修井機緩沖機構的研究與分析

黃 丹

（河源技師學院，廣東河源 517000）

0 前言

在油田的后期開采過程中，需要大量的修井機來完成鉆井的修復工作。為提高石油的開采效率和降低修井的作業成本，使用自動化設備進行修井作業變得非常流行。修井是鉆井后期維護過程中的一項必須工作，可以確保鉆井在后期可以繼續工作[1]。通常修井作業包括旋轉鉆進、起下作業、循環沖洗等幾個過程，這些工作都是需要緩沖機構將油井里面的油管取出，并完成修井后放入新的油管。在油井的修復工作過程中，緩沖機構約占有一半以上的工作時間，因此，使用具有自動緩沖功能的修井機具有非常重要的意義[2]。

為了更好研究修井機緩沖機構，使用Solid Works軟件進行三維建模[3]，并使用ADAMS軟件進行運動分析[4-5]。

1 修井機緩沖機構的設計

在對修井機緩沖機構進行研究之前，需要對主體機構進行設計。由于修井機在夾緊油管后需要翻轉一個角度，將油管放入貓道上。為減少油管在翻轉過程中的沖擊，在油管翻轉一定角度后將其與緩沖機構的承接件相接觸，減少它在翻轉過程中的沖擊力。圖1是修井機的緩沖結構圖，從圖中可以看出緩沖機構采用的是擺動導桿結構進行緩沖的。

在修井機緩沖機構的工作過程中，首先是修井機將油管夾緊吊出油井，然后油管與緩沖機構的承接件相接觸，在修井機的作用下下滑到貓道上，直至完全到位。在這過程中緩沖機構的液壓系統起到重要的作用，液壓原理圖如圖2所示。在緩沖機構起升時，電磁閥在控制系統的作用下調到左邊，此時液壓油流向液壓缸的后半部分活塞伸出；在緩沖機構下降時，電磁閥在控制系統的作用下調節到右邊，此時液壓油流向液壓缸的前半部分活塞縮回。

圖1 修井機緩沖機構結構圖

圖2 緩沖機構液壓原理圖

2 修井機緩沖機構的力學分析

為得到性能更好的動力修井機緩沖機構，需要進行動力學分析。由于采用這種機構可以很好地緩沖油管的撞擊，從而導致的一系列的事故。根據緩沖機構的結構模型，得到如圖3所示的結構簡圖。

圖3 緩沖機構結構簡圖

在進行緩沖機構的優化分析過程中，需要對它的受力過程進行分析。根據緩沖機構的受力情況和擺動導桿機構的運動特點，可知緩沖機構在擺臂處于水平位置時，液壓缸的驅動力最大，因此在進行首席分析過程時可以根據此時的受力狀況來進行分析。此時，擺臂的受力大小為：

式中：m為油管的質量，通常一根油管的質量為300 kg；

G為重力加速度，9.8 m/s2；

B為擺臂中心到轉軸的距離大小；

C為活塞桿與擺臂連接處的距離大小；

α為活塞桿與擺臂之間的夾角大小。

根據緩沖機構的受力分析可知，液壓缸的最大驅動力為F=21 586 N。因此，選用輸出載荷大小為P=3 MPa。

3 修井機緩沖機構的仿真分析

在Solid Works軟件中建立起緩沖機構的三維結構模型，然后將裝配體導入到ADAMS軟件中[6-7]，得到如圖4所示的緩沖機構虛擬樣機模型。在緩沖機構的起升過程仿真分析中，需要根據它的實際工作要求添加相關的約束條件，相互之間轉動的零部件需要設置旋轉副。由于支承座在工作過程中主要起到支承整個緩沖機構的作用，因此，在進行仿真分析過程中需要將其固定。

圖4 緩沖機構虛擬樣機模型

在仿真過程中，向液壓缸的缸筒和活塞之間施加一個運動約束，使液壓缸保持勻速運動，研究緩沖機構中擺臂從水平位置運動到豎直位置的運動情況。為了研究液壓缸的驅動力情況，在仿真分析前，在液壓缸筒和活塞之間新建一個測量液壓力的測量裝置，從而可以測量出液壓缸的驅動力曲線。通過ADAMS仿真[8]可以得到緩沖機構中輸出液壓缸驅動力與擺臂起升角度的關系曲線如圖5所示。根據液壓缸驅動力與擺臂起升角度關系曲線可知，隨著液壓缸驅動的不斷增大，擺臂的起升角度越來越大。

圖5 液壓缸驅動力與擺臂起升角度關系曲線

為了對緩沖機構進行更進一步的研究分析，本文作者在液壓缸的驅動作用下，對緩沖機構擺臂的轉動速度和加速度展開分析，運動關系曲線如圖6所示。由圖可知，緩沖機構的速度在前2 s內逐漸減小；在2～3 s之間逐漸趨于穩定狀態，且達到最小速度；3～4 s內速度有逐漸增大。加速度在前1.5 s內逐漸減少，在1.5～3 s之間逐漸趨于穩定，在該階段穩定性比較好，在3～4 s內也呈現增大的趨勢。根據緩沖機構的運動關系研究可知，在3 s后需要保證該機構運動的平穩性。

圖6 緩沖機構速度和加速度曲線

4 結論

通過對修井機緩沖機構的研究和分析可以得出以下結論：（1）根據修井機緩沖機構的工作要求，設計出它的結構模型，并使用Solid works軟件建立它的三維模型。（2）使用ADAMS軟件對修井機緩沖機構進行運動過程分析，可以得到它的擺臂運動速度和加速度。