尚曉峰，馬　龍，尚　進(jìn)

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)①

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分層注水測(cè)調(diào)儀機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)分析和運(yùn)動(dòng)仿真

尚曉峰，馬龍，尚進(jìn)

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)①

摘要：針對(duì)分層注水測(cè)調(diào)儀的工作特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，提出一種新型分層注水測(cè)調(diào)儀機(jī)械臂結(jié)構(gòu)方案?；诙囿w系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論建立其動(dòng)力學(xué)模型，應(yīng)用仿真分析軟件ADAMS對(duì)測(cè)調(diào)儀機(jī)械臂進(jìn)行了測(cè)調(diào)工況下的動(dòng)力學(xué)仿真分析。對(duì)測(cè)調(diào)儀機(jī)械臂自動(dòng)展開(kāi)、定位、收回，以及機(jī)械臂的對(duì)接機(jī)構(gòu)與坐封在配水器中的堵塞器實(shí)現(xiàn)彈性對(duì)接等一系列運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，由工作中產(chǎn)生的振動(dòng)和碰撞引起機(jī)械臂機(jī)構(gòu)位姿的變化在合理的范圍內(nèi)。仿真分析有效評(píng)價(jià)了測(cè)調(diào)儀機(jī)械臂系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性，為其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：分層注水；機(jī)械臂；運(yùn)動(dòng)仿真；優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前，中國(guó)大部分油田都進(jìn)入了高含水開(kāi)發(fā)期，在注水井中實(shí)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(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、提高采收率的重要手段。測(cè)調(diào)聯(lián)動(dòng)分層配水技術(shù)的成功研制，實(shí)現(xiàn)“壓力同步錄取、流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、水嘴連續(xù)可調(diào)”的功能，達(dá)到提高測(cè)試效率、縮短測(cè)調(diào)時(shí)間、提高測(cè)試資料準(zhǔn)確率的目的。與原測(cè)試技術(shù)相比，測(cè)試能力提高近1倍，較大程度上緩解了上述矛盾[1-5]。

測(cè)調(diào)聯(lián)動(dòng)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(cè)調(diào)儀、可調(diào)式堵塞器3個(gè)部分。其中，井下綜合測(cè)調(diào)儀是實(shí)現(xiàn)邊測(cè)邊調(diào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和傳輸井下流量、壓力和溫度等信息的關(guān)鍵部分。測(cè)調(diào)儀調(diào)節(jié)機(jī)械臂是完成與可調(diào)堵塞器對(duì)接，從而實(shí)現(xiàn)注水流量測(cè)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(cè)調(diào)儀要進(jìn)行機(jī)械臂的定位對(duì)接、收回等一系列動(dòng)作，其能否準(zhǔn)確地完成這些運(yùn)動(dòng)將直接影響工作量。本文根據(jù)實(shí)際工況建模，并在ADAMS/View中對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和動(dòng)力學(xué)分析。經(jīng)過(guò)多次分析和優(yōu)化，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)而到達(dá)完善設(shè)計(jì)的目的。

1分層注水測(cè)調(diào)儀調(diào)節(jié)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有注聚井、注水井的井下測(cè)調(diào)儀的機(jī)械臂多設(shè)計(jì)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(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)和一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)多個(gè)動(dòng)作，實(shí)際使用中存在鋼絲銹蝕、易卡滯、可靠性差等問(wèn)題。因此，本文提出了一種使井下測(cè)調(diào)儀的調(diào)節(jié)臂能彈出、收回的離合凸輪機(jī)構(gòu)，用以解決現(xiàn)有調(diào)節(jié)臂存在的問(wèn)題[9-10]。

本研究提出的機(jī)械臂新型結(jié)構(gòu)如圖1，電機(jī)帶動(dòng)主傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主傳動(dòng)軸通過(guò)凸輪離合帶動(dòng)凸輪運(yùn)動(dòng)，凸輪副帶動(dòng)搖臂和平衡臂的張開(kāi)和閉合。具體工作原理是，凸輪在主傳動(dòng)軸的帶動(dòng)下，凸輪每轉(zhuǎn)過(guò)90°，凸輪的長(zhǎng)軸端和短軸端交替處于豎直位置。工作之前長(zhǎng)軸端處于豎直位置，驅(qū)動(dòng)扭簧處于壓縮狀態(tài)，利用杠桿原理，凸輪長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)向水平位置過(guò)程中，搖臂和平衡臂逐漸張開(kāi)，扭簧隨之釋放扭轉(zhuǎn)力起到支撐作用；當(dāng)凸輪長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)回豎直位置時(shí)，搖臂和平衡臂逐漸收攏。當(dāng)機(jī)械臂完成定位時(shí)，機(jī)械臂上的水嘴對(duì)接機(jī)構(gòu)與配水器中的堵塞器對(duì)接過(guò)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(jī)構(gòu)作用下與主傳動(dòng)軸分離，這時(shí)電機(jī)的全部動(dòng)力通過(guò)主傳動(dòng)軸、花鍵軸傳遞到水嘴傳動(dòng)軸上，通過(guò)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)軸；

2動(dòng)力學(xué)分析

2.1機(jī)械臂張開(kāi)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析

測(cè)調(diào)儀機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)分為兩部分進(jìn)行，即，機(jī)械臂從測(cè)調(diào)儀槽體內(nèi)彈出；定位后，測(cè)調(diào)儀在井下與堵塞器完成對(duì)接。在第1部分運(yùn)動(dòng)中，機(jī)械臂的三維模型和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2～3所示。依據(jù)多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的笛卡爾方法[12-13]，建立機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)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(duì)x位置的約束方程；Φ2(q)是搖臂絕對(duì)y位置的約束方程；Φ3(q)是搖臂絕對(duì)角約束方程；Φ4(q)是前臂絕對(duì)x位置約束方程；Φ5(q)是支撐傳動(dòng)軸滑移約束方程；Φ6(q)是支撐傳動(dòng)軸角約束方程。

圖2　測(cè)調(diào)儀機(jī)械臂三維圖

圖3　測(cè)調(diào)儀機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

對(duì)機(jī)械臂各組件進(jìn)行力學(xué)分析，機(jī)械臂的搖臂，前臂和支撐傳動(dòng)軸在y方向位置如圖3，根據(jù)牛頓—?dú)W拉方法，可得出各組件的剛體動(dòng)力學(xué)方程，即

2.2機(jī)械臂對(duì)接運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析

在機(jī)械臂與堵塞器進(jìn)行對(duì)接的過(guò)程中，對(duì)于機(jī)械臂中第i個(gè)柔性體或剛體，用拉格朗日乘子法建立運(yùn)動(dòng)微分方程[14]。

式中：T為系統(tǒng)廣義坐標(biāo)表達(dá)的動(dòng)能；qi為系統(tǒng)廣義坐標(biāo)；Fi在廣義坐標(biāo)下的廣義力；λ為拉格朗日乘子。

將系統(tǒng)中所有組件的運(yùn)動(dòng)方程與約束方程聯(lián)立，寫(xiě)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(jī)械臂運(yùn)動(dòng)仿真

針對(duì)測(cè)調(diào)儀機(jī)械臂張開(kāi)，并與可調(diào)堵塞器對(duì)接這兩項(xiàng)典型任務(wù)，運(yùn)用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)其過(guò)程進(jìn)行仿真。由于機(jī)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(duì)模型進(jìn)行添加約束，運(yùn)動(dòng)副以及驅(qū)動(dòng)等，并采用STEP函數(shù)進(jìn)行擬合，調(diào)試模型，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

3.1機(jī)械臂張開(kāi)收攏過(guò)程

測(cè)調(diào)儀在井下工作時(shí)，第1步工作即是機(jī)械臂的張開(kāi)。機(jī)械臂的張開(kāi)由1臺(tái)行星減速電機(jī)控制。電機(jī)工作的額定轉(zhuǎn)矩為8N·m，轉(zhuǎn)速為1.5r/min，電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)180°，機(jī)械臂即完成一次收攏動(dòng)作。在ADAMS軟件中，根據(jù)測(cè)調(diào)儀實(shí)際工況設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)速為9°/s，對(duì)其進(jìn)行40s時(shí)長(zhǎng)的仿真。因?yàn)闄C(jī)械臂張開(kāi)收攏，主要靠搖臂在凸輪和扭簧作用下完成，因此主要對(duì)搖臂進(jìn)行分析研究。得到機(jī)械臂搖臂的位置變化如圖4。在40s內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1周，機(jī)械臂完成2次張開(kāi)收攏動(dòng)作。圖5顯示了搖臂與凸輪之間受力情況，搖臂在張開(kāi)過(guò)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(shí)受力又逐漸增大。

圖4　機(jī)械臂搖臂的位置變化曲線

圖5　機(jī)械臂搖臂和凸輪之間受力曲線

在ADAMS中對(duì)搖臂的角加速度進(jìn)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(kāi)始工作時(shí)，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(dòng)產(chǎn)生，隨后隨著繼續(xù)工作，機(jī)械臂系統(tǒng)工作逐漸趨于平滑，能夠平滑的張開(kāi)和收攏。

圖6　機(jī)械臂搖臂質(zhì)心加速度FFT3D圖

3.2機(jī)械臂與堵塞器對(duì)接過(guò)程

測(cè)調(diào)儀下入井中的速度一般都很慢，當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)注水層時(shí)，應(yīng)當(dāng)以很慢的速度去進(jìn)行對(duì)接。因此，本文設(shè)置初始對(duì)接條件：測(cè)調(diào)儀到達(dá)目標(biāo)油層時(shí)的下行速度(x方向)設(shè)置為50mm/s，設(shè)其展開(kāi)定位機(jī)構(gòu)無(wú)定位徑向偏差，并且下行無(wú)橫向移動(dòng)，測(cè)調(diào)儀機(jī)械臂重力為39N。

研究傳動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)與可調(diào)堵塞器對(duì)接碰撞過(guò)程對(duì)整個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)械臂的影響，必須分析整個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)械臂質(zhì)心的速度、加速度以及測(cè)調(diào)儀與可調(diào)堵塞器碰撞在接觸過(guò)程中相互作用力。由圖7～8可知，測(cè)調(diào)儀調(diào)節(jié)機(jī)械臂第1次碰撞可調(diào)堵塞器的速度是500mm/s左右，這時(shí)接觸面質(zhì)心沖擊碰撞的加速度為13m/s2左右。

圖7　測(cè)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(duì)接碰撞過(guò)程的相互受力曲線如圖9所示，在第1次碰撞時(shí)，其碰撞接觸力大約為350N，之后大約1s，由于碰撞對(duì)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(jī)械臂的重力39N。

圖9　對(duì)接水嘴與可調(diào)堵塞器的碰撞沖擊力曲線

該對(duì)接機(jī)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(duì)接碰撞力對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)處的沖擊力；花鍵傳動(dòng)軸用來(lái)一方面提供傳動(dòng)動(dòng)力，另一方面通過(guò)花鍵軸套彈簧可以起到緩沖對(duì)接碰撞力對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸沖擊的作用。本文選擇設(shè)計(jì)的對(duì)接緩沖花鍵軸套彈簧參數(shù)是自由伸長(zhǎng)長(zhǎng)度為33.2mm，剛度為6N/mm，最大行程為7.5mm。如圖10為對(duì)接過(guò)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(jī)械臂中的關(guān)鍵和危險(xiǎn)零件設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。由圖10可知，機(jī)械臂在與可調(diào)堵塞器對(duì)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(guò)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(duì)接碰撞中搖臂機(jī)構(gòu)肩關(guān)節(jié)受力曲線，圖12為對(duì)接碰撞中搖臂機(jī)構(gòu)肘關(guān)節(jié)受力曲線。機(jī)械臂的對(duì)接水嘴與可調(diào)堵塞器對(duì)接頭在開(kāi)始接觸時(shí)，不可避免會(huì)產(chǎn)生沖擊力，再加上在對(duì)接機(jī)構(gòu)和展開(kāi)定位機(jī)構(gòu)中間通過(guò)花鍵軸連接，因此在接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生緩沖振動(dòng)，振動(dòng)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(dòng)不會(huì)對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)械臂的搖臂和前臂產(chǎn)生很大的影響。

圖11　搖臂機(jī)構(gòu)肩關(guān)節(jié)受力曲線

圖12　搖臂機(jī)構(gòu)肘關(guān)節(jié)受力曲線

測(cè)調(diào)儀在實(shí)際工作時(shí)，由于機(jī)械臂的展開(kāi)定位機(jī)構(gòu)與對(duì)接水嘴有一定的誤差，因此，調(diào)節(jié)機(jī)械臂的對(duì)接水嘴在與可調(diào)堵塞器初次對(duì)接時(shí)，調(diào)節(jié)機(jī)械臂的對(duì)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(jī)構(gòu)在展開(kāi)方向上存在徑向?qū)诱`差。但是，對(duì)接水嘴內(nèi)部的錐面與可調(diào)堵塞器對(duì)接頭錐面結(jié)構(gòu)互相吻合，起到了對(duì)心導(dǎo)向作用。綜合可以看出，對(duì)接水嘴展開(kāi)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(duì)接水嘴與可調(diào)堵塞器相對(duì)靜止，測(cè)調(diào)儀與可調(diào)堵塞器的對(duì)接成功。

4結(jié)論

1)利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS對(duì)測(cè)調(diào)儀機(jī)械臂主要機(jī)構(gòu)在實(shí)際情況下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，為優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。

2)該分層注水測(cè)調(diào)儀機(jī)械臂在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上具有創(chuàng)新性，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了很多，且提高了傳動(dòng)效率，機(jī)械臂的收放時(shí)間不超過(guò)18s。

3)測(cè)調(diào)儀機(jī)械臂對(duì)接過(guò)程是否可靠，取決于對(duì)接機(jī)構(gòu)與可調(diào)堵塞器的碰撞接觸力大小以及對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸產(chǎn)生沖擊力大小。因此，碰撞接觸力和對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸的沖擊力不能太大，這就需要對(duì)下入井里的測(cè)調(diào)儀至目標(biāo)注水層的速度進(jìn)行一定的要求和限定。以測(cè)調(diào)儀下入井中到目標(biāo)注水層上方的速度不能超過(guò)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(lèi)號(hào)：TE934.101

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.008

作者簡(jiǎn)介：尚曉峰(1972-)，男，遼寧海城人，博士，主要研究領(lǐng)域?yàn)榧す饪焖俪尚秃褪烷_(kāi)采井下工具。

收稿日期：①2015-08-20

文章編號(hào)：1001-3482(2016)02-0037-05