修井机缓冲机构的研究与分析

2018-10-09黄丹

机电工程技术 2018年9期

黄丹

（河源技师学院，广东河源 517000）

0 前言

在油田的后期开采过程中，需要大量的修井机来完成钻井的修复工作。为提高石油的开采效率和降低修井的作业成本，使用自动化设备进行修井作业变得非常流行。修井是钻井后期维护过程中的一项必须工作，可以确保钻井在后期可以继续工作[1]。通常修井作业包括旋转钻进、起下作业、循环冲洗等几个过程，这些工作都是需要缓冲机构将油井里面的油管取出，并完成修井后放入新的油管。在油井的修复工作过程中，缓冲机构约占有一半以上的工作时间，因此，使用具有自动缓冲功能的修井机具有非常重要的意义[2]。

为了更好研究修井机缓冲机构，使用Solid Works软件进行三维建模[3]，并使用ADAMS软件进行运动分析[4-5]。

1 修井机缓冲机构的设计

在对修井机缓冲机构进行研究之前，需要对主体机构进行设计。由于修井机在夹紧油管后需要翻转一个角度，将油管放入猫道上。为减少油管在翻转过程中的冲击，在油管翻转一定角度后将其与缓冲机构的承接件相接触，减少它在翻转过程中的冲击力。图1是修井机的缓冲结构图，从图中可以看出缓冲机构采用的是摆动导杆结构进行缓冲的。

在修井机缓冲机构的工作过程中，首先是修井机将油管夹紧吊出油井，然后油管与缓冲机构的承接件相接触，在修井机的作用下下滑到猫道上，直至完全到位。在这过程中缓冲机构的液压系统起到重要的作用，液压原理图如图2所示。在缓冲机构起升时，电磁阀在控制系统的作用下调到左边，此时液压油流向液压缸的后半部分活塞伸出；在缓冲机构下降时，电磁阀在控制系统的作用下调节到右边，此时液压油流向液压缸的前半部分活塞缩回。

图1 修井机缓冲机构结构图

图2 缓冲机构液压原理图

2 修井机缓冲机构的力学分析

为得到性能更好的动力修井机缓冲机构，需要进行动力学分析。由于采用这种机构可以很好地缓冲油管的撞击，从而导致的一系列的事故。根据缓冲机构的结构模型，得到如图3所示的结构简图。

图3 缓冲机构结构简图

在进行缓冲机构的优化分析过程中，需要对它的受力过程进行分析。根据缓冲机构的受力情况和摆动导杆机构的运动特点，可知缓冲机构在摆臂处于水平位置时，液压缸的驱动力最大，因此在进行首席分析过程时可以根据此时的受力状况来进行分析。此时，摆臂的受力大小为：

式中：m为油管的质量，通常一根油管的质量为300 kg；

G为重力加速度，9.8 m/s2；

B为摆臂中心到转轴的距离大小；

C为活塞杆与摆臂连接处的距离大小；

α为活塞杆与摆臂之间的夹角大小。

根据缓冲机构的受力分析可知，液压缸的最大驱动力为F=21 586 N。因此，选用输出载荷大小为P=3 MPa。

3 修井机缓冲机构的仿真分析

在Solid Works软件中建立起缓冲机构的三维结构模型，然后将装配体导入到ADAMS软件中[6-7]，得到如图4所示的缓冲机构虚拟样机模型。在缓冲机构的起升过程仿真分析中，需要根据它的实际工作要求添加相关的约束条件，相互之间转动的零部件需要设置旋转副。由于支承座在工作过程中主要起到支承整个缓冲机构的作用，因此，在进行仿真分析过程中需要将其固定。

图4 缓冲机构虚拟样机模型

在仿真过程中，向液压缸的缸筒和活塞之间施加一个运动约束，使液压缸保持匀速运动，研究缓冲机构中摆臂从水平位置运动到竖直位置的运动情况。为了研究液压缸的驱动力情况，在仿真分析前，在液压缸筒和活塞之间新建一个测量液压力的测量装置，从而可以测量出液压缸的驱动力曲线。通过ADAMS仿真[8]可以得到缓冲机构中输出液压缸驱动力与摆臂起升角度的关系曲线如图5所示。根据液压缸驱动力与摆臂起升角度关系曲线可知，随着液压缸驱动的不断增大，摆臂的起升角度越来越大。

图5 液压缸驱动力与摆臂起升角度关系曲线

为了对缓冲机构进行更进一步的研究分析，本文作者在液压缸的驱动作用下，对缓冲机构摆臂的转动速度和加速度展开分析，运动关系曲线如图6所示。由图可知，缓冲机构的速度在前2 s内逐渐减小；在2～3 s之间逐渐趋于稳定状态，且达到最小速度；3～4 s内速度有逐渐增大。加速度在前1.5 s内逐渐减少，在1.5～3 s之间逐渐趋于稳定，在该阶段稳定性比较好，在3～4 s内也呈现增大的趋势。根据缓冲机构的运动关系研究可知，在3 s后需要保证该机构运动的平稳性。