江連會(huì) 周斌 譚躍剛 黃安貽 王雄 王龍渤

1.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2.荊州市明德科技有限公司；3.中國(guó)石化石油工程機(jī)械有限公司研究院；4.渤海鉆探工程有限公司管具技術(shù)服務(wù)分公司

隨著我國(guó)多數(shù)油田都已進(jìn)入了原油開(kāi)采的中、后期階段，修井作業(yè)也隨之越來(lái)越繁重。為降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，增加操作安全性，修井作業(yè)自動(dòng)化研究成為目前研究的熱點(diǎn)［1-3］。起下管柱作業(yè)是修井作業(yè)中最常見(jiàn)的作業(yè)形式，吊卡是起下作業(yè)中最關(guān)鍵的裝置之一。目前修井作業(yè)吊卡的操作主要還是以人工為主，工人勞動(dòng)強(qiáng)度高、安全性低。自動(dòng)吊卡可以降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，增加操作安全性，成為了國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外自動(dòng)吊卡主要是液壓翻轉(zhuǎn)式吊卡［4-9］。根據(jù)我國(guó)修井作業(yè)裝備情況，為節(jié)省成本，在手動(dòng)吊卡基礎(chǔ)上，研制了氣壓翻轉(zhuǎn)式自動(dòng)吊卡。

1 自動(dòng)吊卡結(jié)構(gòu)和參數(shù)

Structure and parameters of automatic elevator

1.1 結(jié)構(gòu)

Structure

自動(dòng)吊卡主要由吊卡體、活頁(yè)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、活頁(yè)開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)、上鎖舌開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)和下鎖舌開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示?；铐?yè)開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)用于推動(dòng)活頁(yè)關(guān)閉和打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)油管的卡住和釋放。上鎖舌開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)和下鎖舌開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)活頁(yè)與吊卡的鎖死和解鎖，保證起吊油管的安全性。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)吊卡的翻轉(zhuǎn)，方便吊卡卡住油管。支架用于保護(hù)和支撐上述機(jī)構(gòu)。

圖1 自動(dòng)吊卡結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic structure of automatic elevator

1.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

Main design parameters

自動(dòng)吊卡的重量為77.5 kg，自動(dòng)吊卡在圖1位置時(shí)的長(zhǎng)寬高為660 mm×482 mm×1 180 mm，活頁(yè)最大旋轉(zhuǎn)角度為100°，吊卡最大翻轉(zhuǎn)角度為75°，額定載荷為4 000 kN，適用油管外徑73.02 mm。

2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

Turnover mechanism

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是自動(dòng)吊卡最主要的部件之一。當(dāng)自動(dòng)吊卡處于如圖1所示的垂直位置時(shí)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。在圖1位置時(shí)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)寬高為660 mm×482 mm×950 mm。氣缸收縮時(shí)，帶動(dòng)吊卡體翻轉(zhuǎn)；氣缸伸長(zhǎng)時(shí)，帶動(dòng)吊卡體返回，最終到垂直位置。根據(jù)自動(dòng)吊卡的幾何空間布局，D、C點(diǎn)的位置是確定的，A點(diǎn)豎直方向的位置也是確定的，A點(diǎn)水平方向的位置可在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，優(yōu)化A點(diǎn)水平方向的位置讓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的性能達(dá)到最優(yōu)。

圖2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig. 2 Schematic movement of turnover mechanism

吊卡翻轉(zhuǎn)的目的是順利抓取從貓道等拉排管裝置送上的油管。在不同修井工況下，貓道等拉排管裝置送上油管的傾斜角度（油管與水平面的夾角）范圍一般為5～35°。當(dāng)?shù)蹩ㄝS線與油管軸線平行且吊卡與油管貼合時(shí)，關(guān)閉吊卡活頁(yè)可以順利實(shí)現(xiàn)油管的抓取。由于貓道等拉排管裝置送來(lái)的油管傾斜角度不同，抓取油管時(shí)，調(diào)整吊卡軸線傾斜角度與油管軸線傾斜角度一致的方法有兩種。（1）通過(guò)檢測(cè)和控制系統(tǒng)調(diào)整吊卡的翻轉(zhuǎn)角度與油管的傾斜角度一致，這樣做對(duì)控制系統(tǒng)的要求高，相應(yīng)的成本比手動(dòng)吊卡也會(huì)增加很多。（2）根據(jù)觀察，井口操作人員在翻轉(zhuǎn)吊卡時(shí)，并沒(méi)有和貓道等拉排管裝置送上來(lái)的油管的傾斜角度完全一致，吊卡在重力的作用下自動(dòng)和油管吻合，利用這一現(xiàn)象，根據(jù)貓道等拉排管裝置送上的油管傾斜角度的范圍，我們把吊卡的翻轉(zhuǎn)角度定為75°，當(dāng)?shù)蹩ǖ那安亢陀凸芙佑|后，釋放翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，吊卡在重力的作用下，完全和油管吻合，從而可以實(shí)現(xiàn)油管的抓取，這樣做既可以實(shí)現(xiàn)油管的抓取，控制系統(tǒng)也較簡(jiǎn)單，相比手動(dòng)吊卡成本增加不大。通過(guò)比較，選擇第2種方式實(shí)現(xiàn)油管的抓取。

3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真

Kinematics and dynamics simulation of turnover mechanism

利用CAD軟件建立自動(dòng)吊卡的虛擬設(shè)計(jì)模型，如圖1所示，然后把該模型導(dǎo)入到ADMAS軟件中，將摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3，氣缸的拉力和推力設(shè)置為994 N，分別對(duì)A點(diǎn)在水平方向的五個(gè)位置對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析。

圖3 氣缸收縮距離與吊卡翻轉(zhuǎn)角度關(guān)系曲線Fig. 3 Relationship between the shrinkage distance of cylinder and the turnover angle of elevator

圖3為A點(diǎn)在水平方向不同位置時(shí)，氣缸收縮距離和吊卡翻轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線。水平位置1時(shí)（如圖中曲線1所示），初始條件下，氣缸最大收縮250 mm，對(duì)應(yīng)吊卡的最大翻轉(zhuǎn)角度為60°，達(dá)不到最大翻轉(zhuǎn)角度為75°的要求。位置2～5都可以達(dá)到吊卡翻轉(zhuǎn)75°的要求。位置2吊卡的最大翻轉(zhuǎn)角度為77°左右，考慮擾動(dòng)的影響，也予以排除，位置3～5都能夠?qū)崿F(xiàn)吊卡穩(wěn)定翻轉(zhuǎn)75°的要求。

圖4為吊卡翻轉(zhuǎn)角度、角速度和角加速度曲線圖。從圖中曲線可以看出，位置3（對(duì)應(yīng)圖中曲線3）的翻轉(zhuǎn)速度較快，翻轉(zhuǎn)較穩(wěn)定。因此確定位置3（如圖2）為A點(diǎn)的最終水平位置。位置3的最大翻轉(zhuǎn)角度為82.2°，在0.21秒時(shí)達(dá)到最大翻轉(zhuǎn)角度，氣缸收縮的距離為299.9 mm。

4 實(shí)驗(yàn)

Experiment

依據(jù)優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計(jì)制作了自動(dòng)吊卡裝置。在994N氣缸力的作用下，吊卡最大翻轉(zhuǎn)角度為79.6°，在0.22秒時(shí)達(dá)到最大翻轉(zhuǎn)角度，最大翻轉(zhuǎn)角度時(shí)，氣缸收縮的距離為295.6 mm。吊卡最大翻轉(zhuǎn)角度誤差為3.16%，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較小，在允許范圍內(nèi)。

在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)：翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)平穩(wěn)、快速；吊卡門開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)開(kāi)閉穩(wěn)定、迅速；可以順利抓取與水平面夾角為0°～50°、直徑為73.02系列的油管；鎖舍啟閉靈活，保證了吊卡的安全。操作人員遠(yuǎn)離吊卡遙控操作，保證了操作人員的安全。實(shí)驗(yàn)數(shù)月，運(yùn)行一直平穩(wěn)。

5 結(jié)論

Conclusions

在手動(dòng)吊卡的基礎(chǔ)上，加裝自動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)吊卡到自動(dòng)吊卡的升級(jí)。應(yīng)用Admas軟件，對(duì)自動(dòng)吊卡的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。依據(jù)優(yōu)化結(jié)果，制作了自動(dòng)吊卡裝置，并進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近。應(yīng)用Admas軟件對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行仿真并優(yōu)化，可以減少實(shí)驗(yàn)裝置的制作，節(jié)約成本。

圖4 吊卡翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線Fig. 4 Kinematics curve of the turnover of elevator

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