紀 然，巴 鵬，李 雪，張振宇，申靖宇

(沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110159)

新型對開式自動吊卡的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

紀 然，巴 鵬，李 雪，張振宇，申靖宇

(沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110159)

為了實現(xiàn)修井機排管自動化，提高修井作業(yè)效率，降低勞動成本，參考原吊卡結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種新型自動吊卡機構(gòu).應(yīng)用Pro/E對自動吊卡本體建模，并利用ABAQUS有限元分析軟件對吊卡進行分析計算，在獲得自動吊卡的應(yīng)力云圖與位移云圖后，分析了吊卡的強度和剛度.針對吊卡的承載能力進行了加載實驗.結(jié)果表明，該機構(gòu)在結(jié)構(gòu)上能夠滿足目前小型修井機的排管要求，可以為吊卡的設(shè)計與實驗提供參考.

修井機；吊卡結(jié)構(gòu)；二層平臺；有限元分析；載荷試驗；疲勞分析

目前，國內(nèi)小型修井機的吊卡依舊依靠人工進行拆卸與安裝，勞動強度大且效率低下，高溫和嚴寒條件會顯著影響修井的作業(yè)效率.動力吊卡雖然自動化程度很高，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大而未能得到廣泛的應(yīng)用.在借鑒國外自動吊卡結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文參考側(cè)開式吊卡結(jié)構(gòu)設(shè)計一種新型自動對開式吊卡，結(jié)合機械手實現(xiàn)二層平臺自動化排管作業(yè).

1 自動吊卡的結(jié)構(gòu)設(shè)計

吊卡主要用于油田鉆井或修井作業(yè)，在提升和下放油管時，為防止油管脫落，用吊卡夾持油管進行作用.提取油管時，吊卡掛在吊環(huán)上，隨吊頭下行，直到吊卡落在一層平臺后，人工將吊卡從吊環(huán)上卸下，并將管柱接頭坐落的吊卡掛到吊環(huán)之上，由電控執(zhí)行器控制吊卡雙邊鎖緊.當?shù)躅^到達二層平臺時，機械手完成夾取油管作業(yè).此時，一層平臺的工人需將自動吊卡放置在管柱接頭座下，使自動吊卡處于雙邊鎖緊狀態(tài)，以避免油管斷開連接后掉入井下.人工旋擰管柱接頭，使管路斷開，工人在一層平臺上手工完成排管后，自動吊卡接收信號后雙邊張開，機械手進行指定位置的自動排管.下放油管的過程就是提取油管的逆過程，不在贅述.吊卡的工作流程如圖1所示.

圖1 吊卡的工作流程

本文主要參考側(cè)開式、對開式吊卡結(jié)構(gòu)，設(shè)計一種可滿足實際工程需求的對開式自動吊卡.其根本目的是取代二層平臺上的工作人員并與一層平臺上的工作人員配合，實現(xiàn)自動控制吊卡開合，同時與機械手協(xié)同完成自動排管作業(yè).原吊卡的技術(shù)規(guī)范如表1所示.

表1 原吊卡的技術(shù)規(guī)范

根據(jù)國家標準選取的鉆桿外徑為60 mm，質(zhì)量為15.475 kg/m,壁厚為9.19 mm，內(nèi)徑為54.64 mm，管體截面積為18.44 cm2.以井深1 000 m計算，鉆桿總質(zhì)量為15 475 kg.其對應(yīng)重力為154.75 kN.

GB/T6292-93國家標準規(guī)定的套管吊卡承受最大力為1 350 kN[1].考慮到安全因素，本文取安全系數(shù)為2，則吊卡承受的力F=309.5 kN，符合國家標準.

2 自動吊卡的有限元分析

通過力學分析零件應(yīng)力應(yīng)變的方法過于復(fù)雜，零件的實際工作情況難以模擬，并且計算結(jié)果與實際結(jié)果有較大偏差.采用有限元軟件ABAQUS進行分析，將復(fù)雜零件離散為大量的單元，模擬真實工作環(huán)境，既可提高計算速度，也能夠提高結(jié)果的精度[2].

2.1建立有限元模型

根據(jù)吊卡的實際工作條件，本文采用Pro/E軟件建立對開式吊卡的三維模型，包括吊卡主體、吊卡活門、軸、鍵、螺母.將三維模型導(dǎo)入有限元軟件ABAQUS的裝配模塊中，并設(shè)定吊卡的材料屬性(表2).

表2 吊卡的材料屬性

在屬性模塊中定義吊卡的材料屬性，創(chuàng)建并分配截面特征，然后進行網(wǎng)格劃分.網(wǎng)格單元類型的選擇應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的類型、形狀特征、應(yīng)力變形特點、精度要求和硬度條件等因素[1，3].對吊卡的主要受力部位采用六面體單元劃分網(wǎng)格；對吊卡的非主要受力部位采用四面體單元劃分網(wǎng)格.考慮到鍵與軸和吊卡活門緊緊相連，而且螺母為標準件，因此可以將軸、鍵、螺母視為剛體而不再進行對應(yīng)網(wǎng)格的劃分.吊卡主體的有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示.

圖2 吊卡有限元網(wǎng)格劃分模型

為了得到吊卡的應(yīng)力云圖與位移云圖，本文選擇靜力分析方法，并設(shè)置場輸出變量為應(yīng)力變量與位移變量.

吊卡承受的力為309.5 kN，鉆桿坐落于吊卡端面.因此，吊卡的工作載荷為吊卡端面承受載荷.吊卡的工作載荷為：

(1)

式中：D1為吊卡端面外徑，mm；D2為吊卡端面內(nèi)徑，mm.

將吊卡吊耳固定，添加固定約束，對吊卡的端面施加44.78 MPa的額定；考慮到吊卡變形時的位移和載荷，且吊頭提升速度為0.23～1.28 m/s，給予吊卡一個最大速度(1.28 m/s)，分析吊卡的應(yīng)力應(yīng)變情況.

2.2有限元分析結(jié)果

通過ABAQUS有限元軟件分析，得到了施加44.78 MPa額定載荷時吊卡的應(yīng)力云圖(圖3)和位移云圖(圖4).

圖3 吊卡額定載荷下的應(yīng)力云圖

圖4 吊卡額定載荷下的位移云圖

當?shù)蹩ㄋ俣葹?.28 m/s時，其所能承受的最大載荷可根據(jù)最大應(yīng)力變形求得.此時，吊卡的應(yīng)力云圖如圖5所示；位移云圖如圖6所示.

圖5 最大速度下吊卡的應(yīng)力云圖

圖6 最大速度下吊卡的位移云圖

分析結(jié)果顯示：對吊卡施加額定載荷時，集中應(yīng)力主要出現(xiàn)在主體兩側(cè)和中間受力部位，最大應(yīng)力值為102 MPa，遠小于材料的屈服強力；同時，吊卡的最大位移為0.186 mm，根據(jù)吊卡的基本尺寸與材料特性，從位移云圖中未看見明顯的變形，該吊卡可滿足靜強力與剛度要求；考慮到自動吊卡的應(yīng)用范圍最大化，吊卡最大速度下的應(yīng)力和應(yīng)變分別為227 MPa和2.30 mm.顯然，這種情況的最大應(yīng)力是額定載荷的5倍，遠遠滿足了小型修井機的工況需求.

3 自動吊卡的疲勞載荷計算

考慮到疲勞破壞與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，只有在給定循環(huán)特性的條件下，通過不同應(yīng)力水平的吊卡壽命試驗，才可得到變應(yīng)力下的極限應(yīng)力.在計算吊卡的疲勞強力時，需要用系數(shù)加以修正[4-5].疲勞曲線由兩部分組成：在循環(huán)基數(shù)N0右邊區(qū)域(稱為無限壽命區(qū))，循環(huán)次數(shù)N可無限大；在循環(huán)基數(shù)N0左邊區(qū)域(稱為有限壽命區(qū))，有：

(2)

式中：σ-1N表示材料循環(huán)次數(shù)為N時的疲勞極限；m和C均為材料常數(shù).

對于有限壽命區(qū)的疲勞曲線，每給定一個循環(huán)次數(shù)N都可找到產(chǎn)生疲勞破壞的最大應(yīng)力σ-1N.由此，循環(huán)次數(shù)為N時條件疲勞極限的疲勞曲線方程為：

(3)

式中：材料常數(shù)m與應(yīng)力狀態(tài)、材料性質(zhì)和熱處理方法有關(guān)，通常鋼制零件受彎曲應(yīng)力時取m=9；對于硬度≤350 HBS的結(jié)構(gòu)鋼，N0≈107；σ-1為N0時的疲勞極限[6-8].自動吊卡的疲勞曲線如圖7所示.

圖7 自動吊卡的疲勞曲線

分析結(jié)果顯示，102 MPa的吊卡最大應(yīng)力小于疲勞極限，處于無限壽命區(qū)，滿足了吊卡工作要求.

4 結(jié)束語

(1)新型對開式吊卡結(jié)構(gòu)簡單，能夠完成提取與下放油管作業(yè)，在功能上可以與二層平臺機械手協(xié)同作業(yè)，完成自動排管要求.

(2)通過ABAQUS軟件對自動吊卡有限元分析計算可知，自動吊卡設(shè)計方案可行，能夠滿足工程吊卡強力與剛度的設(shè)計要求.

(3)運用ABAQUS有限元分析軟件對自動吊卡進行分析可行且有效，對提高機械結(jié)構(gòu)設(shè)計效率和實際工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義.

[1] 金嘉琦，羅 愷，馮 喆.基于Workbench的修井作業(yè)車吊卡有限元分析[J].沈陽工業(yè)大學學報，2014,36(3)：286-290.

[2] 蔣小利，江志剛，張 華.應(yīng)用ABAQUS的液壓挖掘機動臂有限元分析[J].現(xiàn)代制造工程，2014(7)：109-113.

[3] 程 杰，袁祖強，陸金桂.基于Abaqus的大型風力機葉片有限元分析[J].機械設(shè)計與制造，2012(5)：14-16.

[4] 陳 飛，裴峻峰，鄭慶元，等.自動吊卡系統(tǒng)的可靠性分析[J].常州大學學報(自然科學版)，2014,26(2):48-52.

[5] 李雪輝.吊卡結(jié)構(gòu)有限元分析[J].石油機械，1988,16(10)：6-10.

[6] 牛文杰，白永濤，余焱群.新型對開式動力吊卡的研制[J].東華大學學報，2016,42(4)：512-517.

[7] 高 勝，孫 冠，常玉連，等.動力開合式吊卡的平衡分析與研究[J]. 石油機械，2011,39(6):29-32.

[8] 黃安貽，田肖祝，齊 偉，等.新型吊卡翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和研究[J].機械設(shè)計與制造，2016(12)：13-16.

StructuralOptimizationDesignofNewTypeAutomaticElevators

JI Ran,BA Peng,LI Xue, ZHANG Zhen-yu,SHEN Jing-yu

(School of Mechanical Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

To automate the workover rig, improve workover efficiency and reduce labor costs, the author designs a new type of automatic elevator mechanism based on the original elevator structure. Applicating Pro/E to model the automatic elevators, using the ABAQUS finite element analysis software to analyze and calculate the model, obtaining the stress cloud diagram and displacement cloud diagram of the automatic elevator and analyzing strength and stiffness of the automatic elevator by cloud diagram. A load experiment was carried out on the carrying capacity of the elevator. The results show that the device can meet the requirements of the current small workover rig and provide a reference for the design and experiment of the elevator.

workover rig; structure of elevator; two-tier platform; finite element analysis; load test；fatigue analysis

2017-07-16

紀 然(1992-)，男，遼寧朝陽人，碩士研究生，研究方向為機電裝備與自動化技術(shù).

1006-3269(2017)03-0010-04

TH69

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2017.03.003