自動卡瓦裝置提升機構仿真分析

何 畏,常海軍,鄭華林

(西南石油大學機電工程學院,成都610500)

自動卡瓦裝置提升機構仿真分析

何 畏,常海軍,鄭華林

(西南石油大學機電工程學院,成都610500)

介紹了一種四連桿機構自動卡瓦裝置,運用Pro/E對其四連桿提升機構進行了運動仿真分析,可對優(yōu)化設計方案提供借鑒。

自動卡瓦;四連桿機構;運動仿真

目前,國內(nèi)油氣田大部分卡瓦裝置都是通過操作人員的外力和卡瓦自重來實現(xiàn)卡瓦體的升降,自動化程度低,安全性能差,工人勞動強度大。卡瓦機械化提放一直是鉆井設備的研究課題之一[1]。本文給出的一種自動卡瓦裝置采用四連桿機構,可以很方便地實現(xiàn)卡瓦機構的上、下運動。

1 卡瓦提升機構及工作原理

圖1為一種自動卡瓦裝置[2-3],該裝置底座為U形結構,在開口端兩側裝有液壓裝置(油缸),采用四連桿機構,連桿下端與底座支撐盤連接,油缸帶動連桿機構運動,實現(xiàn)卡瓦的提升和下放?？ㄍ呦滦杏捎透桌涂ㄍ唧w自重及套管(或鉆桿)與卡瓦體摩擦力共同作用;上行由油缸推力和套管(或鉆桿)與卡瓦體摩擦力作用。油缸的動作由司鉆操作臺控制閥進行控制。

2 連桿機構運動仿真

對連桿機構進行運動仿真,可以得到各連桿位移、速度、加速度等;對機構進行動力學仿真,可以反映出各個連接處的作用力。因此,可以通過改變油缸相關運動參數(shù),對機構運動特性進行分析來確定優(yōu)化設計方案。

圖1 自動卡瓦裝置

2.1 仿真模型

利用Pro/E[4]對連桿機構進行建模,卡瓦提升機構簡化模型如圖2。

圖2 卡瓦提升機構簡化模型

采用Pro/E的Mechanism模塊,主要通過3個步驟進行機構的運動仿真。

a) 在機構模型上建立伺服馬達,使機構產(chǎn)生一定形式的運動。

b) 對1個機構進行運動分析,產(chǎn)生可視化的機構運動過程,保存運動分析結果。

c) 進行分析測量,得到分析測量圖形,并輸出分析結果。

在該模型中,平行的2根長連桿底端與底座支撐盤連接,即連接1和連接2為固定鉸鏈連接,連接3和連接4為活動鉸鏈。油缸與平行的2根長連桿連接。連桿末端即載荷點與卡瓦塊相連接(初始條件為連桿末端載荷215 kN)?？ㄍ邏K結構在這里不做討論。

2.2 仿真結果分析

在油缸上連接1臺伺服電機,建立整個連桿機構運動的可視化運動過程。通過運動仿真,得到與卡瓦體相連接的連桿末端的運動軌跡曲線(如圖2)。從運動軌跡可以看出,該自動卡瓦裝置能夠很好地在提升鉆柱時實現(xiàn)卡瓦楔體的自動松開,并在提升到一定高度時與鉆柱保持有足夠的間隙,使之不發(fā)生摩擦碰撞。

Pro/E分析模塊中的質(zhì)量特性分析功能為剛體質(zhì)量特性參數(shù)的確定提供了簡便有效的方法。對于所建立的三維實體模型,只需定義其材料屬性和材料密度,用質(zhì)量特性分析模塊就可以得到轉動慣量矩陣等剛體質(zhì)量特性參數(shù)。在確定了零件材料、密度和彈性模量等參數(shù),并對機構中每一個零件進行定義后,就可以對機構進行動力學仿真分析。

為了保證計算結果準確可靠,對用Pro/E計算得到的零件質(zhì)量和實測的零件質(zhì)量進行比較,若二者之間有較大誤差(Pro/E模型和實物存在形狀差異),可以通過修改該零件材質(zhì)文件中的密度進行調(diào)整,直到零件質(zhì)量在允許的誤差范圍內(nèi)。

通過動力學仿真,得到在初始條件下卡瓦塊上行時連桿機構各連接處的反作用力,如圖3。

圖3 卡瓦連桿機構連接處反作用力

3 結論

1) 該卡瓦裝置采用四連桿機構實現(xiàn)了卡瓦體上、下運動,操作簡單方便。

2) 該裝置安裝方便,質(zhì)量輕,安全系數(shù)高。

3) 運用Pro/E進行機構運動仿真,可使機構運動可視化,且整個仿真過程精確、高效,對優(yōu)化設計方案、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能有借鑒作用。

[1] 張寶增,王瑞和.修井作業(yè)中的自動起下管柱系統(tǒng)探討[J].石油礦場機械,2007,36(4):22-25.

[2] 宿官禮.鉆井動力卡瓦的結構設計[J].石油礦場機械,2004,33(增刊):134-137.

[3] 姜建勝,林 立,丁建林.石油鉆機多功能鉆桿氣動卡瓦的設計及應用[J].液壓與氣動,2005(3):33-35.

[4] 和青芳,徐 征.Pro/Engineer Wildfire產(chǎn)品設計與機構動力學分析[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

Simulation Analysis of Power Slip Lifting Mechanism

HE Wei,CHANG Hai-jun,ZHENG Hua-lin
(College of Mechanical and Electrical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China)

A power slip equipment was introduced,using Pro/E to analyze a kinematical simulation for the lifting mechanism.This could be the reference for optimization design.

power slip;four-link;kinematical simulation

1001-3482(2010)01-0043-02

TE921.9

B

2009-08-25

四川省科技支撐項目(09ZC0429)

何 畏(1961-),男,四川南充人,副教授,主要從事石油鉆采設備的設計與教學工作。