夾持油管機械手機液聯合仿真分析

常玉連，朱寶鱗，高勝，王妍，劉麗雪

（東北石油大學，黑龍江大慶 163318）

目前，我國大多數修井機的工作方式都是使用吊卡起下管柱，自動化程度不高，工作過程繁瑣。獨立式不壓井修井機通過機械臂旋轉移運管柱，再由扶正升降系統完成油管的對中和輔助上卸扣過程。設計從提高自動化程度的角度出發，將機械臂和扶正升降系統上的機械手設計成通過液壓缸提供動力，可在一定范圍內抓取管柱，然后實現由機械臂移運管柱、起升系統夾緊管柱，保證待下放管柱中心與井口中管柱中心對中的操作，并且能在液壓鉗上卸扣時扶正管柱，防止管柱發生傾斜［1－2］。

本文分析計算了夾持油管機械手，根據機械手的工作參數要求，計算其基本液壓參數。通過ADAMS軟件建立機液耦合仿真模型，進行機械手夾緊油管過程的機液聯合仿真研究［3］。

1 功能和結構

如圖1所示，修井機在起下油管過程中主要工作系統有機械臂、扶正升降系統、不壓井舉升系統和液壓鉗。修井機在工作中需要把水平放置的油管立起，該項工作由機械臂完成，機械臂上裝有2個可以旋轉的夾持油管機械手。扶正升降系統主要用來實現管柱起下作業的自動化，扶正升降系統上端安裝的是扶正機械手，下端安裝的是夾持油管機械手。修井機下管時，機械臂上機械手通過液壓缸向左旋轉90°，抓取油管夾緊后，機械臂起升到豎直狀態，將豎直的油管放到扶正升降系統上機械手可以抓取的位置，扶正升降系統上機械手同時閉合抱住管柱，并由下端的夾持油管機械手夾緊管柱，機械臂上機械手張開移走，最后在扶正升降系統、不壓井起升系統和液壓鉗的共同配合下完成油管的對接。

機械臂上安裝的2個夾持油管機械手通過法蘭連接在旋轉軸的兩端，實現夾緊管柱防止管柱在重力作用下下滑的功能。扶正升降系統上2個機械手用來從大臂機械手中接送管柱，能夠完成管柱的扶正、夾持功能，可以順利地將待下放管柱與井口懸持的管柱中心對中。

如圖2所示，夾持油管機械手主要由手爪、襯套、卡牙板、連桿、T 形連桿、連接架和液壓缸組成。當對機械手液壓缸無桿腔供油，液壓缸缸筒、活塞缸同時向外移動，推動T 形連桿，帶動機械手連桿運動，T 形連桿、機械手連桿相對于機械手呈對稱分布，因為機械手連桿連接到機械手手爪上，從而帶動機械手手爪繞著旋轉軸轉動并且閉合，從而實現管柱夾緊功能。

圖1 修井機主要結構

圖2 夾持油管機械手

機械手主體結構包括后座、左卡爪、右卡爪。兩卡爪分別與后座鉸接，并相對于后座對稱。后座由后座殼體、襯套、卡牙組成。襯套通過螺栓連接在后座殼體上，根據抓取的不同管柱的直徑，可以更換不同的襯套，實現較大的抓取管柱直徑范圍。

卡爪由卡爪體、襯套和卡牙組成。卡爪襯套與后座襯套內徑相同。卡牙與襯套同樣通過燕尾槽連接，上下端通過擋塊固定。左右卡爪相互交錯閉合夾緊管柱。

扶正升降系統中扶正機械手使用的是油管套代替卡牙板實現扶正功能，卡牙板和油管套的區別不會影響仿真結果，扶正機械手和夾緊機械手的中心對中，液壓缸的壓力相同，功能相似，工序不同，因此只需對夾緊機械手即夾持油管機械手進行機液聯合仿真。

扶正升降系統上的夾持油管機械手和機械臂上2個夾持油管機械手參數相同，只是扶正升降系統上機械手后座是固定的，機械臂上2個機械手通過法蘭連接在旋轉軸的兩端。因此，仿真過程中只分析扶正升降系統上的夾持油管機械手，也可以說明機械臂上機械手的開合情況和夾持油管時工作狀態。

2 液壓系統和控制函數

在機械臂起升系統中，機械臂起升到豎直位置時，為避免管柱下滑需要機械手提供的夾持力最大，管柱的重力由機械臂上2個夾持油管機械手共同承擔。在扶正升降系統中，兩機械手在工作過程中一個起扶正作用，另一個起夾緊作用，則管柱的重力主要由夾緊機械手來平衡。這樣，扶正升降系統中夾緊機械手的載荷最大，按最大載荷分析機械手工作過程。

如圖3所示，在卡牙與油管模型中，P為垂直于油管表面的載荷；Q為軸向載荷，平行于油管軸線；θ1為齒前角；θ2為齒后角。將阻止油管沿軸向下滑的阻力與正壓力的比值稱為當量摩擦因數，記作fd＝Q／P。當量摩擦因數只與齒前角有關，機械手上牙板齒前角θ1＝30°，則fd＝1.2［4］，Q 等于油管重力1860N，因此P＝1550N，需要夾緊機械手提供至少1550 N的正壓力。在機械手夾緊油管的位置，根據力矩平衡原理，計算得出需要液壓缸推力大小為1600N。按照安全系數2.5分析，液壓缸推力F＝4000N。機械手液壓缸缸徑是40mm，則壓力p＝3.2MPa［5］。

如圖4所示，在ADAMS／Hydraulics中建立液壓系統回路，通過液壓缸的I、J Marker點（液壓缸產生的力的作用點）將液壓系統與機械系統聯合，實現機液聯合仿真。夾緊機械手的液壓系統包括：液壓源、溢流閥、單向閥、油箱、三位四通換向閥、液壓缸和3個二通連接器。液壓缸的機械控制通過換向閥的控制函數實現相應功能，三位四通換向閥的控制函數為：step（time，0，0，0.1，1）＋step（time，3，0，3.1，－2）［6］。

圖3 卡牙卡油管

圖4 夾持油管機械手液壓回路

3 仿真分析

在ADAMS／View 中完成虛擬樣機的建立后，就可以開始仿真分析，仿真分析前模型處于初始位置，兩機械手爪張開到最大角度，活塞桿位移為零。本文主要分析了機械手的開合角度、液壓缸的驅動力及液壓缸A、B 口的流量等，如圖5～8所示。仿真時間為4s，步數400步。

圖5 液壓缸行程

圖6 扶正機械手開合角度

圖7 液壓缸的驅動力

圖8 液壓缸A、B口的流量

1）圖6為機械手左右手爪指尖與管柱中心構成夾角的變化曲線，最大角度為88.05°，包住管柱夾角大小為52.68°，在液壓缸行程100mm 內能夠抱住管柱。

2）圖7為液壓缸的驅動力曲線，機械手夾緊油管時液壓缸驅動力為4000N，在3.2 MPa的壓力下3s后機械手張開，張開后液壓缸拉力為2921 N，滿足設計要求，可以夾緊管柱。

3）圖8為液壓缸A、B口的流量，仿真中0～3 s液壓泵壓力為3.2MPa，液壓缸A 腔進油，B腔排油，由于活塞桿第1次到達最大行程位置后產生震動，液壓缸A、B口的流量發生波動，穩定后A、B 口的流量為0，此時機械手閉合夾緊。仿真3～4s換向閥換向，液壓泵壓力為3.2 MPa，液壓缸A 腔排油，B腔進油，由于換向壓力變化較大，因而A、B 口的流量變化也較大，機械手完全張開穩定后，A、B口的流量變為0。通過曲線分析，流量正常［7］。

4 結語

通過虛擬樣機技術對獨立式不壓井修井機上扶正升降系統和機械臂上夾持油管機械手的機液聯合進行仿真分析，得出在該壓力狀態下機械手的工作狀態。通過分析看出：機械手在該壓力條件下能夠實現夾緊管柱的功能，機械手開合角度滿足夾持油管的條件。本文是對機械手在理想工作狀態下分析的，實際中兩機械手工作過程不一定同步，但不影響機械手扶正和夾持管柱的效果，分析結果為夾持油管機械手的生產設計提供了依據。

［1］常玉連，魏靜，高勝，等.獨立式不壓井作業裝備技術發展［J］.石油礦場機械，2011，40（4）：12－16.

［2］常玉連，田美，高勝，等.車載式修井機井口對中裝置設計與分析［J］.石油礦場機械，2012，41（3）：28－30.

［3］肖易萍，常玉連.扶正機械手推送油管的機液聯合仿真分析［J］.石油礦場機械，2011，40（2）：51－54.

［4］張有志，王亞力，王德彬.鉆桿卡瓦牙板齒形設計的試驗研究［J］.鉆井設備，1981（3）：12－16.

［5］劉慶，齊明俠，李夯.鉆機起升系統動態特性仿真模型初步研究［J］.石油礦場機械，2008，37（2）：62－65.

［6］李增剛.ADAMS入門詳解與實例［M］.北京：國防工業出版社，2006.

［7］任福深，王威，劉曄，等.基于AMESim的齒輪齒條鉆機動力頭起升裝置液壓系統仿真分析［J］.石油礦場機械，2012，41（5）：14－17.