貓道機踢出裝置同步問題的探討

李友興董宗正劉永勝樊春明

（1.國家油氣鉆井裝備工程技術中心 成都610052；2.寶雞石油機械有限責任公司 寶雞721000；3.西南石油大學機電工程學院 成都610500）

貓道機踢出裝置同步問題的探討

李友興1，2董宗正3劉永勝1，2樊春明1，2

（1.國家油氣鉆井裝備工程技術中心 成都610052；2.寶雞石油機械有限責任公司 寶雞721000；3.西南石油大學機電工程學院 成都610500）

針對調試試驗出現的踢出裝置不同步問題，從原理和工況兩個方面分析原因，建立壓力損失數學模型并進行計算，通過對比評估影響因素的影響程度；分析并提出管路等長、增大管徑、加裝分流集流閥等三種解決方案；運用AMESim軟件仿真與數值分析兩種方法對比分析不同方案的同步效果并進行了實驗驗證。結果表明加裝分流閥是解決踢出裝置同步問題有效途徑之一，AMESim能用于液壓系統性能分析，且方便快捷、可靠性高。

貓道機；踢出裝置；同步；AMESim軟件

引 言

管柱自動化處理系統在鉆井作業中，能將管狀類鉆具（鉆桿、鉆鋌、套管等）由鉆井平臺甲板或鉆桿排放架自動傳送至鉆臺，在鉆井作業結束時再將管具輸送至甲板或地面排放架［1］。貓道機是管柱自動化處理系統的重要組成部分，提高該裝置的工作效率是提升管柱自動化處理系統工作效率的重要途徑之一［2-3］。目前，國外的貓道機主要有固定式、舉升式、機械手臂等三種形式，國內諸多單位也根據我國鉆修井的實際情況，研發了多種型號的貓道機。

貓道機主要是完成送管柱上升至鉆臺面及送管柱下放到排管架兩個過程。在送管柱下放作業時，貓道機的踢出裝置將管柱踢至貓道上的傾斜機構，而由于踢出裝置的兩個液壓缸間不同步問題會導致管柱無法順利踢出，進而使整個管柱自動化處理系統工作停滯，甚至可能造成管柱損傷以及其他無法預測的危險。因此，分析研究貓道機踢出裝置不同步的影響因素，并提出有效的解決方案，解決其同步問題，對提高貓道機工作效率從而降低鉆修井的成本有重要意義。

圖1為某石油裝備公司設計的應用于海洋浮式平臺的某型號貓道機。

圖1 貓道機工作狀態示意圖

在完成生產后，進行了貓道機廠內試驗，出現以下情況：

（1）踢出裝置的兩只踢出液壓缸活塞桿一前一后伸出，踢出時管柱出現偏斜；

（2）離液壓源較遠端的踢出液壓缸無法將管柱踢出V形槽，或踢出后管柱又滑落回V形槽。

踢出裝置油路參數及測試結果如表1所示。測試結果表明踢出裝置出現嚴重的不同步問題。為解決該問題，首先應進行問題分析，然后計算壓力損失并提出解決方案。

表1 性能測試記錄

1 問題分析與計算

針對上述提出的不同步問題，現從工作原理和工況進行分析、計算，并加以說明，找出不同步的原因。

從工作原理上分析，踢出裝置總成圖如圖2所示。管柱落于V形槽中，在兩個踢出裝置的液壓缸的驅動下，連桿自左下方至右上方運動，踢出管柱，沿支撐面滾動至排管架。

圖2 踢出裝置總成圖

貓道機的踢出裝置由兩只液壓缸驅動共同完成踢出動作。踢出裝置部分的液壓原理圖如圖3所示。

圖3 踢出裝置液壓原理圖

從原理上分析，踢出裝置兩液壓缸之間相距4 800 mm，液壓管路較長可能存在較大的壓力損失，從而導致兩只液壓缸壓力不同，使作用力大小不同。可以計算壓力損失，并與負載所需的壓力進行比較，從而評估壓力損失的影響程度。

從工況上分析，理想的工況是兩液壓缸施加于管柱的作用力大小相等、方向一致且同時作用。這就要求：

（1）踢出時要求管柱的質心處于兩液壓缸的中點位置（如圖4所示）。如不處于理想位置，則可能出現偏載。

圖4 管柱理想工作位置

（2）踢出裝置施加于管柱兩點之間力的大小和方向相同。

（3）兩個液壓缸活塞桿以相同速度伸出。但實際中管柱的工作位置靠操作人員的目測觀察判斷，很難做到管柱質心處于兩液壓缸中點位置。踢出裝置施加于管柱力的大小由液壓缸內油壓決定，力的方向由機構加工和裝配精度決定。兩個液壓缸相同速度伸出則要求兩個液壓缸流量和流速相同，兩個液壓缸及管路規格相同時流量由三通分配而來，則流量相同。

進而分析出影響因素為：壓力損失、管柱在踢出裝置的位置，以及踢出裝置兩個液壓缸內液壓油的壓力。

1.1 壓力損失模型及計算

壓力損失分為沿程壓力損失和局部壓力損失兩類。對于絕大部分貓道機的踢出裝置而言，其壓力損失包括這兩類壓力損失，計算公式可表述為：

1.1.1 沿程壓力損失

沿程壓力損失［4］指液體在直管中流動時因液體具有的粘性而產生的壓力損失，其計算公式為：

式中：ρ為液壓油密度，kg/m3；ν為管內液壓油的流速，m/s；λ為摩擦系數。

式中：q為油管流量，m3/s（1 m3/s=60×105L/min）；d為油管內徑，mm。

液壓油在油管內流動的形式不同，其摩擦系數計算方式也不相同。其流動形式主要包括兩種：當雷諾系數Re小于Recr時液壓油的流動狀態為層流，反之為紊流。層流與紊流其摩擦系數計算公式分別見式（4）和式（5）。

式中：雷諾系數Re可根據式（6）計算得到：

式中：r為液壓油的運動粘度，m2/s。

1.1.2 局部壓力損失模型

兩個液壓缸之間無液壓元件，局部損失只需計算兩缸之間的直角接頭即可，根據式（7）計算局部壓力損失：

式中：K為局部阻力系數。

第一次淬火時，淬火感應圈1的長直角邊5到齒圈2的倒角端面6的落差為3.5mm，加熱時間設定為5.8s，冷卻時間設定為10s，冷卻時間即噴水時間，也需要控制，時間短易出現屈氏體，甚至是噴水壓力也應該有效控制，通常壓力控制在0.3～0.45MPa，壓力小易導致淬火件金相組織不均勻，易出現屈氏體，降低金相等級。

代入q=80 L/min，d=12 mm，ρ=900 kg/m3，γ=46cst=46×10-6m2/s，K=0.3計算得：ν=11.79 m/s，Re=3 075，λ=4.248×10-2，ΣΔp=1.14 MPa。

1.2 壓力損失與負載所需壓力的比較

對貓道機的踢出裝置進行載荷分析，計算可得出液壓缸的負載，即踢出管柱所需要的力。踢出裝置的載荷分析如圖5所示。

圖5 踢出裝置載荷示意圖

經分析，液壓缸的壓力為：

式中液壓缸的負載Fp為：

式中：G為管柱的重力；L1～L4為力矩。

在壓力損失一定的情況下，驅動負載所需的液壓油壓力越小則壓力損失的影響越大。現按最不利的情況即最小負載進行分析、計算，貓道機適用的管柱中，取質量最小的鉆桿計算。

貓道機設計適用鉆柱的最小規格為鉆桿為2-7/8 EU。查API 5DP鉆桿規范，2-7/8 EU鉆桿的計算質量為16.25 kg/m，最小長度取第二類最短長度8.84 m，則最小鉆桿的質量為 143.65 kg。考慮到鉆桿接頭部分比鉆桿直徑大，因此增加5%的富裕量，則最短的2-7/8寸鉆桿的質量m為150.8 kg，重力G=150.8×9.8 N=1 477.8 N。

代入式（8）、式（9），可求得Fp=1 648.5N。

液壓缸規格YG63/35-60，在該負載下單只液壓缸的壓力為：

將數值代入式（10）求得p=0.53 MPa，則壓力損失1.14 MPa比液壓缸所需壓力0.53 MPa還大。對常用的5EU鉆桿，代入上式計算單只液壓缸的壓力為0.67 MPa。經分析計算，壓力損失因素對踢出裝置的不同步影響較大。

因此，兩個液壓缸的壓力損失差可能是造成踢出裝置不同步的主要因素。另外，據現場經驗，偏載（管柱不處于理想工位導致兩個液壓缸載荷不同）也是造成踢出裝置不同步的另一個重要原因。為消除這兩個因素對踢出裝置同步問題的影響，提出了以下解決方案。

2 改進方案

踢出裝置對同步精度要求不是特別高，同時希望改造簡單且成本低廉，因此不宜考慮同步馬達、伺服閥等高成本方案，針對性提出以下三種解決方案。

（1）油路等長。在局部損失相同的情況下，兩液壓缸的壓力損失差取決于沿程壓力損失，而沿程壓力損失在流速和管徑不變的情況下，由管路長度決定。但不可消除偏載帶來的影響。

（2）增大管徑。由沿程損失計算公式可知，在管路長度l、流速ν不變的情況下，增大油管直接d的可降低壓力損失差。根據《機械設計手冊》要求，壁厚可減至1.6 mm，則管徑增至14.8 mm。

d=14.8 mm代入公式計算，可得沿程損失為Δph=0.39 MPa，相比于原管徑的壓力損失減小63%，但不可消除偏載帶來的影響。

（3）加裝分流集流閥。分流集流閥可以使兩個或兩個以上的執行元件在承受不同載荷時仍能獲得相等（或成一定比例）的流量，從而實現執行元件的同步運動，因此也稱為同步閥。

為降低成本、提高效率，運用AMESim軟件對以上方案進行了仿真分析。

3 AMESim仿真分析

3.1 仿真模型建立

AMESim為多學科領域復雜系統建模仿真平臺，該平臺可建立復雜的多學科領域的系統模型并在此基礎上進行仿真計算和深入分析，也可以研究元件或系統的穩態和動態性能［5-8］。在不考慮其他外界因素影響影響的情況下，建立的原系統仿真分析模型，如圖6所示。

圖6 原系統仿真模型

AMESim仿真系統的基本參數見表2。負載用質量塊等效，用影響最大的規格為2-7/8 EU最 短鉆桿進行分析。為模擬偏載工況，將鉆桿質量設置成兩個質量塊，其質量比用以反映偏載的程度［9-10］。

方案1、方案2模型與原系統模型相同，只需分別調整管路長度和直徑的參數即可仿真。方案3需先建立分流閥模型，再構建整個系統模型（如圖7所示）。

圖7 方案3仿真模型

表2 仿真模型部分參數

3.2 仿真分析

3.2.1 原系統仿真分析

為分析、驗證兩個液壓缸的壓力損失差對踢出裝置同步的影響，在進行原系統仿真時，將鉆桿質量平均分配到兩個液壓缸上，即兩個質量塊的質量比為1∶1，其仿真結果如圖8、圖9所示（仿真模型左側液壓缸稱之為遠端液壓缸，右側液壓缸稱之為近端液壓缸）。圖中實線表示遠端液壓缸，點線表示近端液壓缸。

圖8 進油壓力—時間關系曲線

圖9 活塞位移-時間關系曲線

通過仿真分析得到的兩液壓缸壓力損失差約為1.13 MPa，與數值計算得出的1.14 MPa基本吻合，而兩個液壓缸確實存在運動不同步的問題，表明兩個液壓缸壓力差確實是造成不同步的原因之一。

3.2.2 優化方案仿真分析

管柱處于不同工位時仿真結果不同，故在進行三種優化方案仿真時，將兩個質量塊的比值與工位相對應，選取理想工位即質量比為1 ∶ 1、1 ∶ 1.5、1 ∶ 2這三種不同情況踢出裝置的同步性能。

仿真結果表明：方案1及方案2在管柱處于理想工位時踢出裝置同步性能良好，而管柱處在非理想工位（質量比為1 ∶ 1.5和1 ∶ 2）時，其同步性能較差。方案3不論管柱處在何種位置，兩個液壓缸的兩個活塞的速度基本相等，表明該方案具有良好的同步性能，圖10為質量比1 ∶ 2時兩個液壓缸位移-時間關系曲線。

圖10 活塞位移-時間關系曲線

3.3 同步性能實驗

依據仿真分析結果，按照方案3的技術方案對貓道機踢出裝置的液壓系統進行改裝并完成實驗，下頁圖11為現場實驗照片，部分實驗結果見下頁表3。

實驗結果表明：在貓道踢出裝置的液壓系統中加裝分流閥后，能夠保證兩個液壓缸的進油量相同，可有效避免壓力損失、偏載造成的不同步問題。

圖11 同步性能實驗

表3 同步性能實驗結果

4 結 論

（1）對于類似裝置同步問題可從原理和工況兩個方面尋找原因，并對影響因素進行計算和評估，然后對影響大的因素進行分析并提出改進方案，最后通過仿真和試驗驗證改進方案的效果。

（2）可通過數值計算和AMESim仿真分析影響因素的影響程度，兩者可以相互印證結果的準確性。

（3）AMESim軟件仿真結果與實際調試試驗結果基本吻合，為貓道機及其他液壓系統的性能分析、優化提供了一種更為直觀且高效的方法。

（4）分流集流閥能很好的消除兩個液壓缸之間的壓力損失差以及偏載對液壓缸同步動作的影響。安裝分流集流閥提升踢出裝置同步性能的方法也進而可推廣運用于其他液壓動力回路系統中。

［ 1 ］姜開勛.斜直井鉆機管子處理系統的設計與理論研究［D］.大慶：東北石油大學，2012.

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

［ 3 ］寇紅濤，崔建春，劉海偉，等.液壓動力鉆桿排放貓道設計與應用［J］.石油機械，2008（9）：29-35.

［ 4 ］袁子榮.液氣壓傳動與控制［M］.重慶：重慶大學出版社，2002：18-27

［ 5 ］蘇東海，孫占文.AMEsim仿真技術在電液位置同步系統中的應用［J］.液壓氣動與密封，2007（6）：13-16.

［ 6 ］金勝秋，成凱，王鵬宇.基于AMESim的液壓同步閥仿真分析及結構改進研究［J］.液壓與氣動，2009（9）：64-68.

［ 7 ］余佑官，龔國芳，胡國良.AMESim仿真技術及其在液壓系統中的應用［J］.液壓氣動與密封，2005（3）：28-31.

［ 8 ］付永領，祈曉野.AMESim系統建模與仿真［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006：32-48

［ 9 ］劉樹祥，郭常寧，王振.錨鏈絞車油缸排鏈同步分析［J］.船舶，2013（5）：80-83.

［10］楊夢婕.鉆井平臺散裝材料存儲及輸送系統設計［J］.船舶，2013（4）：23-26.

Discussion about synchronous issue of power catwalk's kick-out device

LI You-xing1,2DONG Zong-zheng3LIU Yong-sheng1,2FAN Chun-ming1,2
(1.National Oil and Gas Drilling Equipment Research Center, Chengdu 610052, China; 2.BaoJi Oilf eld Machinery Co.,Ltd., Baoji 721000, China; 3.Mechatronic Engineering College, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

The reasons possibly cause the asynchrony of kick-out facility during the debugging trials are analyzed from the two aspects of the fundamentals and operation conditions.The mathematical pressure loss model is established and calculated to evaluate the effect of the influence factors by comparison.It analyzes and puts forward the three different solutions including the equal pipe length, the enlargement of pipe diameter and the installation of flow distributing and collecting valve.The synchronization of three different solutions are compared and analyzed by AMESim software and numerical calculation, and are verified by experiments.The results indicate that the installation of the distributing valve is one of the effective ways to solve the synchrony problem for the kick-out facility.AMESim is convenient and reliable for the performance analysis of the hydraulic system.

power catwalk; kick-out facility; synchronization; AMESim(advanced modeling environment for performing simulation of engineering systems)

TE951

A

1001-9855（2016）06-0087-07

國家高技術研究發展計劃（863計劃）“深水鉆機與管柱自動化處理關鍵技術研究”（2012AA09A203）。

2016-07-29；

2016-09-09

李友興（1985-），男，碩士，工程師，研究方向：石油鉆采裝備的設計研究。董宗正（1986-），男，碩士，助理實驗師，研究方向：鉆頭及井下工具、計算機仿真CAD/CAE/CAM。劉永勝（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：石油鉆采裝備的設計研究。樊春明（1976-），男，高級工程師，研究方向：石油鉆采裝備的設計研究。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.06.087