修井作業立式翻轉貓道受力特性研究

周揚理，岳吉祥，綦耀光，滿善平，何坤元

(1.中國石油大學勝利學院 機械與控制工程學院，山東 東營 257061;2.勝利油田康貝石油工程裝備有限責任公司，山東 東營 257091)

油田修井作業存在作業環境惡劣、安全性差、工作效率低、勞動強度大等問題，研究自動化程度高的修井作業機械化設備具有重要意義[1-2]。貓道是處理管(桿)的重要設備之一，貓道按結構形式分為固定式貓道、舉升式貓道和機械手臂[3]。現有貓道多數采用舉升式貓道。舉升式貓道將管(桿)送至工作臺面，操作人員仍需要負責吊卡、液壓鉗推送、扶管對中等工作[4]。

為了提高修井作業的自動化程度，分析現有修井井口自動化技術現狀[5-7]，提出了“立式接替作業、吊卡不流轉”的新型作業工藝[8-9]。該工藝是立式翻轉貓道將管(桿)由水平狀態翻轉呈豎直狀態，并直接對正井口上方，吊卡卡住管(桿)，進行上卸扣等作業。該工藝優化了修井作業流程，去掉了摘掛吊環、搬抬吊卡、拽拉管(桿)等人工作業環節，提高了作業效率，減輕了工人勞動強度。立式翻轉貓道是該工藝的核心部件，決定整個新型工藝的工作性能。分析立式翻轉貓道受力特性，獲得翻轉運動的力學規律，為貓道各主要部件型號選取提供依據。

本文介紹了立式翻轉貓道的結構組成，建立了受力模型，進行了靜力學分析計算，并通過SolidWorks Motion軟件進行驗證；利用Adams軟件對翻轉過程進行了動力學仿真。

1 結構組成

立式翻轉貓道整體結構如圖1所示。貓道底座通過井口調整裝置與井口四通定位并連接。井口調整裝置可調整貓道與井口四通在豎直方向、水平方向的相對位置關系。底座上分別安裝有翻轉臂、液壓缸，液壓缸驅動翻轉臂，實現翻轉。

主要技術參數：可處理直徑38.1～88.9 mm的油管、直徑19～29 mm的抽油桿。

1—底座；2—井口四通；3—井口調整裝置；4—翻轉臂；5—液壓缸；6—油管。

2 靜力學分析

2.1 受力模型

根據立式翻轉貓道的結構、液壓缸的驅動力，將翻轉過程的受力狀況分為3個階段，如圖2所示。其簡化模型如圖3所示。第1階段，液壓缸驅動推力朝向左側；第2階段，液壓缸驅動推力朝向右側；第3階段，液壓缸驅動力變推力為拉力。立式翻轉貓道的運動過程較為簡單，但結構較復雜，為簡化計算，作如下假設：

1) 受力分析的各個過程，立式翻轉貓道處于受力平衡狀態。

2) 各運動副摩擦力忽略不計。

圖2 立式翻轉貓道受力模型

3) 各構件重心位置由SolidWorks軟件通過幾何形狀和密度計算而得。圖3中，A為翻轉臂與底座的鉸接點，B為液壓缸與底座的鉸接點，C為液壓缸活塞桿與翻轉臂的鉸接點。翻轉臂的重力G簡化為質點D的集中力。液壓缸及其活塞桿簡化為線段BC，液壓缸驅動力為F，方向始終沿液壓缸軸線。翻轉臂水平夾角為α，油缸豎直夾角為θ，液壓缸與翻轉臂垂直面的夾角為φ。翻轉臂參數如表1所示。

圖3 簡化模型

表1 翻轉臂參數

2.2 受力分析

1) 第1階段。以翻轉臂為整體，建立力矩平衡方程。

FLF-GLG=0

式中：LF為液壓缸驅動力F的力臂，LG為重力G的力臂。

根據圖3a幾何關系，可得：

LG=(LAE-LDEtanα)cosα

LF=(LAH-LCHtanφ)cosφ

φ=α+θ

2) 第2階段。根據圖3b幾何關系，可得：

LG=(LAE-LDEtanα)cosα

LF=(LAH-LCHtanφ)cosφ

φ=α-θ

3) 第3階段。第3階段初始，翻轉臂簡化質點D在OA線段延長線上，即在翻轉臂轉軸正上方，此后，液壓缸驅動力由推力變為拉力。

LG=(LDEtanα-LAE)cosα

LF=(LAH-LCHtanφ)cosφ

φ=α-θ

4) 計算求解。利用Matlab軟件對3個階段的關系式進行處理后，對其受力情況進行整合。出現上述情況的主要原因是受力分析時，將各受力視為標量，角度變化均限定在90°范圍內。現將各受力設為矢量，角度變化擴大到360°范圍內，得到立式翻轉貓道在整個翻轉過程中的液壓缸驅動力為：

利用Matlab軟件，得到液壓缸驅動力隨翻轉臂水平夾角的變化曲線，如圖4所示。

在翻轉初期，所需液壓缸驅動力最大，為49.83 kN；隨后緩慢降低至0 N，此時翻轉臂質點恰好在翻轉臂與底座鉸接軸正上方，由該鉸接軸完全承受翻轉臂重力；之后，液壓缸驅動力由正值變為負值，表示驅動力由推力變為拉力，最大拉力為5.05 kN。

2.3 數值驗證

利用SolidWorks軟件的Motion模塊對立式翻轉貓道的虛擬樣機模型進行力學分析[10]。

液壓缸活塞桿添加直線馬達，施加力方向始終與液壓缸軸線重合，為盡可能減少翻轉臂動力學的影響，馬達作用時間設定為30 s。仿真得到液壓缸驅動力隨翻轉臂水平夾角變化曲線，并與Matlab理論解析結果對比，如圖5所示。

圖4 液壓缸驅動力隨翻轉臂水平夾角變化曲線

圖5 液壓缸驅動力對比曲線

由圖5可以看出，理論數據與仿真數據的變化規律基本一致，數值差別較小。仿真數據略大于理論數據的主要原因是理論解析將翻轉臂簡化為一個質點，而Motion是按照翻轉臂幾何形狀和密度進行質量屬性計算的。

3 Adams動力學仿真分析

利用Adams軟件對立式翻轉貓道的虛擬樣機模型進行動力學仿真。

立式翻轉貓道按照勻加速—勻速—勻減速的三段式運動規律進行翻轉。為探究合適的運動規律，設置30、20、15、10、5 s 5種翻轉運動總時間，每種翻轉運動的勻加速和勻減速時間均相等，對液壓缸的啟動與制動速度使用階躍函數模式進行仿真[11-12]。5種翻轉運動的函數表達式分別為：

Step(time,0,0,5,31.84)+Step(time,5,0,25,0)+Step(time,25,0,30,-31.84)

Step(time,0,0,4,49.75)+Step(time,4,0,16,0)+Step(time,16,0,20,-49.75)

Step(time,0,0,3,66.333)+Step(time,3,0,12,0)+Step(time,12,0,15,-66.333)

Step(time,0,0,2,99.5)+Step(time,2,0,8,0)+Step(time,8,0,10,-99.5)

Step(time,0,0,1,199)+Step(time,1,0,4,0)+Step(time,4,0,5,-199)

通過仿真，獲得不同翻轉時間下液壓缸驅動力隨翻轉臂角度變化的關系曲線，如圖6所示。

圖6 不同翻轉時間下液壓缸驅動力變化曲線

由圖6可見：①勻速運動階段，液壓缸作用力基本一致，與加速階段、減速階段區別較大；②當翻轉時間為15、20、30 s時，液壓缸驅動力的變化基本一致，其變化規律受翻轉運動速度的影響較小；③當翻轉時間為5、10 s時，液壓缸驅動力在翻轉臂勻加速、勻減速階段變化較大，其變化規律受翻轉運動速度的影響較大，翻轉運動越快，液壓缸驅動力變化幅度越大；④當翻轉時間為5、10 s時，液壓缸在翻轉運動開始階段和末尾階段受力變化較大，受沖擊較大，故此時不宜采用翻轉運動。

4 結論

1) 通過建立立式翻轉貓道各運動狀態的簡化受力模型，得到了立式翻轉貓道液壓缸驅動力與翻轉臂水平夾角的函數關系，為立式翻轉貓道的設計提供了理論依據。

2) 通過SolidWorks Motion軟件對立式翻轉貓道進行了靜力學分析，仿真結果與理論解析結果一致，驗證了理論解析的正確性。

3) 運用Adams軟件對立式翻轉貓道虛擬樣機模型進行了動力學分析，初步確定了較合適的翻轉運動時間，可為立式翻轉貓道的運動控制提供依據。