基于AMESim的排管機末端夾緊裝置液壓系統仿真分析*

□ 沙永柏 □ 劉曉利 □ 占自濤

吉林大學 機械科學與工程學院 長春 130025

目前，我國可采油氣資源80%儲藏在2 000 m深以內的淺層和2 000～3 500 m深的中深層，且大多數油氣田已進入鉆采開發的中后期，因此急需大量深井鉆機設備，排管機正是完成這種特殊勘鉆作業而設計的［1］。排管機能夠完成下鉆過程中鉆桿的夾緊、提放、搬運等操作，代替了人工實現鉆桿在進口與排放架間往復自動傳送和排放，從而有效地提高鉆井作業的安全性，縮短作業周期，節約作業成本［2］。排管機在正常工作時，其末端夾緊裝置起著非常重要的作用，它必須牢牢地抓緊鉆桿，達到一定的壓緊力，從而保證作業的安全性。本文針對排管機末端夾緊裝置的夾緊鉆桿工作過程，利用AMESim平臺建立該裝置的液壓系統及機械裝置原理圖，根據實際工作狀況，研究末端夾緊裝置在工作工程中的動態特性，進而為實際鉆桿抓緊作業的參數設定提供依據。

排管機的功用是實現鉆桿 (立根)在鉆臺排放架與井口中心間的自動傳送，所以又名鉆桿自動傳送系統，主要由導軌座、排管座軌、排管滑車、回轉機構、排管長銷、排管器桅桿總成、夾持滑車、排管器動臂、三角架機構及末端夾持器等組成，其結構如圖1所示。

末端夾持裝置

1 工作原理

▲圖1 鉆桿自動傳送系統結構

是鉆桿自動傳送裝置的重要組成部分，是直接執行動作任務的裝置，夾持裝置固定在夾持滑車上，主要有夾持手指、傳動連桿及驅動油缸等組成。其結構如圖2所示。

驅動油缸被固定在夾持器地板上，驅動油缸活塞桿與傳動連桿的一端通過銷軸鉸接，傳動連桿的另一端與夾持手爪相鉸接，夾持手爪可以繞著自身的固定限位桿實現擺動，驅動油缸活塞桿的伸縮運動可以實現傳動連桿的開合，從而實現夾持手爪夾緊和放松鉆桿。

2 液壓系統的設計

根據排管機末端夾持器驅動油缸的動作及壓力調節原理，其液壓回路如圖3所示。

本回路采用三位四通換向閥控制液壓缸的運動。當換向閥處于右位時，液壓缸的無桿腔進油，活塞桿伸出，當換向閥處于中位時，液壓缸保持不動；當換向閥換至左位時，液壓缸有桿腔進油，活塞缸縮回。在液壓缸油路上安裝具有自鎖功能的液壓鎖，可以實現保壓作用，防止在抓取立桿的過程中突然斷電而引起事故。

根據本設計要求，驅動液壓缸選擇雙作用單活塞桿液壓缸，如圖4所示。

▲圖2 排管機末端夾緊裝置原理簡圖

▲圖3末端夾持器的液壓回路圖

▲圖4 雙作用單活塞桿驅動油缸分析簡圖

圖中：Q1為無桿腔流量；A1為無桿腔有效面積；P為無桿腔壓力 ；Q2為有桿腔流量；A2為有桿腔有效面積；P2為有桿腔壓力；y為負載位移；N為液壓缸受的總作用力；M為等效質量。

根據液流連續性原理可得：

式中：V0為活塞在中間位置時(兩腔容積相等時)每腔的油液體積；βE為液體有效體積彈性模量。

設液壓缸兩腔有效面積比 ：

對上式求導得：

根據式（1）、式（2）和式（4）可得：

對式（5）進行拉氏變換得：

液壓缸的活塞平衡方程為：

式中：Bc為活塞和負載的黏性阻尼系數；F為外界干擾力。

對式（7）進行拉氏變換：

將式（6）和式（8）代入式（9）中，整理可得液壓缸系統的傳遞函數：

3 仿真分析

AMESim是一種工程系統高級建模和仿真平臺軟件，該軟件基于功率鍵合圖的原理，能夠對機械、液壓、氣動、電磁等多學科領域的元件和系統進行建模和仿真，準確反應系統和元件相應的動態特性［3］。本文利用AMESim軟件為用戶提供元件應用庫，即機械庫、信號控制庫及液壓元件設計庫，對排管機末端夾緊裝置液壓系統及機械部分進行建模仿真，通過參數的設定，研究系統及元件的動態特性。

3.1 建立仿真模型

為模擬夾緊裝置的正常工作狀態，在AMESim軟件的草圖模式下，根據夾緊裝置的機械原理圖2及液壓原理圖3，建立如圖 5所示的排管機末端夾緊裝置的系統模型［4］。

在AMESim軟件仿真時，系統所有的模型均被參數化，各元件主要參數如下：活塞直徑為50 mm，活塞桿直徑為30 mm，行程為60 mm，傳動連桿長度為47.5 mm，夾持手爪尺寸為0.11 mm（中間節點比例4∶7）。參數設定完后，進行仿真，仿真時間設為5 s，精度設為0.001 s。

▲圖5排管機末端夾緊裝置的系統模型

3.2 仿真結果分析

仿真結束后，點擊界面的幾何構造按鈕，彈出所建模型的模型，如圖6所示，與三維模型中的模型一致。系統給定信號如圖7所示，可得到仿真結果，如圖8、9所示。圖8為夾持手爪與鉆桿的間隙距離曲線，圖9為在該信號下的夾持油缸活塞桿的運動速度(1)和末端夾持手爪的運動速度(2)。

▲圖6 AMESim中的機構模型圖

▲圖7換向閥的輸入信號

▲圖8 夾持手爪與鉆桿的距離曲線

▲圖9 油缸和夾持手爪的速度曲線

由圖可知，在該信號下，系統在1.73 s時，夾持手爪抓到鉆桿。在此過程，夾緊油缸的最大速度達到34 mm/s,夾持手爪的最大速度達到了20 mm/s,并且在接近鉆桿的時刻，夾持手爪的速度有所減緩。夾持手爪碰到鉆桿后，夾緊手抓的速度為零，并且迅速建立夾緊力F=13.6 kN(系統的壓力為25 MPa)，保持到3 s時，一直保持夾緊油缸無桿腔進油。此時，系統保持不變的夾緊力，在3～4 s時，換向閥移到中位，系統處于浮動狀態，靠液壓鎖保持系統的壓力。在這段時間，夾持力緩降到5 kN。在4～5 s，夾緊油缸有桿腔進油，夾持手爪松開鉆桿。在此過程，夾緊油缸的最大速度達到44 mm/s,夾持手爪的最大速度達到34 mm/s，夾持手爪迅速地松開鉆桿，但是在退到原點時，由于慣性作用，有輕微的振動。夾持手爪在接近鉆桿的過程中，在前半段運動速度很快，在要接近鉆桿的時候，速度有所減緩，而在夾持手爪松開鉆桿的過程中，手爪的速度比夾緊鉆桿的速度要快，所用時間也較短，符合設計要求。

4 結論

1）在AMESim模式下，根據排管機末端夾持器的工作原理，利用元件庫建立夾持系統的液壓和機械圖。

2）應用AMESim軟件對夾緊裝置進行了仿真和分析，給定信號后，得到夾持系統的動態特性，為今后參數設定提供一定的依據。

［1］ 任福深，王威，劉燁，等.基于AMESim的齒輪齒條鉆機動力頭起升裝置液壓系統仿真分析 ［J］.石油礦場機械，2012，41（5）：14-17.

［2］ 朱吉良.鉆桿自動傳送系統結構設計與仿真分析 ［D］.長春：吉林大學，2012.

［3］ 劉威，孟祥金，沈從舉，等.液壓支腿機械液壓聯合仿真分析［J］.農機化研究，2012（8）：12-17.

［4］ 張濤，曹俊，高宏力，等.基于AMESim的QY-8型汽車起重機液壓系統仿真 ［J］.工程技術與產業經濟，2012（4）(下)：28-30.

［5］ 崔學政，劉文慶，肖文生，等.海洋鉆井平臺立柱式排管機設計［J］.石油礦場機械，2010，39（1）：45-49.