全液壓自動貓道翻板機構動力學仿真分析*

□ 李艷嬌 □ 于 萍 □ 譚志松 □ 張 鵬

吉林大學 機械科學與工程學院 長春 130025

當前，國內井場鉆井平臺作業施工中，鉆具上下鉆臺過程仍以人工操作為主，其勞動強度大而且不安全，不能滿足石油鉆井、大陸科學鉆探等頻繁上下鉆桿的要求［1］。為此，結合我國深部大陸科學鉆探的施工要求，筆者自主研發了全液壓自動貓道。翻板機構是全液壓自動貓道的重要組成部分，其作用是將鉆桿從平臺平面翻轉到舉升滑道內，通過調整液壓缸桿的伸出速度，使鉆桿平穩地進入舉升滑道內［2］。

1 翻板機構機構設計

翻板機構模型簡圖如圖1、圖2所示，由圖可知翻板機構的工作原理是：當鉆桿被平臺上的擋銷擋住，停放在平臺上初始速度為零（或者具有一定的初速度）時，翻板機構開始運動，靠近舉升滑道側的液壓缸1保持壓力不動，起到旋轉支點的作用。控制靠近平臺側的液壓缸2，使其液壓缸桿伸出，將翻板組件繞著液壓缸1的支點旋轉，通過控制液壓缸2的流量，從而控制翻板組件的翻轉角度，使鉆桿通過翻板組件的速度保持穩定，從而平穩的滾落［3］。

2 翻板機構運動學仿真

鉆桿在翻板機構上面滾落時，必須繞過平臺上的擋銷，這給鉆桿滾落增加難度，因而對鉆桿滾落速度的控制，也就是對翻板機構中的液壓缸起升的控制顯得尤為重要［4］，針對不同的鉆桿翻板機構驅動函數的確定、鉆桿滾落速度、鉆桿與翻板機構的接觸力的測量，這些數據將為實際調試過程提供理論依據。

2．1 翻板機構仿真模型

利用ADAMS軟件，建立翻板機構仿真模型，如圖3、圖4所示，在翻板機構翻轉時，對不同型號的鉆桿進行分析，從而得到鉆桿運動過程中的受力以及運動曲線［5］。

▲圖2 翻板機構運動示意圖

▲圖4 翻板機構局部仿真模型

2．2 翻板機構仿真曲線

對直徑為114、127、146mm3種型號的鉆桿進行運動學及動力學仿真并比較分析，總結出適合鉆桿的驅動函數，從而提高輸送鉆桿的能力。

針對114鉆桿進行仿真分析，測出鉆桿的運動質心速度變化。設定驅動函數為STEP（time，0，15，0．5 ， 20 ）+STEP （time ， 0．5 ， 0 ， 1 ，10 ）+STEP（time，1，-20，5，-30）。

由圖5曲線可知，在t=4．414s時，鉆桿的速度為704mm/s，即鉆桿滾離平臺的時間和速度。

圖6與圖7所示為鉆桿與翻版機構碰撞力示意圖，鉆桿與翻板機構接觸力呈震蕩曲線變化，當速度變大后，鉆桿與翻板機構之間的碰撞越嚴重，所以在保證時間的基礎上，要控制鉆桿滾落速度。

針對127鉆桿，當設定127鉆桿的驅動函數與114鉆桿相同時，127鉆桿會被擋銷擋住，因而改變驅動函數為 STEP （time，0，5，0．5，15）+STEP（time，0．5，0，1，15）+STEP（time，1，-20，5，-30），此時鉆桿可以順利繞過擋銷，滾過翻板機構，圖8為127鉆桿質心速度變化曲線示意圖。

▲圖5 114鉆桿質心速度曲線

▲圖6 114鉆桿與翻板機構1碰撞力曲線

▲圖7 114鉆桿與翻板機構2碰撞力曲線

▲圖8 127鉆桿質心速度變化曲線

▲圖9 127鉆桿與翻板機構1接觸力曲線

▲圖10 127鉆桿與翻板機構2接觸力曲線

▲圖11146鉆桿質心速度曲線

▲圖12 146鉆桿與翻板機構1接觸力曲線圖

▲圖13 146鉆桿與翻板機構2接觸力曲線圖

由圖8可知，鉆桿在t=3．455s時滾離翻板機構，此時的速度為1184mm/s，鉆桿滾落速度較平穩。

由圖9與圖10可知，127鉆桿與翻板機構接觸力呈波動變化，鉆桿與翻板機構之間運動為滾動，隨著速度增大，振動的幅度也在增大。

針對146鉆桿，設定驅動函數STEP（time，0，10 ， 0．3 ，20 ）+STEP（time， 0．3，0 ， 1 ， 10 ）+STEP（time，1，0，3，0）+STEP（time，3，-20，7，-30）時，由圖11可知，鉆桿在t=3．5s之前運動較平穩，3．5s以后鉆桿在重力作用下速度線性增長，當t=4．98s時，鉆桿脫離翻板機構時的速度為1035mm/s。

由圖12與圖13可知，翻板機構受力較平穩，但是在個別時間點會出現碰撞現象。

通過對114、127、1463種常用的鉆桿進行運動學與動力學分析，觀察比較114鉆桿與127鉆桿的滾落時間可知：隨著鉆桿直徑的增大，鉆桿質量以及鉆桿在翻板機構上的滾落速度也隨之增大。從而在控制翻板機構舉升速度時，要根據不同的鉆桿而定。通過對114、127鉆桿與146鉆桿速度之間的比較，由于146鉆桿質量較大，從而導致鉆桿在翻板機構上滾落速度是很快的，要通過調整驅動函數來減慢146鉆桿的滾落速度。

3 結論

（1）通過控制液壓缸活塞桿的驅動速度得到適合鉆桿滾落的驅動函數，在保證時間的前提下，使直徑為114、127、147mm的3種鉆桿在翻板機構上面的滾落速度減小。

（2）通過鉆桿與翻板機構的接觸力曲線以及翻板機構1與翻板機構2所受到的接觸力之間進行比較，得到結論：鉆桿與翻板機構之間接觸力曲線呈波動并存在碰撞現象，翻板機構1與翻板機構2所受到的接觸力曲線大體相同，但是存在個別沖擊現象。

［1］ 趙淑蘭．動力貓道技術國內外現狀和發展趨勢［J］．石油礦場機械，2010，39（2）：13-15．

［2］ 尹曉麗．鉆桿自動傳送系統及設計方案［J］．石油礦場機械，2009，38（7）：42-46．

［3］ 寇紅濤．液壓動力鉆桿排放貓道設計及應用［J］．石油機械，2008，36（9）:29-30．

［4］ 劉承建．液壓貓道裝置［P］．中國專利：CN101761313A，2010-06-30．

［5］ 鄭建榮．ADAMS虛擬樣機技術入門與提高［M］．北京：機械工業出版社，2007．