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基于A M E S i m的排管机末端夹紧装置液压系统仿真分析 口沙永柏 口刘晓利 口占自涛 吉林大学 机械科 学与工程学 院长春 1 3 0 0 2 5 摘 要 介 绍 了自动送钻装置末端加持 器的构成和工作原理 , 基 于 A ME S i m 平 台对其进行仿 真分析 , 通过给定特 定 的信号 , 研 究系统 的动 态特性 , 为该装置的参数设定提 供一定的依据 。 关键词 排管机末端夹紧装置液压 系统仿真 中图分类号 T H1 1 2 . 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 3 0 4 0 0 3 4 0 3 目前 . 我 国 可 采 油 气 资 源 8 0%储 藏 在 2 0 0 0 IT I 深 以 内 的 浅 层 和 2 0 0 0 ~ 3 5 0 0 n l 深 的 中 深 层 。且 大 多 数 油 气 田 已进 入 钻 采 开 发 的 中 后 期 , 因 此 急 需 大 量 深 井 钻 机 设 备 .排 管 机 正 是 完 成 这 种 特 殊 勘 钻 作 业 而 设 计 的 ] 。 排 管 机 能 够 完 成 下 钻 过 程 中 钻 杆 的 夹 紧 、 提 放 、 搬 运 等 操 作 .代 替 了 人 工 实 现 钻 杆 在 进 口与 排 放 架 间 往 复 自动 传 送 和 排 放 ,从 而 有 效 地 提 高 钻 井 作 业 的 安 全 性 . 缩 短 作 业 周 期 , 节 约 作 业 成 本 [ 2 ] 。 排 管 机 在 正 常 工 作 时 , 其 末 端 夹 紧 装 置 起 着 非 常 重 要 的 作 用 , 它 必 须 牢 牢 地 抓 紧 钻 杆 , 达 到 一 定 的 压 紧 力 , 从 而 保 证 作 业 的 安 全 性 。 本 文 针 对 排 管 机 末 端 夹 紧 装 置 的 夹 紧 钻 杆 工 作 过 程 ,利 用 AME S i m 平 台 建 立 该 装 置 的 液 压 系 统 及 机 械 装 置 原 理 图 , 根 据 实 际 工 作 状 况 , 研 究 末 端 夹 紧 装 置 在 工 作 工 程 中 的 动 态 特 性 .进 而 为 实 际 钻 杆 抓 紧 作 业 的 参 数 设 定 提 供 依 据 。 1 工作原理 排 管 机 的 功 用 是 实 现 钻 杆 立 根 在 钻 台 排 放 架 与 井 口 中 心 间 的 自 动 传 送 .所 以 又 名 钻 杆 自 动 传 送 系 统 . 主 要 由 导 轨 座 、 排 管 座 轨 、 排 管 滑 车 、 回 转 机 构 、 排 管 长 销 、 排 管 器 桅 杆 总 成 、 夹 持 滑 车 、 排 管 器 动 臂 、 三 角 架 机 构 及 末 端 夹 持 器 等 组 成 。 其 结 构 如 图 1 所 示 。 末 端 夹 持 装 置 国家深部探测技术与实验研 究专项 资助项 目 编号 S i n o p r o b e O 9 收稿 日期 2 0 1 2年 l 1月 2 0 1 3 / 4 是 钻 杆 自动 传 送 装 置 的 重 要 组 成 部 分 ,是 直 接 执 行 动 作 任 务 的 装 置 , 夹 持 装 置 固 定 在 夹 持 滑 车 上 , 主 要 有 夹 持 手 指 、 传 动 连 杆 及 驱 动 油 缸 等 组 成 。 其 结 构 如 图 2所 示 。 驱 动 油 缸 被 固 定 在 夹 持 器 地 板 上 , 驱 动 油 缸 活 塞 杆 与 传 动 连 杆 的 一 端 通 过 销 轴 铰 接 , 传 动 连 杆 的另 一 端 与 夹 持 手 爪 相 铰 接 。 夹 持 手 爪 可 以 绕 着 自身 的 固 定 限位 杆 实 现 摆 动 . 驱 动 油 缸 活 塞 杆 的 伸 缩 运 动 可 以 实 现 传 动 连 杆 的 开 合 , 从 而 实 现 夹 持 手 爪 夹 紧 和 放 松 钻 杆 。 2 液压 系统 的设计 根 据 排 管 机 末 端 夹 持 器 驱 动 油 缸 的 动 作 及 压 力 调 节 原 理 。 其 液 压 回 路 如 图 3所 示 。 本 回 路 采 用 三 位 四 通 换 向 阀 控 制 液 压 缸 的 运 动 。当换 向 阀 处 于 右 位 时 , 液 压 缸 的 无 杆 腔 进 油 . 活 塞 杆 伸 出 。 当 换 向 阀 处 于 中 位 时 。 液 压 缸 保 持 不 动 当 换 向 阀 换 至 左 位 时 , 液 压 缸 有 杆 腔 进 油 , 活 塞 缸 缩 回 。在 液 压 缸 油 路 上 安 装 具 有 自 锁 功 能 的 液 压 锁 , 可 以 实 现 保 压 作 用 , 防 止 在 抓 取 立 杆 的 过 程 中 突 然 断 电 而 引 起 事 故 。 根 据 本 设 计 要 求 , 驱 动 液 压 缸 选 择 双 作 用 单 活 塞 杆 液 压 缸 , 如 图 4所 示 机械制造5 1 卷 第5 8 4 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 中 Q 为 无 杆 腔 流 量; A,为 无 杆 腔 有 效 面 积 ; P为 无 杆 腔 压 力; Q 2为 有 杆 腔 流 量 ; 为 有 杆 腔 有 效 面 积 ; 尸 2 为 有 杆 腔 压 力 ; Y为 负 载 位 移 ; Ⅳ 为 液 压 缸 受 的 总 作 用 力 ; 为 等 效 质 量 。 根 据 液 流 连 续 性 原 理 可 得 A Q I -警 ㈩ A Q 2 A t 警 一 2 式 中 。为 活 塞 在 中 间 位 置 时 两 腔 容 积 相 等 时 每 腔 的 油 液 体 积 ; 为 液 体 有 效 体 积 弹 性 模 量 。 设 液 压 缸 两 腔 有 效 面 积 比 2/ A l 凡 3 令 PI n P 2 对 上 式 求 导 得 P上 一 n 4 d £ d d £ 根 据 式 1 、 式 2 和 式 4 可 得 aQ1 A Q2 A l n A 5 对 式 5 进 行 拉 氏变 换 得 Q, n Q 2 A 1 2 s Y s s 6 液 压 缸 的 活 塞 平 衡 方 程 为 等 誓 Ⅳ 7 式 中 为 活 塞 和 负 载 的 黏 性 阻 尼 系 数 ; F为 外 界 干 扰 力 。 对 式 7 进 行 拉 氏 变 换 Ms Y s B Y s , I_ Ⅳ 8 并 且 A1 P1 - A 1 P L N 9 将 式 6 和 式 8 代 人 式 9 中 , 整 理 可 得 液 压 缸 系 统 的 传 递 函 数 y s 丽A胍t fl -V o F s 1 o 3 仿真分析 AMES i m 是 一 种 工 程 系 统 高 级 建 模 和 仿 真 平 台 软 件 , 该 软 件 基 于 功 率 键 合 图 的 原 理 , 能 够 对 机 械 、 液 压 、 气 动 、 电 磁 等 多 学 科 领 域 的 元 件 和 系 统 进 行 建 模 和 仿 真 , 准确 反 应 系统 和元 件相 应 的动态 特 性 E 3 ] 。本 文 利用 AME S i m 软 件 为 用 户 提 供 元 件 应 用 库 , 即 机 械 库 、 信 号 控 制 库 及 液 压 元 件 设 计 库 ,对 排 管 机 末 端 夹 紧 装 置 液 压 系统 及 机械 部分 进 行建模 仿 真 , 通过 参数 的设 定 , 研 机械制造5 l 卷 第5 8 4 期 究 系 统 及 元 件 的 动 态 特 性 。 3 . 1 建 立 仿 真 模 型 为 模 拟 夹 紧 装 置 的 正 常 工 作 状 态 。 在 AME S i m 软 件 的 草 图 模 式 下 . 根 据 夹 紧 装 置 的 机 械 原 理 图 2及 液 压 原 理 图 3, 建 立 如 图 5所 示 的 排 管 机 末 端 夹 紧 装 置 的 系 统 模 型 [ 。 在AMES i re 软 件 仿 真 时 , 系 统 所 有 的 模 型 均 被 参 数 化 ,各 元 件 主 要 参 数 如 下 活 塞 直 径 为 5 0 am, 活 塞 杆 直 径 为 3 0 mm。 行 程 为 6 0 mm, 传 动 连 杆 长 度 为 4 7 . 5 mm, 夹 持 手 爪 尺 寸 为 0 . 1 l mm 中 间 节 点 比 例 4 7 。参 数 设 定 完 后 , 进 行 仿 真 , 仿 真 时 间 设 为 5 s 。 精 度 设 为 0. O01 S。 3 . 2仿 真 结 果 分 析 仿 真 结 束 后 , 点 击 界 面 的 几 何 构 造 按 钮 。 弹 出 所 建 模 型 的 模 型 , 如 图 6所 示 , 与 三 维 模 型 中 的 模 型 一 致 。 系 统 给 定 信 号 如 图 7所 示 , 可 得 到 仿 真 结 果 , 如 图 8、 9 所 示 。 图 8为 夹 持 手 爪 与 钻 杆 的 间 隙 距 离 曲线 图 9为 在 该 信 号 下 的 夹 持 油 缸 活 塞 杆 的运 动 速 度 1 和 末 端 夹 持 手 爪 的 运 动 速 度 2 。 一 心 坦 ▲图 6 A ME S i m中的机构模 型图 ▲图 7 { 褪 窖 担 肝 怫 建 ’f 、 } \ / ⋯ f ’ j 时间/ s ▲图 8 夹持手爪与钻杆的 距离 曲线 i o 0 。 蓥 一 0 一O 时间, s 换 向阀的输入信号 时间 , s ▲图 9油缸和夹持手爪 的 速度瞌线 2 0 1 3 / 4 圆 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 双联斜盘式轴向枉塞泵在行走相赫【 l 】 昀应用 术 口楼锡银 湖州职业技术学院 机 电工程分院 浙江湖州 3 1 3 0 0 摘 要 针对行走液压 的性 能要求 , 分析 了双联斜盘式轴向柱塞泵的结构 和工作特点 。 实际应 用表明 , 双联斜盘 式轴 向柱塞泵适合在 结构 紧凑 、 功率/ 体积比大、 无级 变速、 性能可靠的行走机械上使 用。 关键 词 双联斜盘式轴 向柱 塞泵 行走液压 行走机械 中圈分类号 T H1 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 3 0 4 - 0 0 3 6 - 0 3 液 压 系 统 可 分 工 业 液 压 与 行 走 液 压 l 1 ] , 工 业 液 压 多 用 于 固 定 的 机 械 . 行 走 液 压 多 用 于 行 走 的 机 械 。 行 走 机 械 是 指 能 够 行 走 的 工 程 机 械 、 农 业 机 械 、 矿 山 机 械 和 专 用 车 辆 。 如 联 合 收 割 机 、 叉 车 、 装 载 机 等 。 工 业 液 压 和 行 走 液 压 工 作 原 理 相 同 , 但 由于 使 用 场 合 不 同 , 使 液 压 系 统 的设 计 各 有 不 同特 点 。 以 前 , 国 产 的 行 走 机 械 主 要 采 用 纯 机 械 传 动 系 统 , 技 术 含 量 较 低 。 随 着 我 国 液 压 技 术 的 不 断 进 步 。 行 走 液 压 技 术 也 得 到 了 越 来 越 多 的 使 用 。 双 联 轴 向 柱 塞 泵 多 用 于 液 压 闭 式 系 统 , 由 于 液 压 闭 式 系 统 以 其 结 构 紧 凑 、 传 动 效 率 高 、 故 障 率 低 的 特 点 , 被 广 泛 应 用 于 各 种 行 走 机 械 的 液 压 系 统 | 2 ] 。 湖 州市科技攻关项 目 编号 2 0 0 7 G G 2 3 收稿 日期 2 0 1 2年 1 2月 由 图 可 知 , 在 该 信 号 下 , 系 统 在 1 .7 3 S时 , 夹 持 手 爪 抓 到 钻 杆 。在 此 过 程 , 夹 紧 油 缸 的 最 大 速 度 达 到 3 4 mm / s . 夹 持 手 爪 的 最 大 速 度 达 到 了 2 0 mm/ s , 并 且 在 接 近 钻 杆 的 时 刻 . 夹 持 手 爪 的 速 度 有 所 减 缓 。 夹 持 手 爪 碰 到 钻 杆 后 , 夹 紧 手 抓 的 速 度 为 零 , 并 且 迅 速 建 立 夹 紧 力 1 3 . 6 k N 系统 的压 力 为 2 5 MP a , 保 持 到 3 s时 , 一 直 保 持 夹 紧 油 缸 无 杆 腔 进 油 。 此 时 , 系 统 保 持 不 变 的 夹 紧 力 , 在 3 ~ 4 s时 , 换 向 阀 移 到 中 位 , 系 统 处 于 浮 动 状 态 , 靠 液 压 锁 保 持 系 统 的压 力 。 在 这 段 时 间 。 夹 持 力 缓 降 到 5 k N。 在 4 ~ 5 S , 夹 紧 油 缸 有 杆 腔 进 油 , 夹 持 手 爪 松 开 钻 杆 。 在 此 过 程 , 夹 紧 油 缸 的 最 大 速 度 达 到 4 4 mm/ s , 夹 持 手 爪 的 最 大 速 度 达 到 3 4 mm/ s 。 夹 持 手 爪 迅 速 地 松 开 钻 杆 , 但 是 在 退 到 原 点 时 , 由 于 惯 性 作 用 , 有 轻 微 的 振 动 。 夹 持 手 爪 在 接 近 钻 杆 的 过 程 中 。 在 前 半 段 运 动 速 度 很 快 , 在 要 接 近 钻 杆 的 时 候 . 速 度 有 所 减 缓 . 而 在 夹 持 手 爪 松 开 钻 杆 的 过 程 中 ,手 爪 的 速 度 比 夹 紧 钻 杆 的 速 度 要 快 , 所 用 时 间 也 较 短 , 符 合 设 计 要 求 。 4 结论 2 0 1 3 / 4 1 行走液压 系统 性能要求 1 . 1 功 率 / 体 积 比 大 行 走 机 械 往 往 要 求 结 构 紧 凑 、 整 机 质 量 轻 、 减 少 行 走 时 的 功 率 消 耗 。 因 此 , 对 于 行 走 液 压 要 求 具 有 较 大 的 功 率 和 较 小 的 体 积 。 1 . 2 系 统 结 构 简 单 行 走 机 械 的 动 作 主 要 是 前 进 、 倒 退 、 转 弯 、 停 止 , 故 行 走 液 压 在 保 证 实 现 以 上 动 作 的 前 提 下 ,尽 可 能 使 整 个 系 统 结 构 简 单 ,从 而 减 少 故 障 率 ,提 高 性 能 的 可 靠 性 。 1 . 3载 荷 适 应 性 强 行 走 机 械 的 承 载 量 及 工 作 环 境 会 经 常 变 化 , 因 此 叶壬叶 呻 斗 呻 叶 呻量叶 墨呻 呻 呻量. 呻量呻 呻 呻 1 在 AME S i m 模 式 下 . 根 据 排 管 机 末 端 夹 持 器 的 工 作 原 理 , 利 用 元 件 库 建 立 夹 持 系 统 的液 压 和 机 械 图 。 2 应 用 AME S i m 软 件 对 夹 紧 装 置 进 行 了仿 真 和 分 析 , 给 定 信 号 后 , 得 到 夹 持 系 统 的 动 态 特 性 , 为 今 后 参 数 设 定 提 供 一 定 的依 据 。 参 考 文 献 f 1 ] 任福深 , 王威 , 刘烨 , 等. 基于 A ME S i m 的齿轮齿条钻 机动 力 头起 升装 置 液压 系统 仿 真分 析 [ J ] .石 油 矿场 机 械 , 2 0 1 2 , 4 1 5 1 4 - 1 7 . 『 2 ] 朱吉 良. 钻杆 自动传送 系统结构设 计与仿 真分析[ D] . 长 春 吉林大学 . 2 0 1 2 . 『 3 ] 刘 威 , 盂祥金 , 沈从举 , 等. 液 压支腿机 械液压联合 仿真 分 析 [ J ] . 农机化研究 , 2 0 1 2 8 1 2 一 l 7 . [ 4 ] 张涛, 曹俊 , 高宏力 , 等. 基于 A ME S i m的 Q Y 一 8型汽车起 重机液压系统仿真 [ J ] .工程技术与产业经济, 2 0 1 2 4 下 2 8 3 0 . [ 5 ] 崔 学政 , 刘文庆 , 肖文生 , 等. 海 洋钻井平 台立柱式 排管机 设计[ J ] . 石油矿场机械 , 2 0 1 0 , 3 9 1 4 5 4 9 . 编 辑 禾 禾 机械制造5 1 卷 第5 8 4 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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