修井作業V型管槽的受力仿真分析

李艷輝 姜義 董玉鋒 汪進

摘 要：文中介紹了油管運移自動化系統，分析了油管沿V型管槽下滑的影響因素與結果，這為油管運移裝置的設計提供了理論依據。

關鍵詞：修井 管柱運移 V型管槽

中圖分類號：TE935 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（c）-0122-02

隨著現代機械向高速度、高精度、輕質和大型化發展，其構件的柔性顯著增加，影響了機械的整體運動和系統的動態特性。單純從剛體角度來考慮，已經不能滿足機械系統動力學的精度要求。為了使所建立的模型較準確的反應原機構系統的特性，必須把該模型的部分構件做成可以產生變形的柔性體來處理，也就是剛—柔混合建模，才能更準確、更真實的反映原機構系統的動態特性[1]。

本文中的V型管槽是油管運移自動化系統的關鍵部位，在對該自動化系統作動力學特性研究時，如果將V型管槽當作剛性體來處理，在作運動分析時會得到一些動力學特性，但剛性體不會產生彈性變形，則不能真實、準確的反映油管運移自動化系統的動力學特性。因為在實際過程中，當油管下放到V型管槽中時，V型管槽會受到較大的沖擊力，而且還會承受自身的重力，或者當油管完全進入V型管槽后，管槽沿滑道后退，V型管槽會受到較大的自身重力和單根油管的重量，V型管槽在受力后會發生變形和位移變化。因此，它的運動仿真分析就顯得至關重要。本文采用三維造型軟件Solidworks、有限元計算軟件Ansys和多體系統動力學仿真軟件Adams聯合仿真來完成V型管槽的柔性運動仿真分析[2]。

1 油管運移自動化系統

如圖1所示，油管運移自動化系統主要由底座、交剪支撐垂直起升裝置、升降平臺、斜起升裝置、滑道、V型管槽等幾部分組成。該裝置的平臺升降機構主要采用先進的雙剪叉升降平臺結構，一端為固定端，另一端為自由端，由液壓缸控制，可使工作平臺靜止在0.65～1.8 m的任意高度。斜撐機構作為滑道的載體，一端與升降平臺鉸接，另一端與液壓缸相連，最大起升高度可達1.6 m，最大傾斜角為12°。V型管槽進退主要是在液壓缸的控制下，實現管槽前進與后退，將管柱準確送至井口處。

該油管運移自動化系統的作業過程分為以下三個步驟。

（1）起升管柱：將升降平臺處于收攏狀態，同時由工人推動管排架上的一個管柱，使管柱恰好在V型槽上方，在液壓缸控制下，升降平臺起升，管柱落入V型管槽中。

（2）斜起管柱：在升降平臺起升到最大高度時，在液壓缸控制下斜撐機構開始工作，使得管柱傾斜一定角度，以便前送管柱，實現送管作業。

（3）前送管柱：管槽沿滑道前進，使得管柱和作業平臺有一個相同的定位基準，保證管柱的對中移送到指定的位置，完成接送管柱任務。然后逆向運動，退回到初始位置，準備下根管柱作業。回送管柱則是上述流程的逆過程。

2 虛擬樣機模型的建立

利用有限元軟件Ansys對V型管槽進行柔性處理，以實體單元solid 45來對V型管槽進行網格劃分，生成柔性體V型管槽，然后利用Adams connection模塊輸出V型管槽的模態中性文件。將其導入到多體動力學仿真軟件Adams中，該柔性體與模型中其它零件沒有任何聯系，可以通過運動副約束或柔性連接將其連接起來，值得注意的是，由于不能直接在柔性體上添加柔性聯接、移動副或平面內運動虛約束等類似的約束，需要通過一個無質量聯接物體將零件連接起來，然后將約束施加在這個無質量聯接物體上。所以將一個無質量的V型管槽與V型管槽的柔性體連接在一起，在無質量的V型管槽上添加相應的約束以及運動激勵，并對其它剛性構件添加相應約束，在Adams中完成V型管槽虛擬樣機模型的建立，如圖2所示。

3 油管下放過程仿真分析

在Adams中完成剛—柔耦合模型的建立后，開始進行仿真，針對油管的重量不同，油管下放的速度不同，以及V型管槽懸空的長度不同，分別對柔性V型管槽進行動力學仿真研究。

（1）不同重量的油管與V型管槽的接觸碰撞仿真分析。

取尺寸為27/8in的油管（最重約121 kg）及尺寸最大的油管41/2in的油管（最重約200 kg）做與V型管槽的接觸碰撞仿真分析。仿真結果表明，對于27/8in油管，油管接觸V型管槽的瞬間，碰撞力激增到9039 N，之后慢慢減小，由于V型管槽具有一定柔性，油管受到彈力的影響，導致油管瞬間彈起，出現二次碰撞，然后慢慢趨于平穩，經過6 s后，碰撞力出現小幅度的波動，9.7 s后，油管從V型管槽過渡到滑道，出現幾次較大碰撞力后，慢慢趨于穩定。隨著油管重量的增加，除第一次碰撞時產生的碰撞力明顯增大外，其余各次碰撞產生的碰撞力變化很小，各次碰撞發生的時間和產生的大小出現無規律性，隨著油管的重量的增加對油管的運動特性影響不大。

（2）不同的油管下放速度與V型管槽的變形量仿真分析。

油管分別以372 mm/s、465 mm/s、620 mm/s的速度下放，仿真結果表明，油管與V型管槽第一次發生碰撞時，受到較大的碰撞力，柔性V型管槽會發生彈性振動，位移最大變化量為0.96 mm，并且振動慢慢減小，當油管運動經過左端固定副時，會出現二次振動，彈性振動出現無規律性，且振動慢慢減小，最后趨于平衡。油管以不同的速度下放，對V型管槽的末端點垂直方向上的位移變化量影響不大，但隨著油管下放的速度越來越大，彈性振動持續的時間越來越長。

（3）不同V型管槽懸空長度與其變形量仿真分析。

分別對V型管槽懸空2 m、2.5 m、3 m進行仿真分析，結果表明，V型管槽末端點的位移最大變化量依次為0.96 mm、1.84 mm、4.16 mm。彈性振動慢慢減小，且呈現無規律性，最后趨于平衡。V型管槽的懸空長度不同，對V型管槽的末端點垂直方向上的位移變化量有較大的影響，對彈性振動持續的時間影響不大。

4 結語

本文采用三維造型軟件Solidworks、有限元計算軟件Ansys和多體系統動力學仿真軟件Adams聯合仿真方法對V型管槽油管下放過程進行了仿真分析，研究了油管重量的不同、下放速度的不同以及V型管槽懸空長度的不同，對V型管槽的運動特性的影響，分析結果有利于改進和完善管柱運移機構的設計。

參考文獻

[1] 張策，黃永強，王子良，等.彈性連桿機構的分析與設計[M].機械工業出版社，1996.

[2] 王毅，吳立言，劉更.機械系統的剛-柔耦合模型建模方法研究[J].系統仿真學報，2007，19（20）：4708-4710.