鉆機(jī)頂驅(qū)系統(tǒng)背鉗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真*

□于萍 □張鵬 □張春鵬 □效志輝

吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 長春 130025

目前，國內(nèi)頂部驅(qū)動鉆井裝備與國外相比，無論是在結(jié)構(gòu)上還是在可靠性方面，都存在著很大的差距。鉆機(jī)頂驅(qū)系統(tǒng)的重要組成部分背鉗，主要用來完成鉆桿的上卸扣作業(yè)，此外也可利用背鉗來更換保護(hù)接頭和內(nèi)防噴器。頂驅(qū)在進(jìn)行上卸扣作業(yè)時(shí)，其背鉗要夾緊鉆桿，此時(shí)背鉗的左鉗牙和右鉗牙很難做到同時(shí)夾緊鉆桿及左右夾緊力相同。夾緊力不均衡會造成鉗牙的磨損和鉆桿的劃傷，減少鉆桿的使用壽命。頂驅(qū)鉆機(jī)的工作地點(diǎn)環(huán)境惡劣、工作強(qiáng)度大，背鉗機(jī)構(gòu)的故障率很高，這就需要提高背鉗機(jī)構(gòu)的工作可靠性。

1 背鉗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)背鉗功能進(jìn)行背鉗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。側(cè)掛式背鉗結(jié)構(gòu)主要由前扶正環(huán)、后扶正環(huán)、導(dǎo)向環(huán)、背鉗本體、背鉗支架、背鉗托座、彈簧等組成。

如圖2所示，當(dāng)液壓油進(jìn)入無桿腔，液壓缸缸筒與浮動安裝座同時(shí)移動，液壓缸左移、浮動安裝座右移來夾緊鉆桿。當(dāng)液壓油進(jìn)入有桿腔，液壓缸缸筒向右移動，帶動右鉗頭遠(yuǎn)離鉆桿，同時(shí)浮動安裝座左移，左鉗頭遠(yuǎn)離鉆桿。當(dāng)背鉗不工作時(shí)，調(diào)整背鉗液壓缸內(nèi)部壓力，使壓力保持恒定，這時(shí)背鉗鉗頭處于浮動狀態(tài)，即不影響頂驅(qū)裝置正常工作［1］。

液壓缸活塞桿與浮動安裝座采用的是固定連接，4個連接銷釘與液壓缸剛性連接，浮動安裝座隨著活塞桿的移動而移動，液壓油通過夾緊活塞內(nèi)部的通道進(jìn)入液壓缸。液壓缸的缸筒與浮動安裝座可以產(chǎn)生相對位移，浮動安裝座可以在背鉗外殼內(nèi)部產(chǎn)生位移。

2 背鉗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)仿真

2.1 背鉗機(jī)構(gòu)的仿真模型

根據(jù)系統(tǒng)模型的實(shí)際運(yùn)動情況，在構(gòu)件間建立相應(yīng)的約束運(yùn)動副，這些運(yùn)動副可以使被約束構(gòu)件間具有一定的運(yùn)動關(guān)系。從而使模型中各獨(dú)立的部件相互聯(lián)系在一起，按照設(shè)計(jì)的運(yùn)動軌跡實(shí)現(xiàn)運(yùn)動。使用ADAMS/view中的函數(shù)編輯器定義相應(yīng)的背鉗運(yùn)動，背鉗機(jī)構(gòu)的仿真模型如圖3所示。

2.2 背鉗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)計(jì)算

研究機(jī)械系統(tǒng)的速度、加速度、位置以及約束力是運(yùn)動學(xué)仿真的主要目標(biāo)，因此運(yùn)動學(xué)方程［2］的求解只需要求解約束方程：

式中：Φ為雅克比矩陣；q為廣義坐標(biāo)；tn為任意時(shí)刻。

在約束方程中，tn位置的計(jì)算，能夠運(yùn)用約束方程的迭代法獲得：

▲圖1 側(cè)掛式背鉗的結(jié)構(gòu)示意圖

▲圖2 背鉗整體結(jié)構(gòu)剖視圖

▲圖3 背鉗機(jī)構(gòu)虛擬仿真模型

任意時(shí)刻tn的速度和加速度都可以運(yùn)用數(shù)值方法中的線性方程求解，ADAMS軟件中有兩種求解方法：Harwell法和Calahan法，前者可以處理冗余約束問題,而后者不能，但后者比較快捷。運(yùn)用Calahan法計(jì)算任意時(shí)刻tn的速度和加速度的公式如下：

式中：Φq是雅可比矩陣，設(shè)Φ的維數(shù)是m，q的維數(shù)是n，可得Φq就是m×n的矩陣。

2.3 背鉗機(jī)構(gòu)的仿真曲線

運(yùn)動學(xué)仿真分析就是根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的實(shí)際工作情況，對背鉗裝置上卸扣過程中所關(guān)心部件的位置、加速度和速度進(jìn)行仿真分析，獲得機(jī)構(gòu)運(yùn)動曲線，并檢驗(yàn)其正確性。在整個背鉗裝置運(yùn)動過程中，可以分為五個運(yùn)動部分：右背鉗、左背鉗、鉆桿、液壓缸、浮動安裝座，每一個運(yùn)動部件都發(fā)生了兩次運(yùn)動過程［3］。

本文只對背鉗裝置右鉗頭的位置、速度和加速度的變化曲線進(jìn)行分析。

2.4 右背鉗夾緊過程

圖4和5圖所示為右鉗頭Z軸位置變化曲線和右鉗頭總體位置變化曲線圖，從圖中可以清晰地看出，Z軸方向的位置變化比較明顯，X軸方向位置沒有任何變化，在Y軸方向，位置曲線只有很微小的變化，這是由于某些慣性載荷或者振動造成的。Z軸方向在0～5 s的過程中運(yùn)動了大約20 mm距離。背鉗裝置夾緊過程的前階段和后階段位移變化比較小，在整個夾緊過程中位移變化比較平穩(wěn)。

圖6所示為右鉗頭速度變化曲線，在背鉗夾緊的過程中，鉗頭的速度先平穩(wěn)增加，然后又平穩(wěn)下滑，當(dāng)時(shí)間到2.5 s時(shí),背鉗的運(yùn)動速度達(dá)到最大，且背鉗裝置鉗頭的最大運(yùn)動速度為6 mm/s。右鉗頭速度變化曲線變化穩(wěn)定，滿足背鉗設(shè)計(jì)要求。

▲圖7 右鉗頭加速度變化曲線

▲圖8 右鉗頭松開過程的位置變化曲線

▲圖9 右鉗頭松開過程時(shí)速度和加速度變化曲線

圖7所示為右鉗頭加速度變化曲線，背鉗鉗頭剛夾緊時(shí)加速度為零，然后在很少的時(shí)間內(nèi)急速上升，當(dāng)加速度達(dá)到最大（約4.5 mm/s2）以后加速度開始平穩(wěn)變化，到2.5 s時(shí)加速度為0，之后又增加，鉗頭的加速度在2.5 s前后呈現(xiàn)對稱性。如圖所示的背鉗鉗頭在剛開始運(yùn)動時(shí)，液壓缸活塞桿的慣性載荷比較大，因此對液壓缸的內(nèi)部沖擊也比較大。

2.5 右背鉗松開過程

圖8所示為右鉗頭松開過程的位置變化曲線，在0～5 s過程中，背鉗右鉗頭在松開鉆桿時(shí)的位置曲線與夾緊鉆桿時(shí)的位置曲線變化方向相反，其它都基本相同。背鉗裝置在整個運(yùn)動過程中，位移變化比較平穩(wěn)。

圖9所示為右鉗頭速度和加速度變化曲線，在0～5 s過程中，右鉗頭速度和加速度變化曲線與夾緊鉆桿時(shí)的曲線變化方向相反，其它都基本相同。2.5 s之前加速度為正值，2.5 s之后加速度為負(fù)值，速度先升高后降低，變化平穩(wěn)。加速度在很短的時(shí)間內(nèi)快速增加、快速減少可能會給背鉗液壓缸造成一定程度的沖擊。

3 結(jié)論

本文建立了背鉗機(jī)構(gòu)的仿真模型，使用ADAMS中的COSMOS/motion對背鉗系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真，得到了背鉗鉗頭的速度、加速度變化曲線。設(shè)計(jì)的背鉗結(jié)構(gòu)更加合理可靠，降低了制造成本，操作維修方便。

［1］劉廣華.頂部驅(qū)動鉆井裝置操作指南［M］.北京：石油工業(yè)出版社,2010.

［2］劉常福,宋開利,張振海.自動化液壓動力大鉗［J］.石油機(jī)械,2002,30(9)：61-62.

［3］李昂.頂部驅(qū)動鉆井裝置背鉗［P］.中國專利：2007101766 55.4,2009-05-06.

［4］沈澤俊,白光利，鄒連陽，等.DQ70BS交流變頻頂部驅(qū)動鉆井裝置［J］.石油機(jī)械,2005,33(2)：39-41.

［5］陳立平，張?jiān)魄澹涡l(wèi)群，等.機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001.