鉆機(jī)二層臺(tái)推扶式排管機(jī)變幅機(jī)構(gòu)優(yōu)化研究

李聯(lián)中，顏?zhàn)用簦瑮?雷，于 芳，魏 榮, 趙 進(jìn)

1中石化勝利石油工程有限公司物資裝備管理中心 2四川宏華石油設(shè)備有限公司海洋技術(shù)中心 3中國(guó)石油青海油田采油三廠運(yùn)行維護(hù)中心

0 引言

二層臺(tái)鉆具排放系統(tǒng)能夠顯著降低鉆井過(guò)程中起、下鉆作業(yè)時(shí)的立根排放作業(yè)強(qiáng)度，提高作業(yè)自動(dòng)化水平和作業(yè)安全性。排管機(jī)作為實(shí)現(xiàn)管具排放的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)形式主要包括立柱式排管機(jī)、懸掛式排管機(jī)和橋式排管機(jī)，其中懸掛式排管機(jī)相對(duì)其他形式體積較小，重量較輕，經(jīng)濟(jì)性也更強(qiáng)[1]。

隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)石油生產(chǎn)一線的自動(dòng)、信息化升級(jí)和更高安全生產(chǎn)要求的推進(jìn)，二層臺(tái)無(wú)人化和排管作業(yè)自動(dòng)化的趨勢(shì)愈來(lái)愈明顯。面對(duì)國(guó)內(nèi)大量在役鉆機(jī)的二層臺(tái)自動(dòng)化改造需求[2-3]，同時(shí)考慮到舊有鉆機(jī)一般井架內(nèi)部空間較小且二層臺(tái)安裝部位承載能力有限，以推扶式排管機(jī)為基礎(chǔ)的自動(dòng)化二層臺(tái)排管系統(tǒng)憑借其在可行性和經(jīng)濟(jì)性上的明顯優(yōu)勢(shì)，得到了快速發(fā)展。

變幅機(jī)構(gòu)作為推扶式排管機(jī)管具取送的關(guān)鍵執(zhí)行部件，其設(shè)計(jì)布置方案與驅(qū)動(dòng)油缸的工作壓力和機(jī)械結(jié)構(gòu)的響應(yīng)直接相關(guān)，進(jìn)而影響到排管機(jī)整機(jī)的工作性能和經(jīng)濟(jì)性[4-7]，故根據(jù)不同鉆深和作業(yè)載荷大小選擇不同的變幅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案十分重要。

本文以某型海洋修井機(jī)推扶式排管機(jī)為參考(已成功應(yīng)用于某海洋平臺(tái)，相關(guān)參考參數(shù)如表1所示)，通過(guò)推扶式排管機(jī)構(gòu)變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)受力特點(diǎn)的分析與優(yōu)化，討論油缸前置和油缸后置兩種常見機(jī)構(gòu)布置的載荷響應(yīng)特點(diǎn)，為排管機(jī)變幅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。

表1 排管機(jī)性能參數(shù)

1 變幅機(jī)構(gòu)布置與動(dòng)力學(xué)仿真

圖1為油缸前置和油缸后置兩種油缸布置方案以及兩種形式作業(yè)鉗頭相對(duì)變幅原點(diǎn)的軌跡，為控制研究變量，通過(guò)調(diào)節(jié)姿態(tài)控制連桿位置保證變幅過(guò)程中鉗頭軌跡基本相同，同時(shí)保證油缸與后主臂/機(jī)架的鉸點(diǎn)具有相同的初始相對(duì)位置。

圖1 排管機(jī)變幅機(jī)構(gòu)布置圖

圖2 工況示意圖

(1)

實(shí)際工作中常采用數(shù)值方法對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析[8-9]。本文通過(guò)ADAMS數(shù)值仿真軟件，模擬忽略重力、慣性力和鉸點(diǎn)摩擦的影響的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，可得到變幅機(jī)構(gòu)主要承載部件在運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)的載荷響應(yīng)，包含油缸驅(qū)動(dòng)力F油缸，前后主臂的桿件最大軸力F前主臂/后主臂和最大彎矩M前主臂/后主臂和姿態(tài)控制連桿的最大軸F連桿。

如圖3～圖8所示，由于二層臺(tái)取送工況鉆桿傾斜導(dǎo)致的鉗頭載荷遠(yuǎn)小于井口取送工況，變幅機(jī)構(gòu)各部件的載荷響應(yīng)遠(yuǎn)小于井口取送工況，對(duì)各運(yùn)動(dòng)桿件的設(shè)計(jì)和油缸的選型影響極小，故在對(duì)兩種機(jī)構(gòu)布置形式的載荷響應(yīng)研究中應(yīng)以井口取送工況為主。該工況下，兩種布置方案的油缸驅(qū)動(dòng)力出現(xiàn)了不同的變化趨勢(shì)，其中油缸前置形式F油缸隨變幅行程L的增加單調(diào)下降，而油缸后置形式F油缸先增大后降低，前者F油缸最大值為后者的120%，但其波動(dòng)值為后者的86%。后主臂軸力F后主臂兩者具有相同的變化趨勢(shì)且相同變幅行程下F后主臂相差不超過(guò)25%。兩種形式油缸布置方案下，后主臂最大彎矩M后主臂都出現(xiàn)在油缸下鉸點(diǎn)B與后主臂連接處，具有與F油缸相似的變化趨勢(shì)，油缸前置形式下M后主臂最大值僅為油缸后置形式下的66%。前主臂載荷響應(yīng)上，兩種機(jī)構(gòu)布置方案與M前主臂皆有相同的變化趨勢(shì)，其中油缸前置形式F前主臂最大值遠(yuǎn)小于油缸后置形式，但M前主臂最大值前者較后者高22%。姿態(tài)控制連桿軸力F連桿最大值，油缸前置布置較油缸后置布置高45%。

圖3 F油缸隨變幅行程變化曲線圖

圖4 F后主臂隨變幅行程變化曲線圖

圖5 M后主臂隨變幅行程變化曲線圖

圖6 F前主臂隨變幅行程變化曲線圖

圖7 M前主臂隨變幅行程變化曲線圖

圖8 F連桿隨變幅行程變化曲線圖

2 驅(qū)動(dòng)油缸布置點(diǎn)優(yōu)化

綜合前文，由于井口取送工況載荷較大，各部件的載荷響應(yīng)遠(yuǎn)大于二層臺(tái)取送工況，選取井口取送工況模型進(jìn)行油缸鉸點(diǎn)位置優(yōu)化，在確保變幅動(dòng)作軌跡不變的基礎(chǔ)上，結(jié)合動(dòng)力學(xué)以及經(jīng)濟(jì)性的要求[7，10-12]，以F油缸的極大值最小[min(F油缸max)]和變幅機(jī)構(gòu)M后主臂后主臂平面內(nèi)最大彎矩最小[min(M后主臂max)]分別為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行分析，研究?jī)煞N機(jī)構(gòu)布置的優(yōu)化方案。

優(yōu)化變量分別為油缸上鉸點(diǎn)A的水平和垂直坐標(biāo)，下鉸點(diǎn)B的垂直坐標(biāo)。考慮到避免干涉和安裝布置方便，設(shè)定鉸點(diǎn)約束范圍如下:

(1)油缸后置形式:

Ax∈(-100,100)，Ay∈(-150,0)，

By∈(-100,100)

(2)油缸前置形式:

Ax∈(-100,100)，Ay∈(-150,0)，

By∈(-100,100)

式中:Ax，Ay—上鉸點(diǎn)相對(duì)優(yōu)化前原始位置的x，y方向位移，mm；By—下鉸點(diǎn)相對(duì)優(yōu)化前原始位置的y方向位移，mm。

以最大油缸驅(qū)動(dòng)力最小[min(F油缸max)]為優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，優(yōu)化后鉸點(diǎn)位置如下：

(1)油缸后置形式：

Ax=100，Ay=0，By=-100

(2)油缸前置形式：

Ax=0，Ay=100，By=-100

如圖9～圖11所示，機(jī)構(gòu)其他尺寸不變情況下，油缸鉸點(diǎn)的變化僅影響油缸驅(qū)動(dòng)力F油缸、后主臂最大軸力F后主臂和彎矩M后主臂。如圖9所示，優(yōu)化后油缸后置方案F油缸最大值降低了12%，波動(dòng)值升高了6%，油缸前置方案F油缸最大值降低了21%，波動(dòng)值降低了29%。兩者對(duì)比優(yōu)化后結(jié)果，前置方案較后置方案高約7%，但其F油缸波動(dòng)值僅為后者的55%。

圖9 優(yōu)化后F油缸隨變幅行程變化曲線圖

圖10 優(yōu)化后M后主臂隨變幅行程變化曲線圖

圖11 優(yōu)化后F后主臂隨變幅行程變化曲線圖

優(yōu)化結(jié)果對(duì)M后主臂和F后主臂影響都較小，優(yōu)化后結(jié)果都為原值的95%以上，其中優(yōu)化后油缸前置的M后主臂最大值仍較油缸后置方案為低，僅為65%左右。桿件軸力變化較小，且對(duì)后主臂強(qiáng)度、剛度影響較小，對(duì)后主臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幾乎沒有影響。

當(dāng)主臂平面內(nèi)最大彎矩最小[min(M后主臂max)]為優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，通過(guò)敏感度分析可以得到對(duì)應(yīng)變量的敏感度。如表2所示，除油缸前置方案M后主臂max對(duì)By敏感度較高外，其余所選變量敏感度均較低，且優(yōu)化計(jì)算變量變化方向與F油缸max優(yōu)化基本計(jì)算一致，可視為在相同約束范圍內(nèi)得到相同優(yōu)化結(jié)果，即給定的范圍內(nèi)M后主臂max基本不受鉸點(diǎn)位置變化影響，機(jī)構(gòu)布置方案起決定性作用。

表2 M后主臂max鉸點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量敏感度

敏感度S定義為[13]:

(2)

式中:i、Q、V—分別為迭代次數(shù)，目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量。

綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，兩種機(jī)構(gòu)布置方案皆可通過(guò)鉸點(diǎn)優(yōu)化布置一定程度上降低油缸驅(qū)動(dòng)力，其中油缸前置方案具備更大的優(yōu)化潛力和驅(qū)動(dòng)力穩(wěn)定性，但需更多考量油缸上鉸點(diǎn)變動(dòng)導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)干涉問(wèn)題。而主臂平面內(nèi)最大彎矩對(duì)鉸點(diǎn)變動(dòng)不敏感，其載荷響應(yīng)主要決定于變幅機(jī)構(gòu)布置方案。

3 結(jié)論

(1)油缸前置布置方案在驅(qū)動(dòng)油缸的油壓穩(wěn)定性和后主臂結(jié)構(gòu)的受力上具備明顯優(yōu)勢(shì)，且具備更大的油缸驅(qū)動(dòng)力優(yōu)化潛力，較適用于管具載荷較大排管機(jī)的設(shè)計(jì)。油缸后置布置方案最大油缸驅(qū)動(dòng)力略低于油缸前置方案，后主臂結(jié)構(gòu)受力相對(duì)后者劣化，但油缸布置較自由且干涉風(fēng)險(xiǎn)較小；較小的姿態(tài)控制連桿受力也更便于變幅機(jī)構(gòu)整體的緊湊設(shè)計(jì)，適用小型鉆機(jī)的改造加裝。

(2)油缸鉸點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)顯示兩種機(jī)構(gòu)布置方案對(duì)后主臂結(jié)構(gòu)受力起主要作用，優(yōu)化空間極小，但可一定程度上降低油缸驅(qū)動(dòng)力最大值。