李艷輝 姜義 董玉鋒 汪進(jìn)

摘 要：文中介紹了油管運(yùn)移自動(dòng)化系統(tǒng)，分析了油管沿V型管槽下滑的影響因素與結(jié)果，這為油管運(yùn)移裝置的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：修井 管柱運(yùn)移 V型管槽

中圖分類號(hào)：TE935 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）01（c）-0122-02

隨著現(xiàn)代機(jī)械向高速度、高精度、輕質(zhì)和大型化發(fā)展，其構(gòu)件的柔性顯著增加，影響了機(jī)械的整體運(yùn)動(dòng)和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。單純從剛體角度來(lái)考慮，已經(jīng)不能滿足機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的精度要求。為了使所建立的模型較準(zhǔn)確的反應(yīng)原機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的特性，必須把該模型的部分構(gòu)件做成可以產(chǎn)生變形的柔性體來(lái)處理，也就是剛—柔混合建模，才能更準(zhǔn)確、更真實(shí)的反映原機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性[1]。

本文中的V型管槽是油管運(yùn)移自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，在對(duì)該自動(dòng)化系統(tǒng)作動(dòng)力學(xué)特性研究時(shí)，如果將V型管槽當(dāng)作剛性體來(lái)處理，在作運(yùn)動(dòng)分析時(shí)會(huì)得到一些動(dòng)力學(xué)特性，但剛性體不會(huì)產(chǎn)生彈性變形，則不能真實(shí)、準(zhǔn)確的反映油管運(yùn)移自動(dòng)化系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。因?yàn)樵趯?shí)際過(guò)程中，當(dāng)油管下放到V型管槽中時(shí)，V型管槽會(huì)受到較大的沖擊力，而且還會(huì)承受自身的重力，或者當(dāng)油管完全進(jìn)入V型管槽后，管槽沿滑道后退，V型管槽會(huì)受到較大的自身重力和單根油管的重量，V型管槽在受力后會(huì)發(fā)生變形和位移變化。因此，它的運(yùn)動(dòng)仿真分析就顯得至關(guān)重要。本文采用三維造型軟件Solidworks、有限元計(jì)算軟件Ansys和多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams聯(lián)合仿真來(lái)完成V型管槽的柔性運(yùn)動(dòng)仿真分析[2]。

1 油管運(yùn)移自動(dòng)化系統(tǒng)

如圖1所示，油管運(yùn)移自動(dòng)化系統(tǒng)主要由底座、交剪支撐垂直起升裝置、升降平臺(tái)、斜起升裝置、滑道、V型管槽等幾部分組成。該裝置的平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)主要采用先進(jìn)的雙剪叉升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)，一端為固定端，另一端為自由端，由液壓缸控制，可使工作平臺(tái)靜止在0.65～1.8 m的任意高度。斜撐機(jī)構(gòu)作為滑道的載體，一端與升降平臺(tái)鉸接，另一端與液壓缸相連，最大起升高度可達(dá)1.6 m，最大傾斜角為12°。V型管槽進(jìn)退主要是在液壓缸的控制下，實(shí)現(xiàn)管槽前進(jìn)與后退，將管柱準(zhǔn)確送至井口處。

該油管運(yùn)移自動(dòng)化系統(tǒng)的作業(yè)過(guò)程分為以下三個(gè)步驟。

（1）起升管柱：將升降平臺(tái)處于收攏狀態(tài)，同時(shí)由工人推動(dòng)管排架上的一個(gè)管柱，使管柱恰好在V型槽上方，在液壓缸控制下，升降平臺(tái)起升，管柱落入V型管槽中。

（2）斜起管柱：在升降平臺(tái)起升到最大高度時(shí)，在液壓缸控制下斜撐機(jī)構(gòu)開始工作，使得管柱傾斜一定角度，以便前送管柱，實(shí)現(xiàn)送管作業(yè)。

（3）前送管柱：管槽沿滑道前進(jìn)，使得管柱和作業(yè)平臺(tái)有一個(gè)相同的定位基準(zhǔn)，保證管柱的對(duì)中移送到指定的位置，完成接送管柱任務(wù)。然后逆向運(yùn)動(dòng)，退回到初始位置，準(zhǔn)備下根管柱作業(yè)?；厮凸苤鶆t是上述流程的逆過(guò)程。

2 虛擬樣機(jī)模型的建立

利用有限元軟件Ansys對(duì)V型管槽進(jìn)行柔性處理，以實(shí)體單元solid 45來(lái)對(duì)V型管槽進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成柔性體V型管槽，然后利用Adams connection模塊輸出V型管槽的模態(tài)中性文件。將其導(dǎo)入到多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams中，該柔性體與模型中其它零件沒(méi)有任何聯(lián)系，可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)副約束或柔性連接將其連接起來(lái)，值得注意的是，由于不能直接在柔性體上添加柔性聯(lián)接、移動(dòng)副或平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)虛約束等類似的約束，需要通過(guò)一個(gè)無(wú)質(zhì)量聯(lián)接物體將零件連接起來(lái)，然后將約束施加在這個(gè)無(wú)質(zhì)量聯(lián)接物體上。所以將一個(gè)無(wú)質(zhì)量的V型管槽與V型管槽的柔性體連接在一起，在無(wú)質(zhì)量的V型管槽上添加相應(yīng)的約束以及運(yùn)動(dòng)激勵(lì)，并對(duì)其它剛性構(gòu)件添加相應(yīng)約束，在Adams中完成V型管槽虛擬樣機(jī)模型的建立，如圖2所示。

3 油管下放過(guò)程仿真分析

在Adams中完成剛—柔耦合模型的建立后，開始進(jìn)行仿真，針對(duì)油管的重量不同，油管下放的速度不同，以及V型管槽懸空的長(zhǎng)度不同，分別對(duì)柔性V型管槽進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真研究。

（1）不同重量的油管與V型管槽的接觸碰撞仿真分析。

取尺寸為27/8in的油管（最重約121 kg）及尺寸最大的油管41/2in的油管（最重約200 kg）做與V型管槽的接觸碰撞仿真分析。仿真結(jié)果表明，對(duì)于27/8in油管，油管接觸V型管槽的瞬間，碰撞力激增到9039 N，之后慢慢減小，由于V型管槽具有一定柔性，油管受到彈力的影響，導(dǎo)致油管瞬間彈起，出現(xiàn)二次碰撞，然后慢慢趨于平穩(wěn)，經(jīng)過(guò)6 s后，碰撞力出現(xiàn)小幅度的波動(dòng)，9.7 s后，油管從V型管槽過(guò)渡到滑道，出現(xiàn)幾次較大碰撞力后，慢慢趨于穩(wěn)定。隨著油管重量的增加，除第一次碰撞時(shí)產(chǎn)生的碰撞力明顯增大外，其余各次碰撞產(chǎn)生的碰撞力變化很小，各次碰撞發(fā)生的時(shí)間和產(chǎn)生的大小出現(xiàn)無(wú)規(guī)律性，隨著油管的重量的增加對(duì)油管的運(yùn)動(dòng)特性影響不大。

（2）不同的油管下放速度與V型管槽的變形量仿真分析。

油管分別以372 mm/s、465 mm/s、620 mm/s的速度下放，仿真結(jié)果表明，油管與V型管槽第一次發(fā)生碰撞時(shí)，受到較大的碰撞力，柔性V型管槽會(huì)發(fā)生彈性振動(dòng)，位移最大變化量為0.96 mm，并且振動(dòng)慢慢減小，當(dāng)油管運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)左端固定副時(shí)，會(huì)出現(xiàn)二次振動(dòng)，彈性振動(dòng)出現(xiàn)無(wú)規(guī)律性，且振動(dòng)慢慢減小，最后趨于平衡。油管以不同的速度下放，對(duì)V型管槽的末端點(diǎn)垂直方向上的位移變化量影響不大，但隨著油管下放的速度越來(lái)越大，彈性振動(dòng)持續(xù)的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。

（3）不同V型管槽懸空長(zhǎng)度與其變形量仿真分析。

分別對(duì)V型管槽懸空2 m、2.5 m、3 m進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，V型管槽末端點(diǎn)的位移最大變化量依次為0.96 mm、1.84 mm、4.16 mm。彈性振動(dòng)慢慢減小，且呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律性，最后趨于平衡。V型管槽的懸空長(zhǎng)度不同，對(duì)V型管槽的末端點(diǎn)垂直方向上的位移變化量有較大的影響，對(duì)彈性振動(dòng)持續(xù)的時(shí)間影響不大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用三維造型軟件Solidworks、有限元計(jì)算軟件Ansys和多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams聯(lián)合仿真方法對(duì)V型管槽油管下放過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，研究了油管重量的不同、下放速度的不同以及V型管槽懸空長(zhǎng)度的不同，對(duì)V型管槽的運(yùn)動(dòng)特性的影響，分析結(jié)果有利于改進(jìn)和完善管柱運(yùn)移機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張策，黃永強(qiáng)，王子良，等.彈性連桿機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[2] 王毅，吳立言，劉更.機(jī)械系統(tǒng)的剛-柔耦合模型建模方法研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（20）：4708-4710.