蔣智超

摘要：在陸地鉆井作業(yè)中，有40%的時(shí)間用于管柱的處理，因此，研究設(shè)計(jì)了一種陸地立根自動(dòng)輸送裝置。基于CAXA三維實(shí)體設(shè)計(jì)進(jìn)行3D建模，并運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)主要結(jié)構(gòu)作靜力學(xué)分析，驗(yàn)證關(guān)鍵結(jié)構(gòu)負(fù)載狀態(tài)下的位移、應(yīng)力、力等參數(shù)，探究其是否滿足實(shí)際使用要求。通過(guò)ADAMS軟件對(duì)立根輸送裝置上下鉆過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真得到關(guān)鍵點(diǎn)的位移、速度、加速度等參數(shù)，驗(yàn)證運(yùn)行過(guò)程是否存在干涉。分析結(jié)果表明，裝置結(jié)構(gòu)剛度滿足使用要求，運(yùn)動(dòng)過(guò)程符合工作要求。該立根輸送裝置通過(guò)將載有鉆具的輸送臂從地面提升至適合工人操作和吊卡吊取的位置，縮短鉆桿輸送周期、提高鉆井效率、降低鉆井工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

摘要：立根；輸送裝置；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；力學(xué)計(jì)算；仿真分析

中圖分類號(hào)：TE928 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.02.009

文章編號(hào)：1006-0316 （2024） 02-0053-06

Design of a Drill Tool Automatic Conveying Device

JIANG Zhichao

（?College of Mechanical Engineering， Xian Shiyou University，?Xian?710065，?China?）

Abstract：In onshore drilling operations， 40% of the time is spent on handling the pipe string. Therefore，?This article designs and studies an automatic land root conveying device. Based on CAXA 3D solid design， 3D modeling is carried out， and ANSYS finite element analysis software is used to perform static analysis on the main structures.?The displacement， stress， force and other parameters under key structural load states are verified to find out whether they meet practical usage requirements. Dynamic simulation of the drilling process of the vertical root conveying system is conducted by using ADAMS software to obtain parameters such as displacement， velocity， and acceleration of key points and to verify whether there is interference during operation. According to the analysis results， the structural stiffness of the device meets the usage requirements， and the motion process meets the working requirements. The vertical root conveying system shortens the conveying cycle of drill pipes， improves drilling efficiency， and reduces the labor intensity of drilling workers by lifting the conveying arm to carry drilling tools from the ground to a position suitable for worker operation and elevator lifting.

Key words：drill tool；conveying device；mechanism design；mechanical calculation；simulation analysis

在陸地鉆井作業(yè)中，鉆具輸送系統(tǒng)是配合鉆機(jī)完成鉆井任務(wù)的重要輔助系統(tǒng)^[1]。現(xiàn)有鉆具輸送系統(tǒng)將鉆桿輸送至鉆井平臺(tái)后，為縮短上下鉆時(shí)間，需在二層臺(tái)進(jìn)行接立根工作^[1-3]。此過(guò)程需要鉆井平臺(tái)上的工人與距離地面十米多高的二層臺(tái)上的工人相互配合才能完成。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)惡劣的工作環(huán)境，在高空接立根作業(yè)的工作形式具有一定的危險(xiǎn)性，此過(guò)程事故發(fā)生率占鉆井作業(yè)總事故比重較大，嚴(yán)重影響鉆井作業(yè)效率。寶石機(jī)械設(shè)計(jì)研制并投入現(xiàn)場(chǎng)使用的上三根動(dòng)力貓道^[4]使效率提高約30%，但由于同時(shí)上三根單獨(dú)的鉆桿在吊取過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)無(wú)法完全對(duì)中的情況，高空作業(yè)存在巨大的安全隱患。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種適用于ZJ70D鉆機(jī)的陸地立根自動(dòng)輸送系統(tǒng)，既能輸送各種型號(hào)的立根，還可輸送鉆鋌、套管等。以立根的形式輸送，減少送鉆時(shí)間，提高鉆井作業(yè)的效率。將拆接立根的工作轉(zhuǎn)移至地面，避免高空作業(yè)，提高輸送作業(yè)的安全性。通過(guò)軟件仿真，驗(yàn)證該輸送裝置的可行性和合理性，完成立根輸送裝置的設(shè)計(jì)研究^[2]。為提高鉆井作業(yè)效率和安全性提供一種新思路和理論依據(jù)。

1 立根輸送裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖1所示，立根輸送裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由底座、坡道、輸送臂、液壓支撐臂，以及液壓輔助裝置五部分組成。其工作原理為：排管裝置、傾斜機(jī)構(gòu)、安全銷和踢出機(jī)構(gòu)互相配合實(shí)現(xiàn)鉆具往輸送臂V型槽排入（出）作業(yè)；載有鉆具的輸送臂在鋼絲繩和液壓支撐臂的共同作用下實(shí)現(xiàn)從地面到鉆井平臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

2 力學(xué)分析

對(duì)立根輸送裝置的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析與計(jì)算。將立根的輸送（上鉆）過(guò)程分為三個(gè)階段：?jiǎn)?dòng)階段、第一階段、第二階段。

2.1 啟動(dòng)階段

在輸送臂沿著坡道剛開(kāi)始起升時(shí)，鋼絲繩受到的拉力最大。為解決這一問(wèn)題，本輸送裝置在底座靠近坡道位置設(shè)計(jì)一個(gè)小型的液壓輔助裝置。在輸送臂向上運(yùn)動(dòng)、滾筒絞車開(kāi)始工作時(shí)，該液壓輔助裝置以合適的速度配合鋼絲繩共同提升輸送臂。受到底座1.1?m高度的限制，液壓缸的最大行程為0.5?m，安裝角度與坡道平行，安裝位在底座距離坡道0.5?m的位置，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 第一階段

輸送臂前端受到鋼絲繩拉力，輸送臂后端的輪子在底座沿著水平方向滾動(dòng)，同時(shí)兩個(gè)液壓支撐臂一端與輸送臂鉸鏈連接，另一端的輪子在底座水平滾動(dòng)。受力分析簡(jiǎn)化如圖3所示。

AB為輸送臂；A為輸送臂后端輪子所在位置；B為輸送臂前端所在位置；O為AB的中點(diǎn)；EM、FN為液壓支撐臂；E、F為兩個(gè)液壓支撐臂一端與輸送臂鉸鏈連接的位置；M、N為兩個(gè)液壓支撐臂另一端的輪子在底座上的位置；F_N1為坡道對(duì)輸送臂前端的支撐力；F_N2為底座對(duì)輸送臂后端輪子的支撐力；F_L為沿輸送臂方向的鋼絲繩牽引力；G為輸送臂和所載鉆具的總質(zhì)量；α為輸送臂與底座的夾角；C為坡道與地面的接觸位置；D為輸送臂前端在坡道上需到達(dá)的指定位置。

以A點(diǎn)為中心點(diǎn)，建立力矩平衡方程為：

（1）

式中：為G和輸送臂AB的夾角；35°＋為與輸送臂AB的夾角。

將方向定義為x軸正方向建立坐標(biāo)系，列出x軸和y軸方向的力平衡方程為：

（2）

根據(jù)ZJ70D鉆機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)中的各種參數(shù)，可知0≤≤13°最為合適。

式（1）可簡(jiǎn)化為：

（3）

由式（3）可知，輸送臂上載有鉆具時(shí)對(duì)坡道產(chǎn)生的壓力值與成反比，即當(dāng)＝0°，輸送臂剛啟動(dòng)瞬時(shí)，壓力達(dá)到最大值。已知輸送臂AB全長(zhǎng)為33.2?m，自身質(zhì)量約9200?kg，輸送臂的最大負(fù)載要求是3500?kg，計(jì)算得總質(zhì)量G＝127?000?N。

代入式（3）得：＝110?709 N。

根據(jù)式（2）有：

（4）

結(jié)合式（3）可得：

（5）

代入數(shù)據(jù)化簡(jiǎn)得：

（6）

由式（6）可以看出，鋼絲繩牽引力隨著的增大而減小，因此，輸送臂剛啟動(dòng)的瞬間，即＝0°時(shí)，最大，約為91?351 N。

2.3 第二階段

輸送臂到達(dá)坡道的指定位置后，兩個(gè)液壓支撐臂EM、FN的與底座卡扣固定，同時(shí)兩個(gè)液壓缸伸出，共同配合滾筒絞車將輸送臂提升至鉆臺(tái)面，然后小車推動(dòng)鉆具至合適位置完成上鉆。此時(shí)輸送臂受力分析如圖4所示。

分別以E、F、O點(diǎn)為中心點(diǎn)，建立力矩平衡方程為：

γ為液壓支撐臂與底座的夾角；F_Fx、F_Ex、F_Fy、F_Ey為F、E點(diǎn)受力分別在x和y方向上的分力；F_N為坡道頂端對(duì)輸送臂的支撐力。

化簡(jiǎn)得：

（8）

x、y方向的力平衡方程為：

（9）

化簡(jiǎn)得：????（10）

根據(jù)幾何關(guān)系，有：

（11）

式中：為液壓支撐臂與輸送臂的夾角。

根據(jù)三角函數(shù)誘導(dǎo)公式和式（10）可得：

（12）

由式（12）可知，在到達(dá)坡道指定位置時(shí)，的值最小，最大。

在輸送裝置的設(shè)計(jì)中，坡道指定位置是指輸送臂前端垂直高度為7?m、準(zhǔn)備進(jìn)入第二階段時(shí)坡道所對(duì)應(yīng)的位置，如圖5所示。此時(shí)，γ＝32.9°，H＝7?m。

根據(jù)幾何關(guān)系可知：

（13）

計(jì)算得：11.9°

則＝44.8°

已知AE＝14?m，EF＝8?mm。

代入式（7）、式（12），得：＝12?286 N，＝62?075 N，＝57?588 N。

2.4 小結(jié)

（1）輸送裝置的輸送過(guò)程中，在底座靠近坡道附近安裝一個(gè)輔助提升的液壓裝置，對(duì)減小鋼絲繩的拉力效果十分顯著。

（2）通過(guò)第二階段的力學(xué)分析可知，液壓支撐臂與輸送臂之間的角度越小，鋼絲繩拉力越大，因此要盡量使該角度大于當(dāng)前最大角度值。在鋼絲繩提升輸送臂時(shí)，液壓支撐臂的伸出速度應(yīng)從0開(kāi)始逐漸增加，能一定程度保證鋼絲繩拉力不會(huì)超過(guò)最大值。

3 輸送臂靜力學(xué)分析

大型石油裝備機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜且整體尺寸大，對(duì)其進(jìn)行仿真后再投產(chǎn)更符合機(jī)械設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性原則^[5-6]。

仿真參數(shù)為：輸送臂長(zhǎng)度L＝33.2?m，許用應(yīng)力235 MPa，鉆具質(zhì)量35?000?N。采用材料Q345，其密度為7800?kg/m³，楊氏模量210?GPa，泊松比0.2，屈服強(qiáng)度345?MPa。

輸送臂屬于大型鋼結(jié)構(gòu)梁，有^[8-9]：??????????? ? ? ? ? ? ?（14）

式中：為最大變形值。

計(jì)算得：＝166 mm。

立根輸送裝置的設(shè)計(jì)是根據(jù)傳統(tǒng)拉伸式動(dòng)力貓道進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)于輸送臂，則是將原有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單進(jìn)行加長(zhǎng)，利用ANSYS軟件對(duì)其僅自重狀態(tài)下進(jìn)行分析^[7]，如圖6所示?？梢钥闯觯娱L(zhǎng)后輸送臂僅在自身重力下變形位移為146.76?mm，最大應(yīng)力為219.07?MPa。

該變形位移和最大應(yīng)力雖均未超過(guò)許用值，但當(dāng)進(jìn)行鉆具輸送，結(jié)構(gòu)將不滿足強(qiáng)度要求^[9]。因此對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，肋板厚度由原來(lái)的15?mm增大至20?mm，減重的孔徑由原來(lái)的77.5?mm增大至100?mm。

優(yōu)化后的變形和應(yīng)力云圖如圖7所示?？梢钥闯觯瑑?yōu)化后重量雖然增加，但其慣性力矩也增加，抗彎能力增強(qiáng)，變形減小。最大變形為57.459?mm，最大應(yīng)力為140.73?MPa，滿足使用要求。

第一階段的變形和應(yīng)力云圖如圖8所示。可以看出，第一階段輸送過(guò)程中，隨著輸送臂前端的不斷上升，輸送臂自重和鉆具自重對(duì)輸送臂變形的影響越來(lái)越小。變形最大位置為中間部分，最大變形量為74.489?mm，最大應(yīng)力為175.07?MPa，符合設(shè)計(jì)要求。

第二階段的變形和應(yīng)力云圖如圖9所示。可以看出，第二階段輸送過(guò)程中，受到液壓臂支撐的位置應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為129.11?MPa，相較于第一階段更小，最大變形為61.44?mm，也優(yōu)于第一階段，符合設(shè)計(jì)要求。

因此，輸送裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)剛度符合設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)合理，方案可行^[9-10]。

4 輸送過(guò)程的動(dòng)力學(xué)仿真

在ADAMS軟件中，對(duì)模型創(chuàng)建相應(yīng)的約束如圖10所示，繪制運(yùn)動(dòng)軌跡如圖11所示。選用STEP函數(shù)，函數(shù)曲線如圖12所示^[11-12]。

由于要與坡道鋼絲繩的拉力相互配合，因此需要不斷調(diào)試函數(shù)的設(shè)定，最終實(shí)現(xiàn)輸送系統(tǒng)的優(yōu)化。調(diào)試、位移、速度、加速度曲線如圖13所示。

關(guān)鍵點(diǎn)包括：大車前端的MARKER_DCQ和大車末端的MARKER_DCM，液壓支撐臂1和液壓支撐臂2底端的MARKER_YYD1和MARKER_YYD2。

可以看出，輸送臂的前段和末端位移均為平穩(wěn)上升曲線；速度雖不一致，但輸送臂前后段的速度曲線基本重合；加速度曲線是先上升后下降，驗(yàn)證輸送臂運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定^[13-14]。

5 結(jié)論

對(duì)立根輸送裝置運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行力學(xué)分析計(jì)算，在前端增加液壓輔助裝置能夠有效降低鋼絲繩啟動(dòng)時(shí)受到的最大拉力。

通過(guò)對(duì)輸送臂進(jìn)行靜力學(xué)仿真，可知直接加長(zhǎng)輸送臂會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重變形，改變輸送臂截面尺寸能夠保證各個(gè)階段的剛度要求。

通過(guò)不斷地修改運(yùn)動(dòng)參數(shù)和設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)輸送裝置成功且平穩(wěn)地運(yùn)行，驗(yàn)證了立根輸送裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性。

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