何 畏,常海軍,鄭華林

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,成都610500)

自動(dòng)卡瓦裝置提升機(jī)構(gòu)仿真分析

何 畏,常海軍,鄭華林

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,成都610500)

介紹了一種四連桿機(jī)構(gòu)自動(dòng)卡瓦裝置,運(yùn)用Pro/E對(duì)其四連桿提升機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析,可對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供借鑒。

自動(dòng)卡瓦;四連桿機(jī)構(gòu);運(yùn)動(dòng)仿真

目前,國(guó)內(nèi)油氣田大部分卡瓦裝置都是通過操作人員的外力和卡瓦自重來實(shí)現(xiàn)卡瓦體的升降,自動(dòng)化程度低,安全性能差,工人勞動(dòng)強(qiáng)度大?？ㄍ邫C(jī)械化提放一直是鉆井設(shè)備的研究課題之一[1]。本文給出的一種自動(dòng)卡瓦裝置采用四連桿機(jī)構(gòu),可以很方便地實(shí)現(xiàn)卡瓦機(jī)構(gòu)的上、下運(yùn)動(dòng)。

1 卡瓦提升機(jī)構(gòu)及工作原理

圖1為一種自動(dòng)卡瓦裝置[2-3],該裝置底座為U形結(jié)構(gòu),在開口端兩側(cè)裝有液壓裝置(油缸),采用四連桿機(jī)構(gòu),連桿下端與底座支撐盤連接,油缸帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)卡瓦的提升和下放?？ㄍ呦滦杏捎透桌涂ㄍ唧w自重及套管(或鉆桿)與卡瓦體摩擦力共同作用;上行由油缸推力和套管(或鉆桿)與卡瓦體摩擦力作用。油缸的動(dòng)作由司鉆操作臺(tái)控制閥進(jìn)行控制。

2 連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,可以得到各連桿位移、速度、加速度等;對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,可以反映出各個(gè)連接處的作用力。因此,可以通過改變油缸相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù),對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析來確定優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

圖1 自動(dòng)卡瓦裝置

2.1 仿真模型

利用Pro/E[4]對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模,卡瓦提升機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型如圖2。

圖2 卡瓦提升機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型

采用Pro/E的Mechanism模塊,主要通過3個(gè)步驟進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。

a) 在機(jī)構(gòu)模型上建立伺服馬達(dá),使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一定形式的運(yùn)動(dòng)。

b) 對(duì)1個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析,產(chǎn)生可視化的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程,保存運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果。

c) 進(jìn)行分析測(cè)量,得到分析測(cè)量圖形,并輸出分析結(jié)果。

在該模型中,平行的2根長(zhǎng)連桿底端與底座支撐盤連接,即連接1和連接2為固定鉸鏈連接,連接3和連接4為活動(dòng)鉸鏈。油缸與平行的2根長(zhǎng)連桿連接。連桿末端即載荷點(diǎn)與卡瓦塊相連接(初始條件為連桿末端載荷215 kN)?？ㄍ邏K結(jié)構(gòu)在這里不做討論。

2.2 仿真結(jié)果分析

在油缸上連接1臺(tái)伺服電機(jī),建立整個(gè)連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的可視化運(yùn)動(dòng)過程。通過運(yùn)動(dòng)仿真,得到與卡瓦體相連接的連桿末端的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線(如圖2)。從運(yùn)動(dòng)軌跡可以看出,該自動(dòng)卡瓦裝置能夠很好地在提升鉆柱時(shí)實(shí)現(xiàn)卡瓦楔體的自動(dòng)松開,并在提升到一定高度時(shí)與鉆柱保持有足夠的間隙,使之不發(fā)生摩擦碰撞。

Pro/E分析模塊中的質(zhì)量特性分析功能為剛體質(zhì)量特性參數(shù)的確定提供了簡(jiǎn)便有效的方法。對(duì)于所建立的三維實(shí)體模型,只需定義其材料屬性和材料密度,用質(zhì)量特性分析模塊就可以得到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣等剛體質(zhì)量特性參數(shù)。在確定了零件材料、密度和彈性模量等參數(shù),并對(duì)機(jī)構(gòu)中每一個(gè)零件進(jìn)行定義后,就可以對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。

為了保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠,對(duì)用Pro/E計(jì)算得到的零件質(zhì)量和實(shí)測(cè)的零件質(zhì)量進(jìn)行比較,若二者之間有較大誤差(Pro/E模型和實(shí)物存在形狀差異),可以通過修改該零件材質(zhì)文件中的密度進(jìn)行調(diào)整,直到零件質(zhì)量在允許的誤差范圍內(nèi)。

通過動(dòng)力學(xué)仿真,得到在初始條件下卡瓦塊上行時(shí)連桿機(jī)構(gòu)各連接處的反作用力,如圖3。

圖3 卡瓦連桿機(jī)構(gòu)連接處反作用力

3 結(jié)論

1) 該卡瓦裝置采用四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了卡瓦體上、下運(yùn)動(dòng),操作簡(jiǎn)單方便。

2) 該裝置安裝方便,質(zhì)量輕,安全系數(shù)高。

3) 運(yùn)用Pro/E進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真,可使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可視化,且整個(gè)仿真過程精確、高效,對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能有借鑒作用。

[1] 張寶增,王瑞和.修井作業(yè)中的自動(dòng)起下管柱系統(tǒng)探討[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2007,36(4):22-25.

[2] 宿官禮.鉆井動(dòng)力卡瓦的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2004,33(增刊):134-137.

[3] 姜建勝,林 立,丁建林.石油鉆機(jī)多功能鉆桿氣動(dòng)卡瓦的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].液壓與氣動(dòng),2005(3):33-35.

[4] 和青芳,徐 征.Pro/Engineer Wildfire產(chǎn)品設(shè)計(jì)與機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

Simulation Analysis of Power Slip Lifting Mechanism

HE Wei,CHANG Hai-jun,ZHENG Hua-lin
(College of Mechanical and Electrical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China)

A power slip equipment was introduced,using Pro/E to analyze a kinematical simulation for the lifting mechanism.This could be the reference for optimization design.

power slip;four-link;kinematical simulation

1001-3482(2010)01-0043-02

TE921.9

B

2009-08-25

四川省科技支撐項(xiàng)目(09ZC0429)

何 畏(1961-),男,四川南充人,副教授,主要從事石油鉆采設(shè)備的設(shè)計(jì)與教學(xué)工作。