間關(guān)系曲線

圖9 活塞位移-時(shí)間關(guān)系曲線

通過(guò)仿真分析得到的兩液壓缸壓力損失差約為1.13 MPa，與數(shù)值計(jì)算得出的1.14 MPa基本吻合，而兩個(gè)液壓缸確實(shí)存在運(yùn)動(dòng)不同步的問(wèn)題，表明兩個(gè)液壓缸壓力差確實(shí)是造成不同步的原因之一。

3.2.2 優(yōu)化方案仿真分析

管柱處于不同工位時(shí)仿真結(jié)果不同，故在進(jìn)行三種優(yōu)化方案仿真時(shí)，將兩個(gè)質(zhì)量塊的比值與工位相對(duì)應(yīng)，選取理想工位即質(zhì)量比為1 ∶ 1、1 ∶ 1.5、1 ∶ 2這三種不同情況踢出裝置的同步性能。

仿真結(jié)果表明：方案1及方案2在管柱處于理想工位時(shí)踢出裝置同步性能良好，而管柱處在非理想工位（質(zhì)量比為1 ∶ 1.5和1 ∶ 2）時(shí)，其同步性能較差。方案3不論管柱處在何種位置，兩個(gè)液壓缸的兩個(gè)活塞的速度基本相等，表明該方案具有良好的同步性能，圖10為質(zhì)量比1 ∶ 2時(shí)兩個(gè)液壓缸位移-時(shí)間關(guān)系曲線。

圖10 活塞位移-時(shí)間關(guān)系曲線

3.3 同步性能實(shí)驗(yàn)

依據(jù)仿真分析結(jié)果，按照方案3的技術(shù)方案對(duì)貓道機(jī)踢出裝置的液壓系統(tǒng)進(jìn)行改裝并完成實(shí)驗(yàn)，下頁(yè)圖11為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)照片，部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)表3。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在貓道踢出裝置的液壓系統(tǒng)中加裝分流閥后，能夠保證兩個(gè)液壓缸的進(jìn)油量相同，可有效避免壓力損失、偏載造成的不同步問(wèn)題。

圖11 同步性能實(shí)驗(yàn)

表3 同步性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）對(duì)于類似裝置同步問(wèn)題可從原理和工況兩個(gè)方面尋找原因，并對(duì)影響因素進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估，然后對(duì)影響大的因素進(jìn)行分析并提出改進(jìn)方案，最后通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)方案的效果。

（2）可通過(guò)數(shù)值計(jì)算和AMESim仿真分析影響因素的影響程度，兩者可以相互印證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（3）AMESim軟件仿真結(jié)果與實(shí)際調(diào)試試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，為貓道機(jī)及其他液壓系統(tǒng)的性能分析、優(yōu)化提供了一種更為直觀且高效的方法。

（4）分流集流閥能很好的消除兩個(gè)液壓缸之間的壓力損失差以及偏載對(duì)液壓缸同步動(dòng)作的影響。安裝分流集流閥提升踢出裝置同步性能的方法也進(jìn)而可推廣運(yùn)用于其他液壓動(dòng)力回路系統(tǒng)中。

［ 1 ］姜開(kāi)勛.斜直井鉆機(jī)管子處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與理論研究［D］.大慶：東北石油大學(xué)，2012.

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Discussion about synchronous issue of power catwalk's kick-out device

LI You-xing1,2DONG Zong-zheng3LIU Yong-sheng1,2FAN Chun-ming1,2
(1.National Oil and Gas Drilling Equipment Research Center, Chengdu 610052, China; 2.BaoJi Oilf eld Machinery Co.,Ltd., Baoji 721000, China; 3.Mechatronic Engineering College, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

The reasons possibly cause the asynchrony of kick-out facility during the debugging trials are analyzed from the two aspects of the fundamentals and operation conditions.The mathematical pressure loss model is established and calculated to evaluate the effect of the influence factors by comparison.It analyzes and puts forward the three different solutions including the equal pipe length, the enlargement of pipe diameter and the installation of flow distributing and collecting valve.The synchronization of three different solutions are compared and analyzed by AMESim software and numerical calculation, and are verified by experiments.The results indicate that the installation of the distributing valve is one of the effective ways to solve the synchrony problem for the kick-out facility.AMESim is convenient and reliable for the performance analysis of the hydraulic system.

power catwalk; kick-out facility; synchronization; AMESim(advanced modeling environment for performing simulation of engineering systems)

TE951

A

1001-9855（2016）06-0087-07

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“深水鉆機(jī)與管柱自動(dòng)化處理關(guān)鍵技術(shù)研究”（2012AA09A203）。

2016-07-29；

2016-09-09

李友興（1985-），男，碩士，工程師，研究方向：石油鉆采裝備的設(shè)計(jì)研究。董宗正（1986-），男，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：鉆頭及井下工具、計(jì)算機(jī)仿真CAD/CAE/CAM。劉永勝（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：石油鉆采裝備的設(shè)計(jì)研究。樊春明（1976-），男，高級(jí)工程師，研究方向：石油鉆采裝備的設(shè)計(jì)研究。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.06.087