□ 李艷嬌 □ 于 萍 □ 譚志松 □ 張 鵬

吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 長春 130025

當(dāng)前，國內(nèi)井場(chǎng)鉆井平臺(tái)作業(yè)施工中，鉆具上下鉆臺(tái)過程仍以人工操作為主，其勞動(dòng)強(qiáng)度大而且不安全，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，筆者自主研發(fā)了全液壓自動(dòng)貓道。翻板機(jī)構(gòu)是全液壓自動(dòng)貓道的重要組成部分，其作用是將鉆桿從平臺(tái)平面翻轉(zhuǎn)到舉升滑道內(nèi)，通過調(diào)整液壓缸桿的伸出速度，使鉆桿平穩(wěn)地進(jìn)入舉升滑道內(nèi)［2］。

1 翻板機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

翻板機(jī)構(gòu)模型簡(jiǎn)圖如圖1、圖2所示，由圖可知翻板機(jī)構(gòu)的工作原理是：當(dāng)鉆桿被平臺(tái)上的擋銷擋住，停放在平臺(tái)上初始速度為零（或者具有一定的初速度）時(shí)，翻板機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動(dòng)，靠近舉升滑道側(cè)的液壓缸1保持壓力不動(dòng)，起到旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)的作用?？刂瓶拷脚_(tái)側(cè)的液壓缸2，使其液壓缸桿伸出，將翻板組件繞著液壓缸1的支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，通過控制液壓缸2的流量，從而控制翻板組件的翻轉(zhuǎn)角度，使鉆桿通過翻板組件的速度保持穩(wěn)定，從而平穩(wěn)的滾落［3］。

2 翻板機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

鉆桿在翻板機(jī)構(gòu)上面滾落時(shí)，必須繞過平臺(tái)上的擋銷，這給鉆桿滾落增加難度，因而對(duì)鉆桿滾落速度的控制，也就是對(duì)翻板機(jī)構(gòu)中的液壓缸起升的控制顯得尤為重要［4］，針對(duì)不同的鉆桿翻板機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)函數(shù)的確定、鉆桿滾落速度、鉆桿與翻板機(jī)構(gòu)的接觸力的測(cè)量，這些數(shù)據(jù)將為實(shí)際調(diào)試過程提供理論依據(jù)。

2．1 翻板機(jī)構(gòu)仿真模型

利用ADAMS軟件，建立翻板機(jī)構(gòu)仿真模型，如圖3、圖4所示，在翻板機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)不同型號(hào)的鉆桿進(jìn)行分析，從而得到鉆桿運(yùn)動(dòng)過程中的受力以及運(yùn)動(dòng)曲線［5］。

▲圖2 翻板機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖

▲圖4 翻板機(jī)構(gòu)局部仿真模型

2．2 翻板機(jī)構(gòu)仿真曲線

對(duì)直徑為114、127、146mm3種型號(hào)的鉆桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真并比較分析，總結(jié)出適合鉆桿的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，從而提高輸送鉆桿的能力。

針對(duì)114鉆桿進(jìn)行仿真分析，測(cè)出鉆桿的運(yùn)動(dòng)質(zhì)心速度變化。設(shè)定驅(qū)動(dòng)函數(shù)為STEP（time，0，15，0．5 ， 20 ）+STEP （time ， 0．5 ， 0 ， 1 ，10 ）+STEP（time，1，-20，5，-30）。

由圖5曲線可知，在t=4．414s時(shí)，鉆桿的速度為704mm/s，即鉆桿滾離平臺(tái)的時(shí)間和速度。

圖6與圖7所示為鉆桿與翻版機(jī)構(gòu)碰撞力示意圖，鉆桿與翻板機(jī)構(gòu)接觸力呈震蕩曲線變化，當(dāng)速度變大后，鉆桿與翻板機(jī)構(gòu)之間的碰撞越嚴(yán)重，所以在保證時(shí)間的基礎(chǔ)上，要控制鉆桿滾落速度。

針對(duì)127鉆桿，當(dāng)設(shè)定127鉆桿的驅(qū)動(dòng)函數(shù)與114鉆桿相同時(shí)，127鉆桿會(huì)被擋銷擋住，因而改變驅(qū)動(dòng)函數(shù)為 STEP （time，0，5，0．5，15）+STEP（time，0．5，0，1，15）+STEP（time，1，-20，5，-30），此時(shí)鉆桿可以順利繞過擋銷，滾過翻板機(jī)構(gòu)，圖8為127鉆桿質(zhì)心速度變化曲線示意圖。

▲圖5 114鉆桿質(zhì)心速度曲線

▲圖6 114鉆桿與翻板機(jī)構(gòu)1碰撞力曲線

▲圖7 114鉆桿與翻板機(jī)構(gòu)2碰撞力曲線

▲圖8 127鉆桿質(zhì)心速度變化曲線

▲圖9 127鉆桿與翻板機(jī)構(gòu)1接觸力曲線

▲圖10 127鉆桿與翻板機(jī)構(gòu)2接觸力曲線

▲圖11146鉆桿質(zhì)心速度曲線

▲圖12 146鉆桿與翻板機(jī)構(gòu)1接觸力曲線圖

▲圖13 146鉆桿與翻板機(jī)構(gòu)2接觸力曲線圖

由圖8可知，鉆桿在t=3．455s時(shí)滾離翻板機(jī)構(gòu)，此時(shí)的速度為1184mm/s，鉆桿滾落速度較平穩(wěn)。

由圖9與圖10可知，127鉆桿與翻板機(jī)構(gòu)接觸力呈波動(dòng)變化，鉆桿與翻板機(jī)構(gòu)之間運(yùn)動(dòng)為滾動(dòng)，隨著速度增大，振動(dòng)的幅度也在增大。

針對(duì)146鉆桿，設(shè)定驅(qū)動(dòng)函數(shù)STEP（time，0，10 ， 0．3 ，20 ）+STEP（time， 0．3，0 ， 1 ， 10 ）+STEP（time，1，0，3，0）+STEP（time，3，-20，7，-30）時(shí)，由圖11可知，鉆桿在t=3．5s之前運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)，3．5s以后鉆桿在重力作用下速度線性增長，當(dāng)t=4．98s時(shí)，鉆桿脫離翻板機(jī)構(gòu)時(shí)的速度為1035mm/s。

由圖12與圖13可知，翻板機(jī)構(gòu)受力較平穩(wěn)，但是在個(gè)別時(shí)間點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象。

通過對(duì)114、127、1463種常用的鉆桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，觀察比較114鉆桿與127鉆桿的滾落時(shí)間可知：隨著鉆桿直徑的增大，鉆桿質(zhì)量以及鉆桿在翻板機(jī)構(gòu)上的滾落速度也隨之增大。從而在控制翻板機(jī)構(gòu)舉升速度時(shí)，要根據(jù)不同的鉆桿而定。通過對(duì)114、127鉆桿與146鉆桿速度之間的比較，由于146鉆桿質(zhì)量較大，從而導(dǎo)致鉆桿在翻板機(jī)構(gòu)上滾落速度是很快的，要通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)函數(shù)來減慢146鉆桿的滾落速度。

3 結(jié)論

（1）通過控制液壓缸活塞桿的驅(qū)動(dòng)速度得到適合鉆桿滾落的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，在保證時(shí)間的前提下，使直徑為114、127、147mm的3種鉆桿在翻板機(jī)構(gòu)上面的滾落速度減小。

（2）通過鉆桿與翻板機(jī)構(gòu)的接觸力曲線以及翻板機(jī)構(gòu)1與翻板機(jī)構(gòu)2所受到的接觸力之間進(jìn)行比較，得到結(jié)論：鉆桿與翻板機(jī)構(gòu)之間接觸力曲線呈波動(dòng)并存在碰撞現(xiàn)象，翻板機(jī)構(gòu)1與翻板機(jī)構(gòu)2所受到的接觸力曲線大體相同，但是存在個(gè)別沖擊現(xiàn)象。

［1］ 趙淑蘭．動(dòng)力貓道技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（2）：13-15．

［2］ 尹曉麗．鉆桿自動(dòng)傳送系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方案［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（7）：42-46．

［3］ 寇紅濤．液壓動(dòng)力鉆桿排放貓道設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］．石油機(jī)械，2008，36（9）:29-30．

［4］ 劉承建．液壓貓道裝置［P］．中國專利：CN101761313A，2010-06-30．

［5］ 鄭建榮．ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007．