修井機二層臺排管機械手虛擬樣機設計

朱海東，祝克強，譚海波

(1.大慶油田 井下作業分公司，黑龍江 大慶 163153；2.湖南三一石油科技有限公司，長沙 410100)

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修井機二層臺排管機械手虛擬樣機設計

朱海東1，祝克強2，譚海波2

(1.大慶油田 井下作業分公司，黑龍江 大慶 163153；2.湖南三一石油科技有限公司，長沙 410100)

摘要：為減少修井機二層臺井架工的工作強度，設計了一套二層臺排管機械手，用于替代人工完成危險的高空起下鉆作業。借助仿真分析軟件ANSYS Workbench，分析了機械手在取管、送管過程中危險時間點時主要結構件的受力狀況，以便及早發現和解決問題，為后續設計中的動力選型、結構改進提供數據支撐，并縮短了設計周期。

關鍵詞：修井機；排管機械手；ANSYS Workbench；虛擬樣機

為了節約人工成本，降低工人工作危險性，油田及鉆井承包商要求能夠實現自動化鉆修井作業。目前，鉆井自動化管柱處理設備的研發較多，國內外主要鉆機制造商大多推出了自動化管柱處理系統產品[1-2]。修井作業相比鉆井作業工期較短，修井設備大多是車載形式[3-4]。針對修井作業要求，設計了一套可用于修井機的二層臺排管機械手，通過ANSYSWorkbench剛柔耦合分析了機械手取管、送管過程，得到了機械手運動過程中各運動參數及結構強度，為排管機械手的設計選型提供依據[5-6]。

1機械手運動軌跡

機械手取管和送管過程是一個相反的運動軌跡，如圖1所示。本文僅分析機械手取最后一根立根送到動力吊卡的過程，圖1中機械手處于即將取出立根的時間點。

1—鉆桿；2—機械手；3—二層臺猴道；4—二層臺。

機械手的工作流程為：①二層臺安全確認；②自動從二層臺取鉆桿并移動，移動到猴道前端旋轉；③送鉆桿給動力吊卡。

2邊界條件

3虛擬樣機分析

機械手運動過程的速度曲線如圖2所示。分4個載荷步進行模擬：第1步(0～6s)，機械手從指梁最遠處抓取鉆桿，收回至猴道附近，速度由114mm/s升至150mm/s；第2步(6～14s)，小車帶動機械手在滑道上移動至井口處，以194mm/s勻速運行；第3步(14～19s)，機械手攜帶鉆桿回轉至井口前，以128mm/s勻速運行；第4步(19～24s)，機械手伸出，送鉆桿入吊卡，速度由89mm/s降至77mm/s。

圖2　運動速度曲線

機械手抓手與管柱之間的合力曲線如圖3所示。機械手在整個運動過程中，管柱作用到抓手上的力為30.526～412.32N，最大力出現在機械手送鉆桿入吊卡的過程中。

圖3　抓手與管柱間合力曲線

臂架機構伸縮油缸的推力曲線如圖4所示。伸縮油缸的力為1 662～4 179.6N，在第3步(機械手攜帶鉆桿回轉至井口前)，油缸由推力變為拉力。

圖4　臂架機構伸縮油缸的推力曲線

小車在滑道上移動所需的推力曲線如圖5所示。小車在滑道上移動為第2步(6～14s)，小車所需推力380N。但實際小車推力還需要考慮小車在滑道上的摩擦力，設摩擦因數0.2，機械手整體作用到滑道上的重力為 1 952N，則小車的推力需加上390N的摩擦力，小車需要的總推力為770N。

圖5　小車推力曲線

回轉機構在轉動過程中的轉矩曲線如圖6所示。回轉機構在第3步(14～19s)時轉動機械手90°，其余時間回轉機構不轉動。在14～19s時，最大轉動轉矩出現在15.72s，此時旋轉角度為30.96°，轉矩值為152.4N·m。因機械手需伸出送鉆桿入吊卡，力臂增加，最大轉矩出現在第4步，轉矩值為158N·m。

圖6　回轉機構轉矩曲線

4剛柔耦合分析

在ANSYSWorkbench中可以方便地提取RigidDynamics中計算得到的各鉸接點在任意時刻的速度、加速度、力、力矩值，導入到結構分析模塊StaticStructural中計算主要結構件的在某一時刻的受力狀況。本文僅以后主臂為例進行分析。

后主臂在15.72s時各鉸接點的速度、加速度、力、力矩的受力狀態及4個鉸接點的受力方向如圖7所示。取主臂的旋轉速度為0.31rad/s，各鉸接點力和轉矩值的大小如表1所示。

圖7　后主臂各鉸接點受力狀態模擬

表1　后主臂鉸接點受力值

由圖4、表1可知，后主臂在15.72s時最大應力在鉸接點4處。后主臂的鉸接點4處的運行狀態曲線如圖8～10所示。

通過表1及圖8～10分析可知，最大應力值位于鉸接點4附近，應力值為81.8MPa。后主臂的材料采用Q345B，材料屈服強度為345MPa，許用安全系數1.67。后主臂的結構安全系數為345/81.8=4.2>1.67。故在整個運行過程中后主臂的結構強度滿足要求。

圖8　后主臂鉸接點4處應力曲線

圖9　后主臂位移曲線

圖10　后主臂的應力云圖

5結論

1)借助虛擬樣機設計，模擬機械手運行過程，得到各時間點機械手的不同鉸接點受力及運行狀態，為機械手的動力選型提供依據。

2)在ANSYSWorkbench平臺進行剛柔耦合分析，得到機械手整個運行過程中結構強度及位移，為機械手結構改進及關鍵部件設計提供依據。

參考文獻：

[1]何鴻.鉆井平臺鉆桿自動化排放系統方案設計[J].石油礦場機械，2012，41(9)：82-84.

[2]常玉連，姜開勛，樊巖松，等.鉆修井作業中管柱處理系統的技術發展[J].石油機械，2012(40)：87-90.

[3]張洪生，楊帆，姚璐璐，等.陸地鉆機桅桿式鉆桿自動排放系統研究[J].機械制造，2012(2)：43-44.

[4]童征，鄭立臣，牛海峰，等.陸地鉆機用二層臺管具排放系統設計[J].石油機械，2011，39(8)：27-29.

[5]王江勇，王基生，張俊俊，等.單自由度柔性機械臂剛柔耦合動力學仿真研究[J].機械設計與制造，2012(12)：54-56.

[6]肖易萍，常玉連，李晉，等.扶正機械手推送油管的機液聯合仿真分析[J].石油礦場機械，2011，40(1)：51-54.

VirtualPrototypeDesignofPipe-handlingRobotonRackingPlatform

ZHUHaidong1，ZHUKeqiang2，TANHaibo2

(1.Down-hole Operation Branch，Daqing Oilfield Company，Daqing 163153，China；2.Sany Petroleum Science and Technology Ltd.，Changsha 410100，China)

Abstract：In order to reduce platform derrickmen frequent tripping operation，Racking Platform Pipe-handling Robot replaces derrickmen to handle the dangerous work in high altitude.In this paper，by means of ANSYS workbench analysis of manipulator in the whole process of taking out or in tube，the dangerous point in time is extracted when the stress of the main structure，in order to find and solve problems in early period，the subsequent dynamic selection was designed，which provide reliable data to support structure improvement，and the design cycle was shorten.

Keywords：workover rig；pipe-handling robot；ANSYS Workbench；virtual prototype

文章編號：1001-3482(2016)06-0051-03

收稿日期：2015-12-17

作者簡介：朱海東(1980-)，男，工程師，主要從事石油機械設備的研究及管理工作，E-mail：jx_zhuhd@petrochina.com.cn。

中圖分類號：TE935

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.011