趙亮亮，王耀華，白丙建，韓亞洲，殷克平，劉延明

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

近年來，鉆井作業(yè)市場競爭日益激烈，各鉆探公司希望在加快進(jìn)尺的同時(shí)保障作業(yè)安全、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，通過對(duì)鉆井裝備的自動(dòng)化控制來實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)提速、增效、降本的目的。雖然國內(nèi)具有一定自動(dòng)化水平的5 000、7 000 m鉆機(jī)已在應(yīng)用，但是針對(duì)淺井鉆機(jī)的自動(dòng)化研究尚未開展，尤其是隨著煤層氣鉆機(jī)、液壓鉆機(jī)、斜直井鉆機(jī)等特種鉆機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，這些采用單根作業(yè)的小型鉆機(jī)也要求具有較高的自動(dòng)化水平，以期達(dá)到縮短建井周期，降低開采成本的目的[1-4]。根據(jù)淺井鉆機(jī)中煤層氣鉆機(jī)、液壓鉆機(jī)、斜直井鉆機(jī)等采用單根作業(yè)鉆機(jī)的技術(shù)發(fā)展需要和油田的實(shí)際生產(chǎn)需求，急需開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的淺井單根自動(dòng)化鉆機(jī)。筆者設(shè)計(jì)開發(fā)了適用于淺井單根自動(dòng)化鉆機(jī)作業(yè)的管柱輸送機(jī)械手，該設(shè)備采用機(jī)、電、液相結(jié)合的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)管柱從地面水平狀態(tài)到鉆臺(tái)面井口中心豎直狀態(tài)的自動(dòng)化輸送。

針對(duì)管柱輸送機(jī)械手自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及功能動(dòng)作的復(fù)雜性問題，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，以ADAMS軟件為平臺(tái)，對(duì)各個(gè)部件施加相應(yīng)的約束和載荷，建立管柱輸送機(jī)械手整機(jī)虛擬樣機(jī)模型。對(duì)管柱輸送機(jī)械手整機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與分析、動(dòng)力學(xué)參數(shù)優(yōu)化等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究；對(duì)樣機(jī)的多剛體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ头謩e進(jìn)行了仿真分析。實(shí)現(xiàn)了管柱輸送機(jī)械手全運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)特性仿真，為設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)[5-8]。

1 設(shè)備簡介

1.1 結(jié)構(gòu)組成

管柱輸送機(jī)械手主要由安裝座、主臂、副臂、夾持鉗、扶正鉗、拉桿、主臂液缸、伸縮液缸、副臂液缸等組成，如圖1所示。

圖1 管柱輸送機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意

1.2 工作原理

管柱輸送機(jī)械手作業(yè)時(shí)，通過貓道排管架將水平放置的管柱滾入輸送機(jī)械手，再由機(jī)械手鉗爪夾持管柱，直接遞送到井口中心并交給頂驅(qū)進(jìn)行鉆井作業(yè)，如圖2所示。

圖2 管柱輸送機(jī)械手工作過程示意

具體工作過程如下：

1) 張開夾持鉗。

2) 操作動(dòng)力貓道，讓單根管柱滾到機(jī)械手托桿上。

3) 關(guān)閉夾持鉗、扶正鉗，緩慢舉升主臂。

4) 舉升主臂，在管柱即將進(jìn)入井架時(shí)停止。

5) 舉升副臂，在管柱下端即將進(jìn)入井架時(shí)停止。

6) 打開吊卡，使吊卡處于扣合管柱等待狀態(tài)。

7) 繼續(xù)舉升主臂、微調(diào)副臂，使被輸送管柱基本與井口中心重合，扣合吊卡。

8) 張開夾持鉗、扶正鉗。

9) 下放主臂、副臂，回貓道至初始位置。

2 多剛體動(dòng)態(tài)特性研究

為了深入研究管柱輸送機(jī)械手的動(dòng)態(tài)特性，首先建立了機(jī)械手多剛體動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)其主要參數(shù)和關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行研究。

2.1 動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)確定

在進(jìn)行仿真之前，需要在ADAMS中對(duì)管柱輸送機(jī)械手相關(guān)機(jī)構(gòu)建立約束、施加載荷及驅(qū)動(dòng)，參數(shù)如表1所示。

表1 管柱輸送機(jī)械手運(yùn)動(dòng)相關(guān)參數(shù)

對(duì)于輸送機(jī)械手旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處采用旋轉(zhuǎn)副、圓柱副、球鉸來代替，同時(shí)需要在此處添加靜摩擦因數(shù)0.5，動(dòng)摩擦因數(shù)0.3。

2.2 風(fēng)載建立

針對(duì)管柱輸送機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及作業(yè)環(huán)境，在仿真時(shí)需要考慮風(fēng)載對(duì)設(shè)備運(yùn)行過程的影響。

作用于機(jī)械手上的風(fēng)速為20 m/s(即風(fēng)力為2 kN)，也就是說機(jī)械手受到的最大風(fēng)力是2 kN，但是有一定的周期變換。同時(shí)，由于不清楚風(fēng)的方向，無法確切的對(duì)其進(jìn)行描述，所以使用三維力加載方式，如圖3所示。

為達(dá)到最佳加載力的效果，要保證力合成后最大也依然為2 kN。由于風(fēng)力是有一定的周期的，因此這種合成力的最好的方式就是用一個(gè)正弦曲線與一個(gè)余弦曲線在錯(cuò)開1/4個(gè)周期后進(jìn)行合成，即sint+cost，這樣無論哪個(gè)力作用，或者同時(shí)作用，均可以保證力的狀態(tài)，如圖4所示。

2.3 管柱輸送機(jī)械手多剛體動(dòng)力學(xué)模型

完成約束、載荷施加后的管柱輸送機(jī)械手動(dòng)力學(xué)模型如圖5所示。

2.4 多剛體動(dòng)態(tài)特性研究

輸送機(jī)械手在工作過程中，主要依靠主液缸和伸縮液缸的伸出和縮回來完成管柱從地面到鉆臺(tái)或從鉆臺(tái)到地面的輸送，在此過程中輸送機(jī)械手具有2種運(yùn)行工況，分別是連續(xù)運(yùn)動(dòng)輸送和斷續(xù)運(yùn)動(dòng)輸送(即主液缸中間過程停滯等待游吊下放)?；诙鄤傮w動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)主液缸和伸縮液缸的運(yùn)動(dòng)速度與伸縮距離在2種工況進(jìn)行研究。

2.4.1 輸送機(jī)械手連續(xù)運(yùn)動(dòng)輸送

通過STEP函數(shù)對(duì)主液缸施加運(yùn)動(dòng)速度，根據(jù)實(shí)際作業(yè)工況，通過多次優(yōu)化得出主液缸的速度為STEP(time,0,0,1.5,-44.8)+STEP(time,23,0,27,44.8)，如圖6所示。根據(jù)輸入速度得到主油缸的位移曲線，如圖7所示。

圖6 主液缸連續(xù)運(yùn)動(dòng)速度曲線

圖7 主液缸連續(xù)運(yùn)動(dòng)位移曲線

通過STEP函數(shù)對(duì)伸縮液缸施加運(yùn)動(dòng)速度，根據(jù)實(shí)際作業(yè)工況，通過多次優(yōu)化得出伸縮液缸的速度為STEP(time,15,0,17.5,-30)+STEP(time,24.5,0,27,30)，如圖8所示。根據(jù)輸入速度得到伸縮油缸的位移曲線，如圖9所示。

圖8 主液缸連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)伸縮液缸運(yùn)動(dòng)速度曲線

圖9 主液缸連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)伸縮液缸運(yùn)動(dòng)位移曲線

2.4.2 輸送機(jī)械手?jǐn)嗬m(xù)運(yùn)動(dòng)輸送

通過STEP函數(shù)對(duì)主液缸施加運(yùn)動(dòng)速度，根據(jù)實(shí)際作業(yè)工況，通過多次優(yōu)化得出主液缸的速度為STEP(time,0,0,1.5,-44.8)+STEP(time,21,0,22,44.8)+STEP(time,32,0,33.5,-27.5)+STEP(time,37,0,40,27.5)，如圖10所示。根據(jù)輸入速度得到主油缸的位移曲線，如圖11所示。

圖10 主液缸斷續(xù)運(yùn)動(dòng)速度曲線

通過STEP函數(shù)對(duì)伸縮液缸施加運(yùn)動(dòng)速度，根據(jù)實(shí)際作業(yè)工況，通過多次優(yōu)化得出伸縮液缸的速度為STEP(time,10,0,12.5,-30)+STEP(time,19.5,0,22,30)，如圖12所示。根據(jù)輸入速度得到伸縮油缸的位移曲線，如圖13所示。

圖11 主液缸斷續(xù)運(yùn)動(dòng)位移曲線

圖12 主液缸斷續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)伸縮液缸運(yùn)動(dòng)速度曲線

圖13 主液缸斷續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)伸縮液缸運(yùn)動(dòng)位移曲線

3 剛?cè)狁詈蟿?dòng)態(tài)特性研究

通過對(duì)輸送機(jī)械手多剛體模型的動(dòng)力學(xué)仿真分析，確定了2種運(yùn)行方式，一種是輸送機(jī)械手連續(xù)運(yùn)行將管柱送到井口，另一種是輸送機(jī)械手上升到一定高度后等待游吊下放，然后繼續(xù)運(yùn)行將鉆桿送到井口。

多剛體動(dòng)力學(xué)仿真視所有零部件為剛體，無變形，這種仿真結(jié)果不能反映輸送機(jī)械手在送管柱過程中，管柱在不同位置的變形和擺動(dòng)量，因此，將模型中的細(xì)長構(gòu)件管柱(以鉆桿為例)和主臂進(jìn)行柔性化，建立輸送機(jī)械手的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，分析鉆桿到達(dá)井口位置后其上端的擺動(dòng)量，進(jìn)而判斷鉆桿上端與頂驅(qū)能否成功對(duì)接及對(duì)接效率。

3.1 管柱輸送機(jī)械手剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型建立

在ANSYS中建立鉆桿和主臂的MNF文件(模態(tài)中性文件)，替代原多剛體動(dòng)力學(xué)模型中的鉆桿和主臂，建立管柱輸送機(jī)械手剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型[9-10]，如圖14所示。

圖14 管柱輸送機(jī)械手剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型

3.2 剛?cè)狁詈蟿?dòng)態(tài)特性研究

3.2.1 輸送機(jī)械手連續(xù)運(yùn)動(dòng)輸送

輸送機(jī)械手連續(xù)運(yùn)行，直接將鉆桿輸送到井口中心，鉆桿上端在井口前后方向的軌跡曲線如圖15所示。

圖15 連續(xù)運(yùn)行鉆桿上端在井口前后方向位移

從仿真曲線可以看出，機(jī)械手連續(xù)運(yùn)行將鉆桿送到井口時(shí)，鉆桿上端擺動(dòng)量為±70 mm，小于頂驅(qū)背鉗上導(dǎo)向體喇叭口的直徑280 mm，故鉆桿可由導(dǎo)向體導(dǎo)向進(jìn)入背鉗與頂驅(qū)對(duì)接。

3.2.2 輸送機(jī)械手?jǐn)嗬m(xù)運(yùn)動(dòng)輸送

輸送機(jī)械手先運(yùn)行到一定高度，在井口附近等待游吊系統(tǒng)下放，再將鉆桿輸送到井口中心，鉆桿上端在井口前后方向的軌跡曲線如圖16所示。

圖16 斷續(xù)運(yùn)行鉆桿上端在井口前后方向位移

從仿真曲線可以看出，輸送機(jī)械手?jǐn)嗬m(xù)運(yùn)行將鉆桿送到井口時(shí)，鉆桿上端擺動(dòng)量為±55 mm，小于頂驅(qū)背鉗上導(dǎo)向體喇叭口的直徑280 mm，故鉆桿可由導(dǎo)向體導(dǎo)入背鉗與頂驅(qū)對(duì)接。

4 結(jié)論

1) 建立了管柱輸送機(jī)械手的多剛體動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際作業(yè)工況，通過仿真分析得到連續(xù)運(yùn)行和斷續(xù)運(yùn)行條件下主液缸和伸縮液缸的工作曲線。

2) 通過連續(xù)運(yùn)行和斷續(xù)運(yùn)行2種工況仿真分析，輸送機(jī)械手輸送的鉆桿均滿足與頂驅(qū)對(duì)接的要求；在斷續(xù)運(yùn)行工況下鉆桿的擺動(dòng)量較小，對(duì)接效率較高。