全液压自动猫道举升系统运动学分析.pdf

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2 0 1 5年 第4 4卷 第7期第2 4页 石 油 矿 场 机 械 犗 犐 犔 犉 犐 犈 犔 犇 犈 犙 犝 犐 犘犕犈 犖 犜 2 0 1 5,4 4(7) 2 4  2 7 文章编号 1 0 0 1  3 4 8 2(2 0 1 5)0 7  0 0 2 4  0 5 全液压自动猫道举升系统运动学分析 谭志松, 于 萍, 张春鹏, 李艳娇 ( 吉林大学 机械科学与工程学院, 长春1 3 0 0 2 2) 摘要 全液压自动猫道举升系统在举升钻具过程中要充分保证其运行的平稳性, 以降低冲击载荷和 整个举升滑道的振动。根据全液压自动猫道模型, 将举升系统进行简化, 建立其机构运动简图; 应 用MAT L A B软件求解运动学方程并进行线性拟合, 得到举升滑道的空间位姿变化曲线; 应用A d  a m s软件对举升系统进行运动学分析, 得到举升滑道倾角变化曲线、 位移曲线和速度曲线, 验证了 其设计的可行性。 关键词 举升系统; 空间位姿; 运动学分析; 平稳性; 可行性 中图分类号T E 9 2 4 文献标识码A 犱 狅 犻 1 0. 3 9 6 9/ j . i s s n. 1 0 0 1  3 4 8 2. 2 0 1 5. 0 7. 0 0 6 犓 犻 狀 犲 犿 犪 狋 犻 犮 狊犃 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊狅 犳犔 犻 犳 狋 犻 狀 犵犛 狔 狊 狋 犲 犿狅 犳犉 狌 犾 犾犎 狔 犱 狉 犪 狌 犾 犻 犮犃 狌 狋 狅 犿 犪 狋 犻 犮犆 犪 狋 狑 犪 犾 犽 T ANZ h i s o n g,YUP i n g,Z HANGC h u n p e n g, L IY a n j i a o (犆 狅 犾 犾 犲 犵 犲 狅 犳犕 犲 犮 犺 犪 狀 犻 犮 犪 犾犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲犪 狀 犱犈 狀 犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犵,犑 犻 犾 犻 狀犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔,犆 犺 犪 狀 犵 犮 犺 狌 狀1 3 0 0 2 2,犆 犺 犻 狀 犪) 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋I nt h ep r o c e s so f l i f t i n gd r i l l i n g t o o l s,i t i sv e r y i m p o r t a n t t oe n s u r e t h e s t a b i l i t yo f o p e r  a t i o no f t h e l i f t i n gs y s t e mo f f u l l h y d r a u l i ca u t o m a t i cc a t w a l k s,i no r d e r t or e d u c e t h e i m p a c t l o a d a n dt h eo s c i l l a t i o no f l i f t i n gr a m p . A c c o r d i n gt ot h ef u l lh y d r a u l i ca u t o m a t i cc a t w a l k sm o d e l,t h e l i f t i n gs y s t e mi ss i m p l i f i e d,a n di t sm e c h a n i s m m o t i o nd i a g r a mi se s t a b l i s h e d . U s i n g MAT L A B s o f t w a r e t os o l v e t h ek i n e m a t i c se q u a t i o na n dg e ts p a c ep o s t u r ec h a n g ec u r v eo f l i f t i n gr a m pb y l i n e a r f i t t i n g,k i n e m a t i c sa n a l y s i sw a se x e c u t e do nt h el i f t i n gs y s t e mb yu s i n gt h eA d a m ss o f t  w a r e,a n dt h ec u r v e so f l i f t i n gr a m pa n g l ea n dd i s p l a c e m e n t c u r v ea n ds p e e dc u r v ew e r eo b t a i n e d, a n dt h e f e a s i b i l i t yo f t h ed e s i g nw a sv e r i f i e d . 犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊l i f t i n gs y s t e m;s p a c ep o s t u r e;k i n e m a t i c sa n a l y s i s;s t a b i l i t y;f e a s i b i l i t 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 y [5] F e r yD. H e a v eC o m p e n s a t i o n[E B/O L]. h t t p / /e v e r y  t h i n g 2. c o m/t i t l e/H e a v e %2 5 2 0 c o m p e n s a t i o n,2 0 0 2  0 4  0 8. [6] L e l a n dRR o b i c h a u x, J a nT H a t l e s k o g . S e m i  a c t i v eH e a v e C o m p e n s a t i o nS y s t e mf o rm a r i n eV e s s e l sU n i t  e dS t a t e s, 0 0 5 2 0 9 3 0 2 A[P]. 1 9 9 3  0 5  1 1 . [7] 雷天觉.新编液压工程手册( 下) [M].北京 北京理工 大学出版社, 1 9 9 81 3 8 3  1 3 9 9. [8] 白鹿.钻柱液压升沉补偿系统研究[D].东营 中国石 油大学, 2 0 0 9. [9] 王维旭, 于兴军, 贾秉彦, 等.被动式钻柱升沉补偿装置 气液控制系统的原理[J].石油矿场机械,2 0 1 1,4 0(2) 3 0  3 3. [1 0] 黄锴, 刘少军, 肖永山.基于A D AM S的深海采矿装置 升沉补偿 系统 仿真 研究 [J].计 算 机 仿 真,2 0 0 3,2 0 (1 0) 5 7  5 9.  收稿日期2 0 1 5  0 1  1 5 基金项目 国家深部探测技术与实验研究专项资助项目(S i n o P r o b e  0 9  0 5) 作者简介 谭志松(1 9 8 9 ) , 男, 湖北巴东人, 硕士研究生, 主要从事工程机械与石油机械研究,E  m a i l1 3 1 0 4 3 0 6 9 6 7@1 6 3. c o m。 全液压自动猫道分为钻具运移系统、 举升系统、 提升系统3大部分。其中钻具运移系统主要将钻具 运移到全液压自动猫道平台上; 举升系统主要是实 现钻具从钻具运移系统到井口指定位置之间的输送 或反向输送; 提升系统是猫道在钻具运移过程中的 动力装置, 驱动承载钻具的举升滑道沿着坡道运行。 全液压自动猫道结构如图1所示。 国外已经具有较为先进的钻具处理系统, 可实 现钻具从地面到钻台面之间的输送或反向输送, 已 有大量学者对其进行研究[ 1  3]。近年来, 国内关于猫 道的研究也有了快速发展[ 4  6], 但是有关猫道的文献 中对举升系统主要研究其结构和功能, 对其运动学 的研究较少, 对猫道运动周期中举升系统的平稳性 的研究更少。本文根据全液压自动猫道模型, 将举 升系统进行简化, 建立其机构运动简图; 应用MAT  L A B、A d a m s软件进行运动学仿真, 对举升系统的 空间位姿和机构运行的平稳性进行了分析。 1平台浮动滑车;2钻杆平台;3撑杆液压缸; 4撑杆机构;5钻杆支架;6坡道;7提升系统; 8钻具;9推送机构;1 0举升滑道。 图1 全液压自动猫道结构 1 举升系统结构组成 举升系统的主要作用是 将钻具运移系统输运 来的钻具举升到井口指定位置; 钻井结束后, 将钻具 从井口回收至钻具运移系统[ 7  8]。 举升系统结构如图2所示, 主要包括车架平移 系统、 举升滑道、 撑杆机构和双作用液压缸。车架平 移系统包括滑车总成及滚轮组件; 举升滑道主要由 滑道本体、 钻具推送机构等组成; 撑杆机构设置了2 个连接位置, 可以适用不同尺寸的钻机需求。 当向钻机上输运钻具时, 钻杆盒的钻具通过钻 具运移系统输运到举升系统, 然后举升系统将钻具 举升到井口指定位置, 等待吊卡夹持钻具; 相反, 待 甩杆时, 需要通过液压吊卡将钻具放置在举升系统 上, 举升系统携带钻具回落至地面, 直至将钻具送入 钻杆盒中。自始至终, 举升系统在整个猫道的运动 周期中发挥着非常重要的作用[ 9]。 1举升滑道;2撑杆机构; 3双作用液压缸;4车架平移系统。 图2 举升系统结构 2 举升系统运动学分析 2. 1 举升系统的机构运动简图 举升系统有2个原动件, 提升滑车的双液压马 达和撑杆液压缸, 举升动作的执行机构主要由撑杆 机构、 举升滑道和车架平移系统等组成。选择平台 的中性平面为视图平面, 将举升系统的所有机械构 件等效在此平面内, 系统的机构运动简图[ 1 0]可以简 化为如图3所示。 图3 举升系统机构运动简图 如图3所示, 杆长按照杆件的序号, 分别为犾1、 犾2、犾3、犾4、犾5, 其中犾4分为犾4 0和犾4 1两部分。当举升滑 道的上平面与平台上平面平行时, 撑杆液压缸活塞 杆与撑杆液压缸缸筒底的距离为犔0, 犃点的高度为 犺0; 提升滑车双液压马达沿着坡道将举升滑道犃点 提升Δ 狓距离时, 犃点距离地面的高度为犺1, 撑杆液 压缸活塞杆的伸出距离为犔。举升滑道与水平方向 的夹角为α, 撑杆机构与车架平移系统的夹角为β, 举升滑道与撑杆机构的夹角为γ, 坡道与水平面的 夹角为5 0 。 2. 2 举升滑道空间位姿线性拟合 举升滑道的空间位姿可以用举升滑道倾角( 即 举升滑道与水平面的夹角α) 表示。 对撑杆机构的杆件犅 犇作速度分析, 犛是车架 52 第4 4卷 第7期 谭志松, 等 全液压自动猫道举升系统运动学分析  平移系统沿坡道方向运动的位移。撑杆机构的速度 分析简图如图4所示。 铰点犅的速度为 →  狏犅=狏 →  D+狏 →  B D ( 1) 狏 → B=  →  犛+犾4  → β ( 2) 图4 撑杆机构的速度分析简图 举升滑道的速度分析简图如图5所示, 铰点犃 的速度可以表示为 狏 →  A=狏 → B+狏 →  A B ( 3) 根据式( 1)~(2) 可将铰点犃的速度进一步简 化为 狏 →  A=狏 →  D+狏 →  B D+狏 →  A B ( 4) 狏 →  A=  →  犛+犾4  → β+犾 5  → α ( 5) 图5 举升滑道的速度分析简图 根据图5可以将铰点犃的速度在狓、狔方向分 解为 ∑狏犃 狓=0 ∑狏 犃 狔 { =0 ( 6) 可得 狏犃c o s 5 0 =犛+犾4  β s i n β-犾 5  αs i nα 狏犃s i n 5 0 =犾4  β c o s β-犾 5  αc o s { α ( 7) 式中 β为撑杆机构与车架平移系统的夹角, 如图3 所示, 可以表示为 c o s β= 犾 2 1+犾 2 4 0-(犔0+犔) 2 2犾1犾4 0 ( 8) 当提升滑车采用匀速控制( 狏A恒定不变) , 撑杆 液压缸配合提升滑车的双液压马达动作, 用MAT  L A B软件求解式(7) , 线性拟合可以得到举升滑道 的空间位姿变化曲线, 如图6所示。 图6 举升滑道的空间位姿变化曲线 2. 3 举升滑道的空间位姿仿真 用A d a m s软件仿真[ 1 1]时, 举升滑道与水平面 的夹角α不易直接测量, 可以通过测量举升滑道与 撑杆机构的夹角γ、 撑杆机构与车架平移系统的夹 角β这2个角度而得到, 如图3所示。 α=γ-β ( 9) 在式( 9) 中γ和β与α相比是相对容易测量得 到的参数。因此, 需要建立2个测量点ME A_AN  G L E_1和ME A_ANG L E_2, 分 别 对 应 于 角度γ 与β。 根据建立的测量点ME A_ANG L E_ 1和ME A_ ANG L E_2, 即可得到α、 β和γ 的变化规律, 图7为 举升滑道倾角的变化曲线。 图7 举升滑道倾角的变化曲线 由图7可知 在0~8s时,γ角度变化较快, 翻 转臂组件的液压缸活塞杆缩回, 将举升滑道前端翻 转一定的角度, 因此举升滑道与撑杆机构的角度变 化较大; 相比而言, 在翻转臂组件的液压缸活塞杆动 作时, 撑杆机构的液压缸活塞杆并没有动作, 所以0 ~8s时, β角不变化; 随后2s为系统调整时间, γ 角与β角均保持现有值不变; 进入举升阶段时, 即1 0 ~ 8 3s, 提升滑车的双液压马达转动带动链轮沿着链 条向井口匀速爬行, 撑杆液压缸配合举升动作, 以保 证举升滑道在空间的姿态, 使得举升滑道与平台的夹 角平稳增加, 直至接近设计要求; 在最后7s中, 系统 调整空间位姿, 举升滑道倾角在1 8 范围内波动, 最终 在9 0s时稳定在1 8 . 0 0 45 , 符合设计要求。 2. 4 举升滑道的位置仿真 以举升滑道的CM_P o s i t i o n点为仿真位置点, 62 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 5年7月  仿真时间9 0s。举升滑道在同一个三维坐标下的举 升位移曲线如图8所示。 图8 举升滑道在同一三维坐标下的举升位移曲线 由图8可知 由于举升滑道只有在 狔  狕 平面运 动, 因此狓方向的位移没有变化; 狔方向从10 3 8 mm变化到85 6 5mm, 增加了75 2 7mm; 水平狕方 向由91 7 0mm增加到1 74 1 7mm, 其沿着车架平移 系统向井口移动了82 4 7mm。从曲线可以看出, 位 移变化平稳, 在9 0s后到达井口位置, 符合设计要求。 2. 5 举升滑道的速度仿真 举升滑道向上举升时其质心的速度曲线如图9 所示, 可以看出 举升滑道在狓方向并没有位移, 因 此全程速度为0; 在0~8s时, 翻板机构翻转举升滑 道, 举升滑道在竖直狔方向的速度迅速达到峰值 5 9. 3 1mm/s; 为了保证运动的稳定性, 速度又回落 至0; 在水平z方向, 翻转臂带动举升滑道在 狕  狔 平 面画了1个类弧, 其速度至-4 2. 5mm/s后反向沿 井口方向移动, 其移动速度至1 4. 5mm/s后回归至 0静止, 等待举升滑道的举升; 在举升前, 有2s的系 统准备时间, 待准备结束后, 在1 0~2 8s, 举升滑道 加速向上举升, 在竖直狔向上速度快速增加; 随后 在2 8~5 0s, 举升滑道在狔向上趋于匀速运动; 在快 要到达钻机平台高度时, 速度慢慢地降低, 直至达到 预定的位置, 保证了运动的平稳; 在1 0~8 8s期间, 举升滑道在水平狕方向是先加速后减速的运动, 最 大速度达到2 0 8. 6mm/s。 图9 举升滑道的质心运动速度曲线 举升滑道举升的速度曲线并没有突变, 每段都 比较平滑, 给予举升滑道在空间运动时充足的调整 时间, 可以准确而快速地达到井口指定位置, 符合当 初的设计要求。 3 结论 1) 通过举升系统空间位姿调整, 举升滑道与 水平面的夹角α在1 8 附近波动, 最终稳定在1 8 , 便 于吊卡夹持钻具, 符合设计要求。 2) 在举升滑道位移变化曲线中, 位移增量变 化平稳, 并在规定时间内将钻具输送到井口指定位 置, 达到了设计要求。 3) 举升滑道举升的速度变化比较平稳, 降低 了冲击载荷和整个举升滑道的振动, 验证了设计的 可行性。 参考文献 [1] D i c k i n s o nI I IB W O,D i c k i n s o nR W,N o r d l u n dR. M u l t i p l e l a t e r a l h y d r a u l i cd r i l l i n ga p p a r a t u sa n dm e t h  o dU. S .,62 0 61 1 2[P]. 2 0 0 1  0 3  2 7. [2] Q i n gW,Q a n gZ,Y u nX. E v a l u a t i o nf o rE n e r g yS a v i n g E f f e c ta n dS i m u l a t i o nR e s e a r c ho nE n e r g yS a v i n go f H y d r a u l i cS y s t e mi n H y b r i dC o n s t r u c t i o n M a c h i n e r y [J]. C h i n e s eJ o u r n a lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,2 0 0 5 (1 2) 3 1. [3] H a r r i sD,P e y o nA. N e wd e v e l o p m e n t si nt h em e c h a  n i z e dr u n n i n go f t u b u l a r[C] / /S P E/I A D CM i d d l eE a s t d r i l l i n gt e c h n o l o g y . S y m p o s i u m,1 9 9 93 6 3  3 7 1. [4] 董树文, 李廷栋, 陈宣华, 等.我国深部探测技术与实验 研究 进 展 综 述 [J].地 球 物 理 学 报,2 0 1 3,5 5(1 2) 3 8 8 4  3 9 0 1. [5] 赵淑兰, 李文彪, 聂永晋, 等.动力猫道技术国内外现状 和发展趋势[J].石油矿场机械, 2 0 1 0,3 9(2) 1 3  1 5. [6] 牛文杰.陆地钻机钻具自动运移装置研制[J].重型机 械, 2 0 1 2(6) 9  1 2. [7] 张春鹏, 孙友宏, 王清岩, 等.全液压钻具自动出槽装 置 中国, 2 0 1 2 2 0 7 3 4 0 5 4. 7[P]. 2 0 1 3  0 7  1 0. [8] 孙友宏, 吕兰, 于萍, 等.深井钻机全液压自动钻具输运 装置 中国, 2 0 1 2 1 0 4 8 2 6 8 8. 2[P]. 2 0 1 4  0 7  1 6. [9] 张伟, 任建庭, 高冬东.石油钻机自动送钻监控技术的 现状与发展趋势[J].石油机械, 2 0 1 0(5) 8 7  9 1. [1 0] 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学I[M].北 京 高等教育出版社, 2 0 0 2. [1 1] 郑建荣. A D AM S虚拟样机技术入门与提高[M].北 京 机械工业出版社, 2 0 0 2. 72 第4 4卷 第7期 谭志松, 等 全液压自动猫道举升系统运动学分析 
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