基于ADAMS的機(jī)械式內(nèi)割刀切割失效影響研究

金　高，劉旭輝，吳　晗，程　亮，何　良，張　廷

(1. 長(zhǎng)江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.湖北省油氣鉆完井工具工程技術(shù)研究中心，湖北 荊州434023；3.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430100；4.中石化石油機(jī)械股份有限公司第四機(jī)械廠(chǎng)，湖北 荊州 434024)

0　引言

隨著石油工業(yè)的飛速發(fā)展，到2020 年，我國(guó)大量的海洋石油平臺(tái)將超過(guò)服務(wù)年限，需要進(jìn)行廢棄處理[1-3]。海洋平臺(tái)的拆除離不開(kāi)切割技術(shù)，其中，機(jī)械切割是1種常用且相對(duì)有效的切割方式。機(jī)械切割優(yōu)點(diǎn)很多，但現(xiàn)有的技術(shù)手段與十幾年前差別不大，存在許多不足之處。機(jī)械割刀對(duì)于切割多層套管切割效率較低、切割時(shí)振動(dòng)較大、刀具容易偏心，造成磨損甚至折斷[4]。對(duì)切割工具進(jìn)行深入研究，降低刀具振動(dòng)具有重要意義。

現(xiàn)有的切割工具有很多，尤其是針對(duì)深海套管切割工具的研發(fā)更是近幾年來(lái)的研究熱點(diǎn)。Erik van Steveninck和Jim Manson[5]對(duì)連續(xù)油管機(jī)械式割刀應(yīng)用在鉆桿回收技術(shù)進(jìn)行研究；Recep Yigit和Erdal Celik等[6]對(duì)涂層和未涂層的切削刀具在切削球墨鑄鐵時(shí)的切削性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；Robert Macfarlane和Brian Schwanitz等[7]對(duì)新的機(jī)械管道切割機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試表明在采用研磨的方式進(jìn)行切割時(shí)，能產(chǎn)生光滑的斜面，消除拋光的需要，同時(shí)切割頭的設(shè)計(jì)可以防止粘附卡住的趨勢(shì)；S. Schuldt和 G.Arnold等[8]提出了通過(guò)時(shí)間控制旋轉(zhuǎn)的方法來(lái)研究刀片的磨損和切割能力；Julio Ramon Mayol和Grant John MacKinlay等[9]設(shè)計(jì)新型切割機(jī)，通過(guò)對(duì)刀具的材料進(jìn)行改進(jìn)，降低切割表面上產(chǎn)生較低的點(diǎn)載荷，從而延長(zhǎng)使用壽命。國(guó)內(nèi)的研究更多的側(cè)重于切割工具的使用，結(jié)合施工情況總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，如顏生鵬[10]通過(guò)對(duì)鉆具組合進(jìn)行優(yōu)化提高應(yīng)用效果；劉海明和葉紅等[11]對(duì)連續(xù)油管機(jī)械切割技術(shù)在永25-11井的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。以上都是從切割工具的應(yīng)用或者是材料的角度對(duì)切割工具進(jìn)行研究。

根據(jù)割刀設(shè)備失效的情況，機(jī)械式內(nèi)割刀的主要失效形式是刀片的磨損和折斷[12]。針對(duì)這種問(wèn)題，本文從多體動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā)，研究鉆壓和轉(zhuǎn)速對(duì)割刀振動(dòng)的影響。求出最優(yōu)的鉆壓和轉(zhuǎn)速，給切割提供理論依據(jù)、提高切割效率、降低刀具的磨損并減小刀具折斷的可能。

1　多體動(dòng)力學(xué)理論

以機(jī)械式內(nèi)割刀為例，從多體動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)割刀切割時(shí)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析。約束多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程[13]的完整形式如下所示：

(1)

Φ(q,t)=0

(2)

(3)

(4)

上述多體動(dòng)力學(xué)方程給出了模型的位置、速度、加速度向量、時(shí)間、質(zhì)量矩陣、約束方程和外力等各種多體動(dòng)力學(xué)參數(shù)之間的函數(shù)相關(guān)量。針對(duì)具體的機(jī)械式內(nèi)割刀模型，利用上述方程，通過(guò)ADAMS軟件求解器對(duì)其進(jìn)行求解，即可得出模型的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和力的參數(shù)。下文當(dāng)中的數(shù)據(jù)即是用刀片角加速度、角速度和接觸力來(lái)分析刀片在不同鉆壓和轉(zhuǎn)速情況下的特性。

2　仿真模型的建立

1-下引錐；2-長(zhǎng)套筒；3-卡瓦；4-刀枕座；5-推刀塊； 6-刀片；7-銷(xiāo)軸；8-螺釘；9-中心軸；10-彈簧片； 11-止推環(huán)；12-卡瓦錐體；13-扶正塊圖1　ND-J114 型機(jī)械式內(nèi)割刀Fig.1　ND-J114 mechanical inner cutter

內(nèi)割刀的原始模型很復(fù)雜，需要進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。本文研究的是機(jī)械式內(nèi)割刀的切削過(guò)程，即在坐卡、中心軸下放之后，割刀隨著中心軸相對(duì)推刀塊向下運(yùn)動(dòng)，在碰到推刀塊的斜面后逐漸展開(kāi)，刀片刀尖接觸到套管后開(kāi)始切割。在這一過(guò)程中，起作用的零件有中心軸、推刀塊、止推環(huán)、刀枕座、刀片及其固定裝置[14]。省去其他零件，同時(shí)在Adams上通過(guò)布爾運(yùn)算把固定在心軸上用來(lái)約束刀片的連接件，包括彈簧片、刀片座、銷(xiāo)軸和螺釘?shù)榷荚O(shè)置成與心軸固定。由于3個(gè)推刀塊和止推環(huán)相對(duì)不動(dòng)，所以把這4個(gè)零件設(shè)置成1個(gè)整體。簡(jiǎn)化后的模型如圖2所示。

圖2　機(jī)械式內(nèi)割刀簡(jiǎn)化模型Fig.2　Simplified model of mechanical internal cutter

3　動(dòng)力學(xué)仿真模擬

3.1　定義材料屬性

刀片材料為普通高速工具鋼，石油套管為J55號(hào)碳鋼。對(duì)于其他零件的材料，選用45號(hào)鋼。割刀與套管之間摩擦副的材料屬于鋼對(duì)鋼，參照機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[15]，選靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)分別為0.14和0.09。割刀從展開(kāi)到切削套管的過(guò)程中，割刀依次與推刀塊和套管進(jìn)行接觸，設(shè)置割刀與套管的接觸對(duì)參數(shù)。

3.2　定義邊界條件

機(jī)械式內(nèi)割刀在切割時(shí)，刀枕座固定在卡瓦錐體上，而卡瓦錐體通過(guò)卡瓦固定在套管上，所以把刀枕座設(shè)置成與大地固定。推刀塊和止推環(huán)在切削時(shí)只能?chē)@刀枕座中心軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以限制5個(gè)自由度。 中心軸由于要沿著刀枕座軸線(xiàn)方向進(jìn)行移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，所以限制3個(gè)自由度。割刀片圍繞固定在心軸上的刀片座作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以限制5個(gè)自由度。套管與大地固定，全約束，割刀約束如圖3所示。

圖3　機(jī)械式內(nèi)割刀約束Fig.3　Mechanical inner cutter constraint graph

4　影響割刀切割效率的因素分析

4.1　鉆壓對(duì)切割效率的影響

參考ND-J114型內(nèi)割刀應(yīng)用數(shù)據(jù)的參數(shù)來(lái)對(duì)割刀進(jìn)行設(shè)置，取割刀鉆壓在 3 500～6 000 N范圍內(nèi)變化，間距為500 N，轉(zhuǎn)速為30 r/h[16]。對(duì)模型進(jìn)行仿真，時(shí)長(zhǎng)為5s，步長(zhǎng)為50步。由于3把刀片對(duì)稱(chēng)分布，且參數(shù)設(shè)置相同，以第1把刀片為例來(lái)分析鉆壓對(duì)切削性能的影響。仿真計(jì)算出不同鉆壓下刀片的角加速度。由M=Iα可知力矩隨角加速度增大而增大。所以刀片角加速度的變化圖反映的是刀片受沖擊載荷的變化和大小，沖擊載荷是刀片切削過(guò)程中折斷的主要因素，沖擊載荷越大、作用次數(shù)越多，刀片越易折斷。因此，可通過(guò)分析刀片角加速度的變化來(lái)作為評(píng)判刀具是否容易折斷的依據(jù)[17]。取6組數(shù)據(jù)中不同鉆壓下刀片最大角加速度的值，整理數(shù)據(jù)得出不同鉆壓刀片角加速度變化如圖4所示。

圖4　不同鉆壓刀片角加速度變化Fig. 4　Angular acceleration change of different drill press blades

由圖4可以看出，隨著鉆壓的增大，角加速度平穩(wěn)增加，在鉆壓達(dá)到4 000 N后又平穩(wěn)下降，并在鉆壓達(dá)到4 800 N左右時(shí)達(dá)到最低值1.4×105°/s2。

由圖5可知，刀片的最大的角速度為184°/s。由圖6可以看出最大的角加速度為1.4×105°/s2。達(dá)到最低值后角加速度幅值會(huì)迅速增大。這是由于刀片切削套管的阻力會(huì)隨著鉆壓的增大而變化，刀片和套管相互接觸時(shí)，阻尼會(huì)隨著嵌入深度的增大而增大，達(dá)到一定深度后，阻尼將會(huì)達(dá)到最大值并保持不變。所以當(dāng)?shù)镀邢魈坠艿淖枘徇_(dá)到定值后，阻力不變，鉆壓越大割刀角加速度會(huì)迅速增大。因此，根據(jù)圖表分析， 可以得到最優(yōu)鉆壓為4 800 N，此時(shí)割刀運(yùn)轉(zhuǎn)最平穩(wěn)，角加速度的值變化越大，割刀受到的沖擊載荷越大，越容易折斷。

圖5　鉆壓為4 800 N時(shí)刀片的角速度Fig. 5　Angular velocity of blade when drilling pressure is 4 800 N

圖6　鉆壓為5 000 N時(shí)刀片的角加速度Fig.6　Angular acceleration of blade when drilling pressure is 5 000 N

刀片與套管的接觸力即刀片切削力，不同鉆壓條件下，刀片最大切削力的變化如圖7所示。

圖7　不同鉆壓刀片切削力變化Fig.7　Cutting force change diagram of different drilling press blades

由圖7可以看到隨著鉆壓的增大，切削力呈線(xiàn)性增長(zhǎng)。說(shuō)明切削力的大小跟鉆壓近似于成正比關(guān)系。

4.2　轉(zhuǎn)速對(duì)切割效率的影響

參考機(jī)械式內(nèi)割刀施工狀況，取割刀轉(zhuǎn)速在10～60 r/min的范圍內(nèi)變動(dòng)，間距為10 r/min[16]，鉆壓取5 000 N。仿真計(jì)算得出不同轉(zhuǎn)速情況下刀片的角加速度，對(duì)這6組數(shù)據(jù)角加速度的最大值進(jìn)行截取并整理，得出刀片角加速度隨轉(zhuǎn)速的變化如圖8所示。

圖8　刀片角加速度隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.8　Change of blade angular acceleration with speed

由圖8可以看出，轉(zhuǎn)速增大時(shí)，角加速度呈波浪式上升趨勢(shì)，但當(dāng)轉(zhuǎn)速接近29 r/min時(shí)，角加速度值只有1.4×105°/s2，為所有轉(zhuǎn)速情況下的最低值，刀片運(yùn)轉(zhuǎn)最平穩(wěn)。由圖9可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為29 r/min時(shí)，刀片角速度最大值為175.5 °/s。圖10顯示最大的角加速度為1.5×105°/s2。轉(zhuǎn)速超過(guò)30 r/min后，刀片角加速度值會(huì)迅速增大，在達(dá)到50 r/min時(shí)角加速度值繼續(xù)下降。角加速度反映的是刀片受力的情況，轉(zhuǎn)速增加是因?yàn)殂@桿扭矩增大，角加速度整體呈增大趨勢(shì)是因?yàn)榕ぞ卦诓粩嘣龃蟆＝羌铀俣鹊闹翟谵D(zhuǎn)速為19 r/min時(shí)出現(xiàn)下降是因?yàn)楫?dāng)?shù)镀c套管相互接觸、嵌入深度逐漸增大時(shí)，阻尼會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)出現(xiàn)下降說(shuō)明阻尼增大的增速在增加。角加速度在轉(zhuǎn)速為29 r/min時(shí)會(huì)迅速上漲，是因?yàn)樽枘嵋堰_(dá)到最大值，并保持不變。角加速度在轉(zhuǎn)速為50 r/min時(shí)又出現(xiàn)下降是因?yàn)楦畹豆逃蓄l率接近轉(zhuǎn)速頻率，振幅增大造成切削阻力增大。由圖8可以得出切割轉(zhuǎn)速在10～30 r/min時(shí)效果較好，可有效降低刀片的磨損并減小折斷的可能。

圖9　轉(zhuǎn)速為29 r/min時(shí)刀片角速度變化Fig.9　Change of blade angular velocity when the speed is 29 r/min

圖10　轉(zhuǎn)速為30 r/min時(shí)刀片角加速度變化Fig. 10　Change of blade angular acceleration when the speed is 30 r/min

計(jì)算6組不同轉(zhuǎn)速條件下刀片切削力的變化，整理出刀片切削力隨轉(zhuǎn)速的變化如圖11所示。

圖11　割刀切削力隨轉(zhuǎn)速的變化Fig. 11　Change of cutting force with speed of cutting tool

由圖11可知，割刀切削力隨轉(zhuǎn)速的增加整體呈緩慢上漲的趨勢(shì)，說(shuō)明轉(zhuǎn)速對(duì)切削力大小的影響較小。這是因?yàn)榕ぞ亓Φ姆较蚺c實(shí)際切削力的方向近似于垂直。

5　結(jié)論

1)機(jī)械式內(nèi)割刀ND-J114切削套管鉆壓為4 800 N時(shí)，割刀運(yùn)行最平穩(wěn)，刀片越不易折斷；切削力跟鉆壓近似于成正比關(guān)系，鉆壓越大，切削力越大，刀片負(fù)載過(guò)大容易造成刀片折斷。

2)機(jī)械式內(nèi)割刀ND-J114切削切削套管轉(zhuǎn)速為每分鐘29 r/min時(shí)，割刀運(yùn)轉(zhuǎn)最平穩(wěn)；切割轉(zhuǎn)速在10～30 r/min范圍內(nèi)的切削效果最好，刀片不易折斷；轉(zhuǎn)速對(duì)切削力的影響較小，適當(dāng)?shù)奶岣咿D(zhuǎn)速會(huì)提高切削效率，但對(duì)切削力大小的改變影響較小。

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