王 琦，楊來(lái)武，王 賀

（勝利油田油氣井下作業(yè)中心，山東 東營(yíng) 257000）

0 引言

在傳統(tǒng)的油田修井作業(yè)過程中，起下鉆桿是占比最大的一個(gè)環(huán)節(jié)。據(jù)相關(guān)工程技術(shù)人員測(cè)算，修井機(jī)配備的傳統(tǒng)井口液壓動(dòng)力大鉗設(shè)備，起下鉆或管具的作業(yè)時(shí)間占整個(gè)工時(shí)超過30%[1-6]。而鉆桿的上卸扣工作都需要工人手動(dòng)操作。一方面，油田用工成本持續(xù)增加；另一方面，鉆臺(tái)上的許多大型機(jī)械裝置在作業(yè)過程頻繁地移動(dòng)，直接威脅著施工工人安全，因此修井設(shè)備的自動(dòng)化程度及開采效率是工程技術(shù)人員關(guān)心的重點(diǎn)問題[7-11]。

受特殊性和惡劣作業(yè)環(huán)境影響，目前國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化裝備主要用于大型鉆井設(shè)備，特別是海洋鉆井平臺(tái)、鉆井船，自動(dòng)化作業(yè)裝備最先在海上油氣鉆采中得到了發(fā)展。然而，該類大型自動(dòng)化裝備無(wú)法直接應(yīng)用于現(xiàn)有修井作業(yè)。近十年來(lái)，有一部分科研單位和裝備制造企業(yè)陸續(xù)投入到鉆桿操作設(shè)備的研究和設(shè)計(jì)工作中，并取得了一定成果，但由于試驗(yàn)樣機(jī)在結(jié)構(gòu)、適應(yīng)性、運(yùn)行穩(wěn)定性、作業(yè)效率等方面還存在不少問題，均沒有實(shí)現(xiàn)真正意義上的產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用[12-20]。

基于中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司承研課題《大修自動(dòng)化作業(yè)及一體化全電驅(qū)修井技術(shù)裝備研制》，研發(fā)人員設(shè)計(jì)了一套在大修作業(yè)中與修井機(jī)配合使用的結(jié)構(gòu)緊湊的新型鐵鉆工。由于鐵鉆工的尺寸和重量都很大，伸縮臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到鉗體運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性、定位精確性及伸展油缸受力平穩(wěn)性。因此，本文針對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)在井口、鼠洞及停放位置來(lái)回運(yùn)動(dòng)過程出現(xiàn)的占用空間大及定位精度問題，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)與受力分析和計(jì)算機(jī)仿真分析的方法，對(duì)該鐵鉆工伸縮臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性研究，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，提出合理的優(yōu)化建議，從而為解決樣機(jī)現(xiàn)存問題，實(shí)現(xiàn)大修鐵鉆工改進(jìn)設(shè)計(jì)和市場(chǎng)化推廣提供技術(shù)支持。

1 鐵鉆工伸縮臂機(jī)構(gòu)分析

1.1 鐵鉆工總體設(shè)計(jì)

鐵鉆工總體設(shè)計(jì)需滿足以下兩點(diǎn)技術(shù)要求：在滿足作業(yè)技術(shù)要求的前提下不損傷鉆桿桿體且要求設(shè)備的鉗體結(jié)構(gòu)緊湊，使夾持和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作均作用于鉆桿的接頭部位；由于鉆井平臺(tái)的空間有限，要求鐵鉆工伸縮臂結(jié)構(gòu)能準(zhǔn)確帶動(dòng)鉗體運(yùn)動(dòng)，并能保持回收狀態(tài)下占用空間小。鐵鉆工伸縮臂結(jié)構(gòu)如圖1所示，鐵鉆工主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 伸縮臂結(jié)構(gòu)圖

表1 鐵鉆工性能參數(shù)

為解決鐵鉆工在井口、鼠洞及停放位置來(lái)回運(yùn)動(dòng)過程出現(xiàn)的占用空間大及定位控制精度問題，本文在考慮其旋扣重量、空間自由度及操作精度等因素的基礎(chǔ)上，著重對(duì)伸縮臂機(jī)構(gòu)展開研究，對(duì)其空間排布、整體伸縮性能及自動(dòng)化位移程度提供優(yōu)化方向。

1.2 伸縮臂機(jī)構(gòu)工作原理

鐵鉆工伸縮臂部分用于將鉗體移動(dòng)至指定的工作位置，并在鉗頭完成上卸扣工作后帶動(dòng)鉗頭退回至待工作位置，因此伸縮臂應(yīng)具有承載強(qiáng)度高、伸展范圍大、質(zhì)量小等特點(diǎn)，具體要求如下： ①伸縮臂對(duì)鐵鉆工嵌體承載力大，能保持平穩(wěn)運(yùn)作；②伸縮臂扭矩大、剛度強(qiáng)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較??；③占用空間小，空間利用率大，安裝方便；④穩(wěn)定性好，靈敏度高，可滿足對(duì)井口的精確定位。

伸縮臂機(jī)構(gòu)包括前上臂、前下臂、后上臂、后下臂、前后臂連接板、連接桿、伸展液缸、液缸連接座、后上臂連接板等部位。伸縮臂采用單液壓缸驅(qū)動(dòng)使結(jié)構(gòu)和控制都簡(jiǎn)單可靠，伸展液缸一端連接基座，另一端與前下臂連接板相連；鐵鉆工伸縮機(jī)構(gòu)的前后臂均采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，可以保證在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的同時(shí)提供較高的可靠性和平穩(wěn)性，前上臂與前下臂組成平行四邊形機(jī)構(gòu)，一端連接基座，另一端連接前后臂連接板；后上臂與后下臂也構(gòu)成平行四邊形機(jī)構(gòu)，一端連接前后臂連接板，另一端連接鉗體支座。前后臂之間的傳動(dòng)通過前下臂與后上臂之間的連接桿完成。在鉗體伸展運(yùn)動(dòng)過程中，伸展油缸驅(qū)動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)鉗體沿水平方向運(yùn)動(dòng)。伸縮臂機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 伸縮臂機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式：

式中，F(xiàn)、n、PL、PH分別為機(jī)構(gòu)自由度、構(gòu)件總數(shù)、低副的數(shù)量、高副的數(shù)量。根據(jù)伸縮臂機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖可知，機(jī)構(gòu)的總構(gòu)件數(shù)為9，機(jī)構(gòu)中的低副數(shù)為13，該機(jī)構(gòu)中不存在高副，機(jī)構(gòu)的自由度F=1。

2 鐵鉆工伸縮臂系統(tǒng)仿真分析

2.1 伸縮臂系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

伸縮臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是在不考慮力和力矩的前提下，把伸縮臂機(jī)構(gòu)相對(duì)于一個(gè)固定參考系的運(yùn)動(dòng)看作時(shí)間函數(shù)來(lái)研究與分析。本文設(shè)置仿真參數(shù)如下：液缸桿穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)速度為40 mm/s，液缸啟動(dòng)加速時(shí)間為0.1 s，液缸行程約240 mm。

基于上述參數(shù)設(shè)定，本文對(duì)伸縮臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，鉗體位移時(shí)程曲線如圖3所示，鉗體加速度時(shí)程曲線如圖4所示。

圖3 鉗體位移時(shí)程曲線

圖4 鉗體加速度時(shí)程曲線

鉗體在水平方向的行程為1 549.3 mm，隨著液缸的勻速驅(qū)動(dòng)，其速度逐漸減小，從528 mm/s減小至120 mm/s，運(yùn)動(dòng)特性能夠滿足大修作業(yè)的工作需求。值得注意的是，伸縮臂機(jī)構(gòu)在水平運(yùn)動(dòng)的同時(shí)會(huì)不可避免產(chǎn)生鉗體的豎向位移，鉗體豎向位置呈現(xiàn)出先升高后下降的變化，鉗體從初始位置先升高19 mm，然后從4.6 s開始下降24 mm，上升過程速度變化較小，下降過程速度逐漸增大到40 mm/s。在伸展液缸勻速驅(qū)動(dòng)過程，鉗體水平和豎向加速度均變化不大。

伸縮臂伸展過程會(huì)產(chǎn)生鉗體的豎向位移，這一情況證明了豎向位移是設(shè)計(jì)中影響鉗體定位精度問題的關(guān)鍵。因此，在升降液缸的行程設(shè)計(jì)中需要考慮伸展液缸引起的鉗體豎向位置變化。同時(shí)，在整個(gè)鐵鉆工運(yùn)動(dòng)定位控制的設(shè)計(jì)中，運(yùn)動(dòng)控制的流程應(yīng)是先定位回轉(zhuǎn)角度，進(jìn)行整個(gè)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，然后定位水平距離，計(jì)算行程預(yù)留量，進(jìn)行伸縮臂的伸展運(yùn)動(dòng)，再定位豎向距離，進(jìn)行升降滑車的升降運(yùn)動(dòng)，最后根據(jù)行程預(yù)留量再進(jìn)行伸展運(yùn)動(dòng)。如此，可以極大提高作業(yè)的定位控制精度。

2.2 伸縮臂系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

本文通過ADAMS軟件開展動(dòng)力學(xué)仿真，模擬伸縮臂運(yùn)動(dòng)，從而得到伸展液缸驅(qū)動(dòng)力的變化規(guī)律，為伸縮臂液缸的計(jì)算與選型提供依據(jù)。伸縮臂機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析負(fù)載主要為伸縮臂結(jié)構(gòu)自重及鉗體重量，其中鉗體總成重量為910 kg，其他參數(shù)設(shè)置同運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。通過動(dòng)力學(xué)分析，得到的液缸推力（該推力為兩側(cè)液缸推力的合力）時(shí)程曲線如圖5所示。

圖5 伸展液缸驅(qū)動(dòng)力時(shí)程曲線

在整個(gè)伸展運(yùn)動(dòng)過程中，單液缸最大驅(qū)動(dòng)力17 728 N出現(xiàn)在啟動(dòng)過程。在勻速驅(qū)動(dòng)過程的0.1～1.6 s，單液缸驅(qū)動(dòng)力從503 N逐步增大到1 616 N；1.6～3.3 s，單液缸驅(qū)動(dòng)力在1 630 N左右維持穩(wěn)定；3.3～5.9 s，單液缸驅(qū)動(dòng)力呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)，從1 640 N逐步增大到9 713 N。

結(jié)合液缸勻速驅(qū)動(dòng)過程和啟動(dòng)過程的最大驅(qū)動(dòng)力數(shù)據(jù)，伸展液缸設(shè)計(jì)推力以勻速驅(qū)動(dòng)過程的最大值9 713 N為參考，考慮2倍安全系數(shù)，最終伸展液缸選型參考推力取值為19 426 N。

3 鐵鉆工伸縮臂結(jié)構(gòu)有限元分析

本文采用有限元軟件ANSYS Workbench18.0對(duì)導(dǎo)入的鐵鉆工伸縮臂機(jī)構(gòu)Solidworks三維模型進(jìn)行處理后，建立伸縮臂機(jī)構(gòu)有限元模型。液缸采用剛體建模，整個(gè)伸縮臂機(jī)構(gòu)主體構(gòu)件采用Q235B板材、型材，伸縮臂伸展過程的最大行程位置為最危險(xiǎn)姿態(tài)，以此作為典型工況進(jìn)行有限元分析。

3.1 伸縮臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

伸縮臂結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 伸縮臂結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力云圖

由圖6可知，在最危險(xiǎn)姿態(tài)工況中，伸縮臂結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為120.64 MPa，出現(xiàn)在滑車臂架連接端部位置，其安全系數(shù)為1.95，表明整個(gè)伸縮臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足強(qiáng)度要求。其右下臂和左上臂整體應(yīng)力較小，在后續(xù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)中可以適當(dāng)減小其型材尺寸；鉗體托架整體應(yīng)力也較小，在考慮和鉗體支撐連接的基礎(chǔ)上，可以對(duì)托架面板進(jìn)行大面積優(yōu)化。這兩個(gè)部位的優(yōu)化可以極大減輕鐵鉆工懸臂部分重量，為后續(xù)大修鐵鉆工向更緊湊、更輕盈方向的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供支撐。

3.2 伸縮臂結(jié)構(gòu)剛度分析

在最危險(xiǎn)姿態(tài)工況下，鉗體部位最大撓度為5.11 mm，伸縮臂結(jié)構(gòu)等效懸臂長(zhǎng)度L為2 800 mm，其許可剛度為L(zhǎng)/250=11.2 mm，表明整個(gè)伸縮臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足剛度要求。結(jié)合上述運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，伸縮臂機(jī)構(gòu)在伸展運(yùn)動(dòng)過程中，由于臂的伸長(zhǎng)，不可避免地伴隨著變形引起的結(jié)構(gòu)豎向位移，在最大行程處5.11 mm的結(jié)構(gòu)變形對(duì)升降運(yùn)動(dòng)的控制精度有不小影響，需在定位控制中考慮該豎向變形。伸縮臂結(jié)構(gòu)位移云圖如圖7所示。

圖7 伸縮臂結(jié)構(gòu)位移云圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)大修鐵鉆工試驗(yàn)樣機(jī)在井口、鼠洞及停放位置來(lái)回運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)的占用空間大及定位控制精度問題，通過運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)鐵鉆工伸縮臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性研究，識(shí)別了伸展運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生豎向位移是設(shè)計(jì)中出現(xiàn)鉗體定位精度問題的關(guān)鍵，提出了運(yùn)動(dòng)控制流程改進(jìn)措施，驗(yàn)證了鉗體運(yùn)動(dòng)行程和伸展液缸選型。通過有限元分析，本文對(duì)伸縮臂結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度進(jìn)行了分析校核，驗(yàn)證了伸縮臂結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)需求，并對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)提出了合理的優(yōu)化建議，從而為解決樣機(jī)現(xiàn)存問題，實(shí)現(xiàn)大修鐵鉆工改進(jìn)設(shè)計(jì)和市場(chǎng)化推廣提供技術(shù)支持。