胡送橋，唐清亮，陳明凱，祝克強(qiáng)

(三一集團(tuán)有限公司 湖南分公司，長(zhǎng)沙 410100)

鉆機(jī)二層臺(tái)排送管機(jī)械手剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析

胡送橋，唐清亮，陳明凱，?？藦?qiáng)

(三一集團(tuán)有限公司 湖南分公司，長(zhǎng)沙 410100)

運(yùn)用仿真軟件Hypermesh及ADAMS建立鉆機(jī)二層臺(tái)排送管機(jī)械手剛?cè)狁詈夏Ｐ?，模擬機(jī)械手夾持管具從收縮狀態(tài)到井口中心位置的送管過(guò)程。對(duì)比分析機(jī)械手臂架純剛體、剛?cè)狁詈蟽煞N狀態(tài)和不同臂架驅(qū)動(dòng)速度下機(jī)械手末端抓手各方向的位移和位移偏差。為機(jī)械手臂架驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型、臂架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等提供理論數(shù)據(jù)支撐，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)周期。

鉆機(jī)；排送管機(jī)械手；剛?cè)狁詈?；?dòng)力學(xué)分析

為了提升鉆機(jī)的鉆井作業(yè)工作效率，節(jié)約人工成本，提高作業(yè)工人的安全性，油田及鉆井承包商對(duì)鉆機(jī)二層臺(tái)排送管機(jī)械手的需求日益迫切。國(guó)外主流鉆機(jī)制造商，例如NOV公司等早已推出自動(dòng)排送管機(jī)械手產(chǎn)品并投入應(yīng)用。國(guó)內(nèi)鉆機(jī)制造商也先后進(jìn)行了類似產(chǎn)品的研發(fā)，但國(guó)內(nèi)市場(chǎng)尚未有成熟可靠的鉆機(jī)二層臺(tái)排送管機(jī)械手產(chǎn)品投入使用[1-3]。針對(duì)鉆井作業(yè)的工藝特點(diǎn)和使用要求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套可用于鉆井作業(yè)的鉆機(jī)二層臺(tái)排送管機(jī)械手?？紤]機(jī)械手臂架的柔性特性，通過(guò)ADAMS軟件建立了剛?cè)狁詈夏Ｐ?，模擬了機(jī)械手夾持管具從收縮狀態(tài)到井口中心位置的送管過(guò)程。對(duì)比分析了機(jī)械手臂架純剛體、剛?cè)狁詈蟽煞N狀態(tài)和不同臂架驅(qū)動(dòng)速度下機(jī)械手末端抓手各方向的位移和位移偏差，為機(jī)械手臂架驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型、臂架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等提供理論依據(jù)[4-5]。

1 機(jī)械手主要結(jié)構(gòu)及工作原理

鉆機(jī)二層臺(tái)排送管機(jī)械手由二層臺(tái)、猴道和機(jī)械手總成等組成，如圖1所示，其中機(jī)械手總成通過(guò)平移小車固定在二層臺(tái)猴道下方。

機(jī)械手總成由抓手、臂架Ⅰ、臂架Ⅱ、臂架Ⅲ、臂架Ⅳ、連接架、連桿、轉(zhuǎn)臺(tái)及平移小車等組成，如圖2所示。工作原理如下：平移小車通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手沿猴道的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；平移小車下方安裝轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；臂架Ⅰ、臂架Ⅱ、臂架Ⅲ、臂架Ⅳ、連桿、轉(zhuǎn)臺(tái)、連接架和抓手組成兩套平行四邊形結(jié)構(gòu)，臂架Ⅳ通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手總成末端抓手的伸展和收縮運(yùn)動(dòng)，雙平行四邊形結(jié)構(gòu)可保證末端抓手在伸展和收縮運(yùn)動(dòng)時(shí)始終保持水平狀態(tài)。

1—井口中心位置；2—管具；3—機(jī)械手總成；4—猴道；5—二層臺(tái)。

1—抓手；2—臂架Ⅰ；3—臂架Ⅱ；4—連接架；5—連桿；6—臂架Ⅲ；7—臂架Ⅳ；8—轉(zhuǎn)臺(tái)；9—平移小車。

2 機(jī)械手剛?cè)狁詈戏治?/h2>

采用三維建模軟件Pro/E對(duì)鉆機(jī)二層臺(tái)排送管機(jī)械手關(guān)鍵零部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立機(jī)械手的三維模型，另存為Parasolid(.x_t)格式，導(dǎo)入ADMAS軟件中。對(duì)機(jī)械手的4個(gè)臂架進(jìn)行柔性化處理，臂架柔性化處理的過(guò)程如下：將4個(gè)臂架分別導(dǎo)入Hypermesh中，抽中面后劃分網(wǎng)格，定義材料彈性模量2.1×105MPa，泊松比0.3，密度7.9 t/m3，在臂架的各鉸點(diǎn)位置建立關(guān)鍵點(diǎn)，采用PSHELL殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格并賦厚度和材料屬性，關(guān)鍵點(diǎn)和周邊孔面節(jié)點(diǎn)之間用剛性區(qū)域連接[6]，此外，建立包括CMSMETH、ASET的載荷集和包括Global_case_contral、Output、Dti_units、Gpstress的控制卡片，利用Hypermesh與ADAMS的接口導(dǎo)出柔性體的模態(tài)中性文件(MNF文件)，導(dǎo)出MNF文件前要注意單位的換算[7-8]；將MNF文件導(dǎo)入ADAMS中替代之前的純剛體臂架，并通過(guò)查看導(dǎo)入的柔性體質(zhì)量信息、模態(tài)固有頻率和振型核對(duì)MNF文件[9-10]，完成后的剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D3所示。

圖3 鉆機(jī)二層臺(tái)排送管機(jī)械手剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

在純剛體和剛?cè)狁詈夏Ｐ椭校髯远x各鉸點(diǎn)鉸接關(guān)系和臂架驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)ADAMS模擬機(jī)械手送管時(shí)機(jī)械手夾持管具從收縮狀態(tài)到井口中心位置這一運(yùn)動(dòng)過(guò)程，具體參數(shù)設(shè)置如下：臂架驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用STEP函數(shù)驅(qū)動(dòng)，分別模擬電機(jī)驅(qū)動(dòng)在6、8 和10 (°)/s 3種速度狀態(tài)，機(jī)械手臂架最大伸展角度為40°，仿真結(jié)束后提取機(jī)械手末端抓手前后(沿x軸)、左右(沿y軸)和垂直(沿z軸)方向的位移和位移偏差曲線。以下篇幅中純剛體狀態(tài)簡(jiǎn)稱剛體狀態(tài)，剛?cè)狁詈蠣顟B(tài)簡(jiǎn)稱柔體狀態(tài)。

函數(shù)定義為STEP(time，0.1，0d，0.6，8d)+STEP(time，4.5，0d，5，-8d)時(shí)，模擬電機(jī)驅(qū)動(dòng)為8 (°)/s的速度狀態(tài)，提取機(jī)械手末端抓手各方向位移和位移偏差曲線，如圖4～9。

根據(jù)上述曲線分析可知，柔體狀態(tài)下機(jī)械手末端抓手存在振動(dòng)現(xiàn)象，同實(shí)際情況相符，振動(dòng)幅度在前后方向上相對(duì)剛體狀態(tài)最大偏差為13 mm，左右方向上相對(duì)剛體狀態(tài)最大偏差為7 mm，垂直方向上相對(duì)剛體狀態(tài)最大偏差4.7 mm，且各方向位移偏差隨臂架向井口方向伸展時(shí)有逐步增大的趨勢(shì)。

圖4 機(jī)械手末端抓手前后方向位移對(duì)比

圖5 機(jī)械手末端抓手前后方向位移偏差

圖6 機(jī)械手末端抓手左右方向位移對(duì)比

圖7 機(jī)械手末端抓手左右方向位移偏差

圖8 機(jī)械手末端抓手垂直方向位移對(duì)比

圖9 機(jī)械手末端抓手垂直方向位移偏差

限于篇幅長(zhǎng)度限制，函數(shù)定義為STEP(time，0.1，0d，0.6，6d)+STEP(time，6.2，0d，6.7，-6d)和STEP(time，0.1，0d，0.6，10d)+STEP(time，3.5，0d，4，-10d)時(shí)，模擬電機(jī)驅(qū)動(dòng)為6 (°)/s和10 (°)/s 2種速度狀態(tài)，提取的機(jī)械手末端抓手各方向的位移和位移偏差曲線不單獨(dú)列出，2種速度狀態(tài)下的位移曲線與上述曲線趨勢(shì)基本一致，各方向位移偏差與上述位移偏差對(duì)比如表1所示。

表1 3種速度狀態(tài)下各方向位移偏差對(duì)比

由表1可知，不同電機(jī)驅(qū)動(dòng)速度對(duì)機(jī)械手末端抓手的前后、左右和垂直方向位移偏差有較大影響：因機(jī)械手臂架結(jié)構(gòu)本身剛度的不足，上述3種速度狀態(tài)下機(jī)械手末端抓手各方向均存在位移偏差，但在速度Ⅰ、速度Ⅱ狀態(tài)下其偏差變化不大；當(dāng)增大至速度Ⅲ狀態(tài)時(shí)，機(jī)械手末端抓手的各方向位移偏差有明顯增大趨勢(shì)。因此，設(shè)計(jì)時(shí)除考慮臂架本身結(jié)構(gòu)剛度對(duì)末端抓手位移偏差的影響外，還應(yīng)綜合考慮臂架驅(qū)動(dòng)速度對(duì)位移偏差的影響，避免機(jī)械手末端抓手出現(xiàn)較大的振動(dòng)，從而影響機(jī)械手末端抓手的定位精度。

3 結(jié)論

1) 運(yùn)用Hypermesh和ADAMS軟件建立了鉆機(jī)二層臺(tái)排送管機(jī)械手的剛?cè)狁詈夏Ｐ停⒎抡婺M了機(jī)械手夾持管具從收縮狀態(tài)到井口中心位置的送管過(guò)程。

2) 對(duì)比了機(jī)械手臂架純剛體、剛?cè)狁詈?種狀態(tài)下機(jī)械手末端抓手各方向的位移及位移偏差數(shù)據(jù)，結(jié)果表明臂架柔性體結(jié)構(gòu)更加符合機(jī)械手的實(shí)際工況，其末端抓手存在明顯振動(dòng)。

3) 對(duì)比了3種速度狀態(tài)下機(jī)械手末端抓手的位移偏差數(shù)據(jù)，結(jié)果表明末端抓手各方向位移偏差受到臂架本身結(jié)構(gòu)剛度和驅(qū)動(dòng)速度的綜合影響。

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Rigid-flexible Coupling Dynamics Simulation Analysis of Drill Rig Monkey-Board Pipe-handling Manipulator

HU Songqiao，TANG Qingliang，CHEN Mingkai，ZHU Keqiang

(SanyHeavyIndustryCo.，Ltd.，Changsha410100，China)

In order to achieve unmanned pipe-handling of monkey-board，drill rig monkey-board pipe-handling manipulator aims to replace derrickmen that handle pipes high-effectively.In this paper，the simulation analysis software Hypermesh and Adams were used to establish the model of rigid-flexible coupling dynamics simulation analysis and simulate the process of pipe-handling，and analyzed the displacement and the deviation in three directions under the states of rigid & rigid-flexible coupling and three driving velocity of manipulator arm，which provided reliable data to support structure improvement and driving system design and shorten the design cycle.

drilling rig；pipe-handling manipulator；rigid-flexible coupling；dynamics analysis

1001-3482(2017)01-0034-04

2016-08-19

胡送橋(1984-)，男，湖南婁底人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槭豌@修井井口自動(dòng)化機(jī)械，Email：husq898@163.com。

TE928

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.01.008