常玉連，朱寶鱗，高勝，王妍，劉麗雪

（東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318）

目前，我國大多數(shù)修井機(jī)的工作方式都是使用吊卡起下管柱，自動化程度不高，工作過程繁瑣。獨(dú)立式不壓井修井機(jī)通過機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)移運(yùn)管柱，再由扶正升降系統(tǒng)完成油管的對中和輔助上卸扣過程。設(shè)計從提高自動化程度的角度出發(fā)，將機(jī)械臂和扶正升降系統(tǒng)上的機(jī)械手設(shè)計成通過液壓缸提供動力，可在一定范圍內(nèi)抓取管柱，然后實(shí)現(xiàn)由機(jī)械臂移運(yùn)管柱、起升系統(tǒng)夾緊管柱，保證待下放管柱中心與井口中管柱中心對中的操作，并且能在液壓鉗上卸扣時扶正管柱，防止管柱發(fā)生傾斜［1－2］。

本文分析計算了夾持油管機(jī)械手，根據(jù)機(jī)械手的工作參數(shù)要求，計算其基本液壓參數(shù)。通過ADAMS軟件建立機(jī)液耦合仿真模型，進(jìn)行機(jī)械手夾緊油管過程的機(jī)液聯(lián)合仿真研究［3］。

1 功能和結(jié)構(gòu)

如圖1所示，修井機(jī)在起下油管過程中主要工作系統(tǒng)有機(jī)械臂、扶正升降系統(tǒng)、不壓井舉升系統(tǒng)和液壓鉗。修井機(jī)在工作中需要把水平放置的油管立起，該項(xiàng)工作由機(jī)械臂完成，機(jī)械臂上裝有2個可以旋轉(zhuǎn)的夾持油管機(jī)械手。扶正升降系統(tǒng)主要用來實(shí)現(xiàn)管柱起下作業(yè)的自動化，扶正升降系統(tǒng)上端安裝的是扶正機(jī)械手，下端安裝的是夾持油管機(jī)械手。修井機(jī)下管時，機(jī)械臂上機(jī)械手通過液壓缸向左旋轉(zhuǎn)90°，抓取油管夾緊后，機(jī)械臂起升到豎直狀態(tài)，將豎直的油管放到扶正升降系統(tǒng)上機(jī)械手可以抓取的位置，扶正升降系統(tǒng)上機(jī)械手同時閉合抱住管柱，并由下端的夾持油管機(jī)械手夾緊管柱，機(jī)械臂上機(jī)械手張開移走，最后在扶正升降系統(tǒng)、不壓井起升系統(tǒng)和液壓鉗的共同配合下完成油管的對接。

機(jī)械臂上安裝的2個夾持油管機(jī)械手通過法蘭連接在旋轉(zhuǎn)軸的兩端，實(shí)現(xiàn)夾緊管柱防止管柱在重力作用下下滑的功能。扶正升降系統(tǒng)上2個機(jī)械手用來從大臂機(jī)械手中接送管柱，能夠完成管柱的扶正、夾持功能，可以順利地將待下放管柱與井口懸持的管柱中心對中。

如圖2所示，夾持油管機(jī)械手主要由手爪、襯套、卡牙板、連桿、T 形連桿、連接架和液壓缸組成。當(dāng)對機(jī)械手液壓缸無桿腔供油，液壓缸缸筒、活塞缸同時向外移動，推動T 形連桿，帶動機(jī)械手連桿運(yùn)動，T 形連桿、機(jī)械手連桿相對于機(jī)械手呈對稱分布，因?yàn)闄C(jī)械手連桿連接到機(jī)械手手爪上，從而帶動機(jī)械手手爪繞著旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動并且閉合，從而實(shí)現(xiàn)管柱夾緊功能。

圖1 修井機(jī)主要結(jié)構(gòu)

圖2 夾持油管機(jī)械手

機(jī)械手主體結(jié)構(gòu)包括后座、左卡爪、右卡爪。兩卡爪分別與后座鉸接，并相對于后座對稱。后座由后座殼體、襯套、卡牙組成。襯套通過螺栓連接在后座殼體上，根據(jù)抓取的不同管柱的直徑，可以更換不同的襯套，實(shí)現(xiàn)較大的抓取管柱直徑范圍。

卡爪由卡爪體、襯套和卡牙組成。卡爪襯套與后座襯套內(nèi)徑相同。卡牙與襯套同樣通過燕尾槽連接，上下端通過擋塊固定。左右卡爪相互交錯閉合夾緊管柱。

扶正升降系統(tǒng)中扶正機(jī)械手使用的是油管套代替卡牙板實(shí)現(xiàn)扶正功能，卡牙板和油管套的區(qū)別不會影響仿真結(jié)果，扶正機(jī)械手和夾緊機(jī)械手的中心對中，液壓缸的壓力相同，功能相似，工序不同，因此只需對夾緊機(jī)械手即夾持油管機(jī)械手進(jìn)行機(jī)液聯(lián)合仿真。

扶正升降系統(tǒng)上的夾持油管機(jī)械手和機(jī)械臂上2個夾持油管機(jī)械手參數(shù)相同，只是扶正升降系統(tǒng)上機(jī)械手后座是固定的，機(jī)械臂上2個機(jī)械手通過法蘭連接在旋轉(zhuǎn)軸的兩端。因此，仿真過程中只分析扶正升降系統(tǒng)上的夾持油管機(jī)械手，也可以說明機(jī)械臂上機(jī)械手的開合情況和夾持油管時工作狀態(tài)。

2 液壓系統(tǒng)和控制函數(shù)

在機(jī)械臂起升系統(tǒng)中，機(jī)械臂起升到豎直位置時，為避免管柱下滑需要機(jī)械手提供的夾持力最大，管柱的重力由機(jī)械臂上2個夾持油管機(jī)械手共同承擔(dān)。在扶正升降系統(tǒng)中，兩機(jī)械手在工作過程中一個起扶正作用，另一個起夾緊作用，則管柱的重力主要由夾緊機(jī)械手來平衡。這樣，扶正升降系統(tǒng)中夾緊機(jī)械手的載荷最大，按最大載荷分析機(jī)械手工作過程。

如圖3所示，在卡牙與油管模型中，P為垂直于油管表面的載荷；Q為軸向載荷，平行于油管軸線；θ1為齒前角；θ2為齒后角。將阻止油管沿軸向下滑的阻力與正壓力的比值稱為當(dāng)量摩擦因數(shù)，記作fd＝Q／P。當(dāng)量摩擦因數(shù)只與齒前角有關(guān)，機(jī)械手上牙板齒前角θ1＝30°，則fd＝1.2［4］，Q 等于油管重力1860N，因此P＝1550N，需要夾緊機(jī)械手提供至少1550 N的正壓力。在機(jī)械手夾緊油管的位置，根據(jù)力矩平衡原理，計算得出需要液壓缸推力大小為1600N。按照安全系數(shù)2.5分析，液壓缸推力F＝4000N。機(jī)械手液壓缸缸徑是40mm，則壓力p＝3.2MPa［5］。

如圖4所示，在ADAMS／Hydraulics中建立液壓系統(tǒng)回路，通過液壓缸的I、J Marker點(diǎn)（液壓缸產(chǎn)生的力的作用點(diǎn)）將液壓系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)機(jī)液聯(lián)合仿真。夾緊機(jī)械手的液壓系統(tǒng)包括：液壓源、溢流閥、單向閥、油箱、三位四通換向閥、液壓缸和3個二通連接器。液壓缸的機(jī)械控制通過換向閥的控制函數(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，三位四通換向閥的控制函數(shù)為：step（time，0，0，0.1，1）＋step（time，3，0，3.1，－2）［6］。

圖3 卡牙卡油管

圖4 夾持油管機(jī)械手液壓回路

3 仿真分析

在ADAMS／View 中完成虛擬樣機(jī)的建立后，就可以開始仿真分析，仿真分析前模型處于初始位置，兩機(jī)械手爪張開到最大角度，活塞桿位移為零。本文主要分析了機(jī)械手的開合角度、液壓缸的驅(qū)動力及液壓缸A、B 口的流量等，如圖5～8所示。仿真時間為4s，步數(shù)400步。

圖5 液壓缸行程

圖6 扶正機(jī)械手開合角度

圖7 液壓缸的驅(qū)動力

圖8 液壓缸A、B口的流量

1）圖6為機(jī)械手左右手爪指尖與管柱中心構(gòu)成夾角的變化曲線，最大角度為88.05°，包住管柱夾角大小為52.68°，在液壓缸行程100mm 內(nèi)能夠抱住管柱。

2）圖7為液壓缸的驅(qū)動力曲線，機(jī)械手夾緊油管時液壓缸驅(qū)動力為4000N，在3.2 MPa的壓力下3s后機(jī)械手張開，張開后液壓缸拉力為2921 N，滿足設(shè)計要求，可以夾緊管柱。

3）圖8為液壓缸A、B口的流量，仿真中0～3 s液壓泵壓力為3.2MPa，液壓缸A 腔進(jìn)油，B腔排油，由于活塞桿第1次到達(dá)最大行程位置后產(chǎn)生震動，液壓缸A、B口的流量發(fā)生波動，穩(wěn)定后A、B 口的流量為0，此時機(jī)械手閉合夾緊。仿真3～4s換向閥換向，液壓泵壓力為3.2 MPa，液壓缸A 腔排油，B腔進(jìn)油，由于換向壓力變化較大，因而A、B 口的流量變化也較大，機(jī)械手完全張開穩(wěn)定后，A、B口的流量變?yōu)?。通過曲線分析，流量正常［7］。

4 結(jié)語

通過虛擬樣機(jī)技術(shù)對獨(dú)立式不壓井修井機(jī)上扶正升降系統(tǒng)和機(jī)械臂上夾持油管機(jī)械手的機(jī)液聯(lián)合進(jìn)行仿真分析，得出在該壓力狀態(tài)下機(jī)械手的工作狀態(tài)。通過分析看出：機(jī)械手在該壓力條件下能夠?qū)崿F(xiàn)夾緊管柱的功能，機(jī)械手開合角度滿足夾持油管的條件。本文是對機(jī)械手在理想工作狀態(tài)下分析的，實(shí)際中兩機(jī)械手工作過程不一定同步，但不影響機(jī)械手扶正和夾持管柱的效果，分析結(jié)果為夾持油管機(jī)械手的生產(chǎn)設(shè)計提供了依據(jù)。

［1］常玉連，魏靜，高勝，等.獨(dú)立式不壓井作業(yè)裝備技術(shù)發(fā)展［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（4）：12－16.

［2］常玉連，田美，高勝，等.車載式修井機(jī)井口對中裝置設(shè)計與分析［J］.石油礦場機(jī)械，2012，41（3）：28－30.

［3］肖易萍，常玉連.扶正機(jī)械手推送油管的機(jī)液聯(lián)合仿真分析［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（2）：51－54.

［4］張有志，王亞力，王德彬.鉆桿卡瓦牙板齒形設(shè)計的試驗(yàn)研究［J］.鉆井設(shè)備，1981（3）：12－16.

［5］劉慶，齊明俠，李夯.鉆機(jī)起升系統(tǒng)動態(tài)特性仿真模型初步研究［J］.石油礦場機(jī)械，2008，37（2）：62－65.

［6］李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

［7］任福深，王威，劉曄，等.基于AMESim的齒輪齒條鉆機(jī)動力頭起升裝置液壓系統(tǒng)仿真分析［J］.石油礦場機(jī)械，2012，41（5）：14－17.