修井作业立式翻转猫道受力特性研究

2021-03-26周扬理岳吉祥綦耀光满善平何坤元

石油矿场机械 2021年2期

周扬理，岳吉祥，綦耀光，满善平，何坤元

(1.中国石油大学胜利学院机械与控制工程学院，山东东营 257061;2.胜利油田康贝石油工程装备有限责任公司，山东东营 257091)

油田修井作业存在作业环境恶劣、安全性差、工作效率低、劳动强度大等问题，研究自动化程度高的修井作业机械化设备具有重要意义[1-2]。猫道是处理管(杆)的重要设备之一，猫道按结构形式分为固定式猫道、举升式猫道和机械手臂[3]。现有猫道多数采用举升式猫道。举升式猫道将管(杆)送至工作台面，操作人员仍需要负责吊卡、液压钳推送、扶管对中等工作[4]。

为了提高修井作业的自动化程度，分析现有修井井口自动化技术现状[5-7]，提出了“立式接替作业、吊卡不流转”的新型作业工艺[8-9]。该工艺是立式翻转猫道将管(杆)由水平状态翻转呈竖直状态，并直接对正井口上方，吊卡卡住管(杆)，进行上卸扣等作业。该工艺优化了修井作业流程，去掉了摘挂吊环、搬抬吊卡、拽拉管(杆)等人工作业环节，提高了作业效率，减轻了工人劳动强度。立式翻转猫道是该工艺的核心部件，决定整个新型工艺的工作性能。分析立式翻转猫道受力特性，获得翻转运动的力学规律，为猫道各主要部件型号选取提供依据。

本文介绍了立式翻转猫道的结构组成，建立了受力模型，进行了静力学分析计算，并通过SolidWorks Motion软件进行验证；利用Adams软件对翻转过程进行了动力学仿真。

1 结构组成

立式翻转猫道整体结构如图1所示。猫道底座通过井口调整装置与井口四通定位并连接。井口调整装置可调整猫道与井口四通在竖直方向、水平方向的相对位置关系。底座上分别安装有翻转臂、液压缸，液压缸驱动翻转臂，实现翻转。

主要技术参数：可处理直径38.1～88.9 mm的油管、直径19～29 mm的抽油杆。

1—底座；2—井口四通；3—井口调整装置；4—翻转臂；5—液压缸；6—油管。

2 静力学分析

2.1 受力模型

根据立式翻转猫道的结构、液压缸的驱动力，将翻转过程的受力状况分为3个阶段，如图2所示。其简化模型如图3所示。第1阶段，液压缸驱动推力朝向左侧；第2阶段，液压缸驱动推力朝向右侧；第3阶段，液压缸驱动力变推力为拉力。立式翻转猫道的运动过程较为简单，但结构较复杂，为简化计算，作如下假设：

1) 受力分析的各个过程，立式翻转猫道处于受力平衡状态。

2) 各运动副摩擦力忽略不计。

图2 立式翻转猫道受力模型

3) 各构件重心位置由SolidWorks软件通过几何形状和密度计算而得。图3中，A为翻转臂与底座的铰接点，B为液压缸与底座的铰接点，C为液压缸活塞杆与翻转臂的铰接点。翻转臂的重力G简化为质点D的集中力。液压缸及其活塞杆简化为线段BC，液压缸驱动力为F，方向始终沿液压缸轴线。翻转臂水平夹角为α，油缸竖直夹角为θ，液压缸与翻转臂垂直面的夹角为φ。翻转臂参数如表1所示。

图3 简化模型

表1 翻转臂参数

2.2 受力分析

1) 第1阶段。以翻转臂为整体，建立力矩平衡方程。

FLF-GLG=0

式中：LF为液压缸驱动力F的力臂，LG为重力G的力臂。

根据图3a几何关系，可得：

LG=(LAE-LDEtanα)cosα

LF=(LAH-LCHtanφ)cosφ

φ=α+θ

2) 第2阶段。根据图3b几何关系，可得：

LG=(LAE-LDEtanα)cosα

LF=(LAH-LCHtanφ)cosφ

φ=α-θ

3) 第3阶段。第3阶段初始，翻转臂简化质点D在OA线段延长线上，即在翻转臂转轴正上方，此后，液压缸驱动力由推力变为拉力。

LG=(LDEtanα-LAE)cosα

LF=(LAH-LCHtanφ)cosφ

φ=α-θ

4) 计算求解。利用Matlab软件对3个阶段的关系式进行处理后，对其受力情况进行整合。出现上述情况的主要原因是受力分析时，将各受力视为标量，角度变化均限定在90°范围内。现将各受力设为矢量，角度变化扩大到360°范围内，得到立式翻转猫道在整个翻转过程中的液压缸驱动力为：

利用Matlab软件，得到液压缸驱动力随翻转臂水平夹角的变化曲线，如图4所示。

在翻转初期，所需液压缸驱动力最大，为49.83 kN；随后缓慢降低至0 N，此时翻转臂质点恰好在翻转臂与底座铰接轴正上方，由该铰接轴完全承受翻转臂重力；之后，液压缸驱动力由正值变为负值，表示驱动力由推力变为拉力，最大拉力为5.05 kN。

2.3 数值验证

利用SolidWorks软件的Motion模块对立式翻转猫道的虚拟样机模型进行力学分析[10]。

液压缸活塞杆添加直线马达，施加力方向始终与液压缸轴线重合，为尽可能减少翻转臂动力学的影响，马达作用时间设定为30 s。仿真得到液压缸驱动力随翻转臂水平夹角变化曲线，并与Matlab理论解析结果对比，如图5所示。

图4 液压缸驱动力随翻转臂水平夹角变化曲线

图5 液压缸驱动力对比曲线

由图5可以看出，理论数据与仿真数据的变化规律基本一致，数值差别较小。仿真数据略大于理论数据的主要原因是理论解析将翻转臂简化为一个质点，而Motion是按照翻转臂几何形状和密度进行质量属性计算的。

3 Adams动力学仿真分析

利用Adams软件对立式翻转猫道的虚拟样机模型进行动力学仿真。

立式翻转猫道按照匀加速—匀速—匀减速的三段式运动规律进行翻转。为探究合适的运动规律，设置30、20、15、10、5 s 5种翻转运动总时间，每种翻转运动的匀加速和匀减速时间均相等，对液压缸的启动与制动速度使用阶跃函数模式进行仿真[11-12]。5种翻转运动的函数表达式分别为：

Step(time,0,0,5,31.84)+Step(time,5,0,25,0)+Step(time,25,0,30,-31.84)

Step(time,0,0,4,49.75)+Step(time,4,0,16,0)+Step(time,16,0,20,-49.75)

Step(time,0,0,3,66.333)+Step(time,3,0,12,0)+Step(time,12,0,15,-66.333)

Step(time,0,0,2,99.5)+Step(time,2,0,8,0)+Step(time,8,0,10,-99.5)

Step(time,0,0,1,199)+Step(time,1,0,4,0)+Step(time,4,0,5,-199)

通过仿真，获得不同翻转时间下液压缸驱动力随翻转臂角度变化的关系曲线，如图6所示。

图6 不同翻转时间下液压缸驱动力变化曲线

由图6可见：①匀速运动阶段，液压缸作用力基本一致，与加速阶段、减速阶段区别较大；②当翻转时间为15、20、30 s时，液压缸驱动力的变化基本一致，其变化规律受翻转运动速度的影响较小；③当翻转时间为5、10 s时，液压缸驱动力在翻转臂匀加速、匀减速阶段变化较大，其变化规律受翻转运动速度的影响较大，翻转运动越快，液压缸驱动力变化幅度越大；④当翻转时间为5、10 s时，液压缸在翻转运动开始阶段和末尾阶段受力变化较大，受冲击较大，故此时不宜采用翻转运动。