自動卡瓦裝置提升機構仿真分析

何 畏,常海軍,鄭華林

(西南石油大學機電工程學院,成都610500)

自動卡瓦裝置提升機構仿真分析

何 畏,常海軍,鄭華林

(西南石油大學機電工程學院,成都610500)

介紹了一種四連桿機構自動卡瓦裝置,運用Pro/E對其四連桿提升機構進行了運動仿真分析,可對優化設計方案提供借鑒。

自動卡瓦;四連桿機構;運動仿真

目前,國內油氣田大部分卡瓦裝置都是通過操作人員的外力和卡瓦自重來實現卡瓦體的升降,自動化程度低,安全性能差,工人勞動強度大。卡瓦機械化提放一直是鉆井設備的研究課題之一[1]。本文給出的一種自動卡瓦裝置采用四連桿機構,可以很方便地實現卡瓦機構的上、下運動。

1 卡瓦提升機構及工作原理

圖1為一種自動卡瓦裝置[2-3],該裝置底座為U形結構,在開口端兩側裝有液壓裝置(油缸),采用四連桿機構,連桿下端與底座支撐盤連接,油缸帶動連桿機構運動,實現卡瓦的提升和下放。卡瓦下行由油缸拉力和卡瓦體自重及套管(或鉆桿)與卡瓦體摩擦力共同作用;上行由油缸推力和套管(或鉆桿)與卡瓦體摩擦力作用。油缸的動作由司鉆操作臺控制閥進行控制。

2 連桿機構運動仿真

對連桿機構進行運動仿真,可以得到各連桿位移、速度、加速度等;對機構進行動力學仿真,可以反映出各個連接處的作用力。因此,可以通過改變油缸相關運動參數,對機構運動特性進行分析來確定優化設計方案。

圖1 自動卡瓦裝置

2.1 仿真模型

利用Pro/E[4]對連桿機構進行建模,卡瓦提升機構簡化模型如圖2。

圖2 卡瓦提升機構簡化模型

采用Pro/E的Mechanism模塊,主要通過3個步驟進行機構的運動仿真。

a) 在機構模型上建立伺服馬達,使機構產生一定形式的運動。

b) 對1個機構進行運動分析,產生可視化的機構運動過程,保存運動分析結果。

c) 進行分析測量,得到分析測量圖形,并輸出分析結果。

在該模型中,平行的2根長連桿底端與底座支撐盤連接,即連接1和連接2為固定鉸鏈連接,連接3和連接4為活動鉸鏈。油缸與平行的2根長連桿連接。連桿末端即載荷點與卡瓦塊相連接(初始條件為連桿末端載荷215 kN)。卡瓦塊結構在這里不做討論。

2.2 仿真結果分析

在油缸上連接1臺伺服電機,建立整個連桿機構運動的可視化運動過程。通過運動仿真,得到與卡瓦體相連接的連桿末端的運動軌跡曲線(如圖2)。從運動軌跡可以看出,該自動卡瓦裝置能夠很好地在提升鉆柱時實現卡瓦楔體的自動松開,并在提升到一定高度時與鉆柱保持有足夠的間隙,使之不發生摩擦碰撞。

Pro/E分析模塊中的質量特性分析功能為剛體質量特性參數的確定提供了簡便有效的方法。對于所建立的三維實體模型,只需定義其材料屬性和材料密度,用質量特性分析模塊就可以得到轉動慣量矩陣等剛體質量特性參數。在確定了零件材料、密度和彈性模量等參數,并對機構中每一個零件進行定義后,就可以對機構進行動力學仿真分析。

為了保證計算結果準確可靠,對用Pro/E計算得到的零件質量和實測的零件質量進行比較,若二者之間有較大誤差(Pro/E模型和實物存在形狀差異),可以通過修改該零件材質文件中的密度進行調整,直到零件質量在允許的誤差范圍內。

通過動力學仿真,得到在初始條件下卡瓦塊上行時連桿機構各連接處的反作用力,如圖3。

圖3 卡瓦連桿機構連接處反作用力

3 結論

1) 該卡瓦裝置采用四連桿機構實現了卡瓦體上、下運動,操作簡單方便。

2) 該裝置安裝方便,質量輕,安全系數高。

3) 運用Pro/E進行機構運動仿真,可使機構運動可視化,且整個仿真過程精確、高效,對優化設計方案、縮短產品開發周期、提高產品質量和性能有借鑒作用。

[1] 張寶增,王瑞和.修井作業中的自動起下管柱系統探討[J].石油礦場機械,2007,36(4):22-25.

[2] 宿官禮.鉆井動力卡瓦的結構設計[J].石油礦場機械,2004,33(增刊):134-137.

[3] 姜建勝,林 立,丁建林.石油鉆機多功能鉆桿氣動卡瓦的設計及應用[J].液壓與氣動,2005(3):33-35.

[4] 和青芳,徐 征.Pro/Engineer Wildfire產品設計與機構動力學分析[M].北京:機械工業出版社,2004.

Simulation Analysis of Power Slip Lifting Mechanism

HE Wei,CHANG Hai-jun,ZHENG Hua-lin
(College of Mechanical and Electrical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China)

A power slip equipment was introduced,using Pro/E to analyze a kinematical simulation for the lifting mechanism.This could be the reference for optimization design.

power slip;four-link;kinematical simulation

1001-3482(2010)01-0043-02

TE921.9

B

2009-08-25

四川省科技支撐項目(09ZC0429)

何 畏(1961-),男,四川南充人,副教授,主要從事石油鉆采設備的設計與教學工作。