修井機臺面扶管機械手虛擬樣機設計

焦偉剛，祝克強，胡 穎，胡送橋

(三一集團有限公司 湖南分公司，長沙 410100)①

修井機臺面扶管機械手虛擬樣機設計

焦偉剛，祝克強，胡 穎，胡送橋

(三一集團有限公司 湖南分公司，長沙 410100)①

為減少修井機臺面作業工人的工作強度，設計了一套臺面扶管機械手，可替代人工完成危險的扶管起下油管作業。借助仿真分析軟件ADAMS和ANSYS聯合仿真，分析了機械手從貓道接送管柱至井口的各項運動參數，為動力設計選型提供了理論依據；借助剛柔耦合方法，分析了扶管機械手在不同油缸移動加速度下的末端抓手抖動問題。為扶管機械手動力選型、設計改進提供了數據支撐，縮短了產品設計周期。

修井機；扶管機械手；ADAMS；ANSYS；剛柔耦合；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的產品[1-3]。修井作業相比鉆井作業工期較短，修井設備大多采用車載形式[4-6]。

我國大多數的修井作業中，除了使用液壓大鉗對管柱進行上卸扣，實現了半自動化之外，其他的井口操作均是人工操作。井口操作主要包括人工對中油管或抽油桿等管柱，推拉扶液壓大鉗對管柱進行上卸扣；吊環和吊卡的摘、搬、掛，吊卡銷子的拔和插；油管或抽油桿的自動拉、送和排放[7-10]3種工作方式。

針對修井作業要求，設計了一套小修作業一體化設備，包括動力貓道、扶管機械手、移動液壓鉗、動力卡瓦、動力吊卡及接污筒等，成套設備集中控制，可實現臺面無人化。本文分析了扶管機械手的各項運動特性，為設計改進提供數據支撐。

1 結構組成

扶管機械手通過機械手支座固定在工作平臺上，由前后4個臂架組成，4個臂架通過連接座組成2套平行四邊形結構，可實現機械手抓手前部始終處于水平運動狀態。

扶管機械手的前后移動由1個油缸推動實現；抓手開合由另1個小油缸實現；抓手上有接管導向板和滾輪，方便油管上下移動。如圖1所示。

1—油缸；2—基座；3—油管；4—機械手臂架。

2 虛擬樣機設計計算

圖2 移動油缸隨時間伸出長度曲線

提取油管的靠力曲線如圖3所示。油管在0～0.3 s自由擺動；0.3～0.5 s油管與抓手靠上并產生沖擊載荷，沖擊載荷峰值為933 N；0.5～2.0 s油管穩定，等待機械手運動，靠力穩定載荷為105 N；2.0～12.0 s油管隨機械手運動至井口中心，扶管力逐漸減小。

臂架油缸推力隨時間變化曲線如圖4所示，根據整個運動過程中臂架油缸的推力變化，可以選擇合適的油缸及油壓，對液壓系統設計提供參考。由圖4可知，在0～0.3 s，臂架處于展開狀態，且油管未接觸，油缸拉力穩定在2 651 N；在0.3～0.5 s，油管靠上機械手抓手，油缸拉力減小到2 095 N，此處拉力減小是因為臂架處于展開狀態，由于自重力會有繼續前傾的趨勢，而油管靠力與前傾力方向相反，正好抵消一部分作用力；在0.5～2.0 s，機械手處于穩定等待階段，油缸拉力穩定在2 109 N；在2.0～ 12.0 s，油缸推力因臂架重心逐漸后移而逐漸減小，在12.0 s時，油缸拉力為964 N。

圖3 油管靠力隨時間變化曲線

圖4 臂架油缸推力隨時間變化曲線

提取運動過程中，后主臂與臂架展開抓手的水平位移間的運動關系，如圖5所示。由圖5可知，油缸移動和抓手前后移動近似成線性關系，機械手展開最大位置是距離后主臂鉸點2 330 mm；后主臂轉動27.8°后，機械手展開位置是距離后主臂鉸點1 130 mm。線性比例關系為(2 330-1 130)/27.8=43.1 mm/(°)。可運用此比例關系在機械手臂架上安裝傾角傳感器來控制臂架的運動軌跡。

圖5 后主臂與抓手前后移動關系曲線

3 剛柔耦合分析

采用三維建模軟件Pro/e對扶管機械手的零部件進行簡化，建立機械手的三維模型；對臂架的4個臂及基座進行柔性化處理。將臂分別導入ANSYS中劃分網格，定義材料彈性模量為2.1×105MPa，泊松比0.3，密度為7 850 kg/m3。臂架的各鉸點位置建立關鍵點，采用MASS21質量單元劃分網格，關鍵點和孔面的節點用剛性區域連接，用ANSYS的ADAMS接口導出柔性體的模態中性文件(MNF文件)，導出MNF文件要注意單位換算，可在ADAMS中導入模型后核對。剛柔耦合模型如圖6所示。

圖6 剛柔耦合模型

在柔性體分析中，定義各鉸點鉸接關系，油缸采用STEP函數驅動，函數定義為：STEP(time，1，0，1.5，-47.5)+STEP(time，5.5，0，6，47.5)，提取機械手末端抓手的豎直方向和水平方向位移曲線。如圖7～10所示。

根據圖7～10可知，末端抓手存在振動現象，同實際情況相符；振動幅度在豎直方向上相對剛體曲線主要是向下的振動，最大偏差3 mm左右，主要是油管靠力對機械手造成壓力變形。水平方向上，在0～1.0 s油缸等待階段，靠力最大，產生的水平振動也越大；隨著油管隨臂架往井口中心移動，油管靠力逐漸減小，對抓手水平方向的影響也逐漸減小；在6.0 s后，油管到井口中心，抓手在0點附件上下振動。振動幅度在2 mm左右。

圖7 末端抓手水平方向位移對比

圖8 末端抓手水平方向偏差

圖9 末端抓手豎直方向位移對比

圖10 末端抓手豎直方向偏差

保持油缸總行程及運動時間不變，定義不同的油缸運動加速時間和勻速度，加速時間為0.5 s，勻速度47.5 mm/s。修正油缸加速時間及勻速度分別為0.1 s和45 mm/s。函數定義為：

STEP(time，1，0，1.1，-45)+STEP(time，5.9，0，6，45)，對比不同加速度下末端抓手的水平和豎直位移偏差，如圖11～12所示。

圖11 末端抓手水平方向偏差對比

圖12 末端抓手豎直方向偏差對比

根據圖11～12可知，不同油缸加速度下，對機械手末端抓手的水平及豎直方向位移偏差影響較大。在0～1.0 s等待期，振幅相同；在1.0～6.0 s運動階段，加速度大，造成的振幅也較大；在6.0～10.0 s停止階段，加速度大，造成的振幅更大，水平振動達到15 mm，豎直振動達到4 mm。設計要求機械手能夠準確停在井口中心位置，方便上下油管對扣，這就要求控制油缸的啟動及停止加速度，避免末端抓手有較大振動。

4 結語

利用ADAMS剛體運動分析，得到扶管機械手的各項理論運動特性，為油缸動力設計選型及后續結構強度計算提供了理論依據。利用ANSYS和ADAMS聯合仿真，分析得到柔性體結構更加符合實際工況，機械手末端抓手存在振動，且振動幅度隨油缸運動特性變化。在不影響運動效率的前提下，油缸運行越平穩，末端抓手的振動幅度越小，越容易控制。需對臂架結構剛度進一步加強，同時優化液壓系統，避免急啟急停，造成振動激勵。

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Racking Platform Pipe-handling Robot Virtual Prototype Design

JIAO Weigang，ZHU Keqiang，HU Ying，HU Songqiao

(HunanBranch，SanyGroupCo.，Ltd.，Changsha410100，China)

In order to reduce platform worker frequent tripping operation，the Racking Platform Pipe-handling Robot is used to replace worker to handle the dangerous work in platform.In this paper，joint simulation analysis software ADAMS and ANSYS simulation are used to analyze all movement parameters of the Pipe-handling Robot from the cat to the well，for the subsequent dynamic selection it provides a theoretical basis for design，the analysis method of rigid-flexible coupling was the simulation for the end gripper jitter under different oil cylinder acceleration power，for the power selection，design improvements provides date support，shorten the design cycle.Keywords：workover rig；pipe-handling robot；ANSYS；ADAMS；rigid-flexible coupling；virtual prototype

2016-09-18 作者簡介：焦偉剛(1982-)，男，河南內黃人，主要從事石油機械設備產品設計及研發工作，E-mail：fyxyd@163.com。

1001-3482(2017)02-0035-04

TE935

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.008