滑車式管子移運裝置研究

李慶杰， 高世卿， 曹振波， 劉希梁， 陶承虎

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司， 遼寧 沈陽 110000）

0 引言

隨著石油鉆井平臺對技術升級的迫切需求， 大量鉆井設備需要改造。目前常用的管子移運方式主要有：吊裝式、抓管式、橋式起重機式。 山東勝利石油產業技術研究院公開了一種抓管、吊裝式管子移運裝置，僅適用于陸地石油開采[1]。寶雞石油機械有限責任公司公開了一種橋式起重機式管子移運裝置，由于其采用了鋼絲繩傳動，抗風荷載能力較弱，不能滿足平臺鉆井需要[2]。 為了滿足石油鉆井平臺對技術升級的需求， 本文研究了一種用于鉆桿在貓道與地面管架之間的轉運工作的新型滑車式管子移運裝置，并對最惡劣工況進行有限元分析，驗證其在最惡劣工況下的工作性能。

1 移運裝置的組成

移運裝置的組成包括：滑車、滑車軌道、貓道、管架及鉆桿，如圖1 所示。

鉆桿堆放于管架之上，2 條軌道按要求分布在管子兩側，2 部滑車分別安放在2 條軌道上， 通過2 部滑車的協調移動和升降，實現鉆桿在貓道與管架之間的往返傳送。

滑車的包括：底座、液壓馬達、油缸、升降體、伸縮吊梁，如圖2 所示。

圖1 滑車式移運裝置

圖2 滑車

滑車由液壓馬達驅動， 完成滑車在軌道上的前后移動， 由油缸驅動完成升降體及伸縮吊梁的升降伸縮吊梁的組成見圖3，主要包括：外套、內套1、內套2、油缸、吊軸。其中，油缸安裝在外套內。

伸縮吊梁的伸縮是由吊梁內的油缸驅動， 油缸裝有位移傳感器， 用于控制油缸的伸縮量。 通過內部的倍程機構實現吊軸的伸縮功能，吊軸可以根據需要更換不同規格。

圖3 伸縮吊梁

2 滑車的運動學仿真

運動學仿真采用Solidworks 軟件。三維模型設計完成后，使用Solidworks Motion 插件的Motion 分析功能，先對三維模型進行簡化和前處理，去除冗余約束；然后設置驅動元件的驅動速度；最后運行仿真程序，生成動畫。 動畫生成后，通過“結果和圖解”功能可以生成位移、速度、加速度、角速度、角加速度的圖解。

圖5～7 所示分別為滑車吊軸的角位移、角速度、角加速度圖解。由圖5 可知，在滑車從初始位置運動到工作位置的過程中， 吊軸角位移從-1°逐漸增大到-48°； 由圖6可知，在滑車從初始位置運動到工作位置的過程中，吊軸角速度從初始時0°/s 逐漸減小到12°/s （3.5s 時）， 再從12°/s 逐漸增加到10°/s；由圖7 可知，在滑車從初始位置運動到工作位置的過程中，吊軸角加速從初始時0°/s2迅速加到8°/s2，然后逐漸減小到0°/s2（3.5s 時），再從0°/s2逐漸增加到3°/s2。

圖4 滑車伸縮吊梁圖解

圖5 滑車伸縮吊梁角位移圖解

圖6 滑車角速度圖解

圖7 滑車角加速度圖解

3 底座及升降體的力學分析

3.1 滑車受力的計算和導出

滑車受力計算仿真采用Solidworks 軟件。

第一步，調用Motion 分析功能圖解。前述已經完成的工作有：三維模型完成、三維模型進行簡化和前處理、設置驅動元件的驅動速度、運行仿真程序、生成動畫。 動畫生成后，通過“結果和圖解”功能可以生成受力的圖解。

第二步，選中受力最惡劣的圖解位置，將受力最惡劣位置的受力導出至零件， 則零件自動加載該時刻所有的受力、速度、加速度、角速度、角加速度。 打開相關零件，設置零件的“夾具”，即零件與上一節臂的聯接位置，設置網格參數，生成網格，運行，即可得到最惡劣受力位置的應力圖解和位移圖解。

通過該方法可以計算出滑車油缸推力，如圖8 所示。

3.2 有限元分析模型的建立

表1 滑車升降體材料及加載信息

建立模型時，分別對滑車支座和滑車框架進行建模。由圖8可知，當滑車框架出于最低點開始由液壓缸驅動升起時，滑車支座和滑車框架受力最大，為57280N。 因此取這個狀態作為有有限元分析的狀態。

建立模型時，各零部件的三維模型使用Solidworks 完成。 有限元分析使用Solidworks Simulation。 Solidworks Simulation 的優勢在于可以自動生成網格并進行自動計算， 在保證了計算準確性的同時降低了前處理和后處理的難度。

在有限元分析建模前對模型進行了簡化，簡化原則為：

（1）忽略了螺紋孔及螺釘的影響。

（2）忽略了倒角和圓角的影響。

（3）忽略了油管、閥、走線附件等的影響。

簡化模型后， 采用Solidworks Simulation 的網格生成功能自動生成網格，網格生成結果如圖9、10 所示。

圖9 滑車支座網格圖解

圖10 滑車升降體網格圖解

3.3 力的加載與分析結果

采用導出法將Motion 中計算的最惡劣狀態下受力導出至模型，并利用Simulation 進行計算。 加載力后，使用Solidworks 的“加網格并運行”功能得到有限元分析結果。其受力仿真分析結果如圖11～14 所示。 圖11 為滑車支座應力圖解，圖12 為滑車支座位移圖解，圖13 為滑車升降體應力圖解，圖14 為滑車升降體位移圖解。

圖11 滑車支座應力分析圖

圖12 滑車支座位移分析圖

圖13 滑車升降體應力分析圖

圖14 滑車升降體位移分析圖

根據 《機械設計手冊》， 機架安全系數應該取1.5 以上， 則滑車支座材料至少應當有166.6×1.5=249.9MPa 的屈服強度， 滑車升降體材料至少應當有221.1×1.5=331.65MPa 的屈服強度。Q345B 材料屈服強度345MPa，滿足要求。

通過有限元分析得知， 滑車底座在工作狀態下最大變形量0.4044mm；滑車升降體在工作狀態下最大變形量1.068mm。 兩者均滿足要求。

4 結論

本文針對鉆井平臺技術改造提出的滑車式管子移運裝置，提供了一種與傳統方式不同的方案，在控制和移運方式上提出了全新的方法，與傳統方式相比，設備更加簡化，節省空間占用，自重輕，自動化程度提高。

本文對上述滑車式管子移運裝置進行了有限元分析與校核，通過有限元分析得知，管子移運裝置在最惡劣工況下能夠滿足使用要求，設計合理。這種滑車式管子移運裝置將會在石油鉆井領域得到廣泛應用。