IR90全液壓鐵鉆工夾持定位精度及其影響因素

摘要：鐵鉆工為先進(jìn)的鉆井輔助作業(yè)設(shè)備，但國(guó)內(nèi)鐵鉆工在自動(dòng)化程度、夾持定位精度和工作平穩(wěn)性方面有較多不足。為了解決此問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種新型的鐵鉆工結(jié)構(gòu)及其液壓控制系統(tǒng)。首先通過(guò)機(jī)液聯(lián)合仿真分析，研究了鐵鉆工上卸扣過(guò)程中鉆桿軸線的偏移角度和徑向力變化；然后在此基礎(chǔ)上對(duì)鐵鉆工的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，采用同步分流馬達(dá)和PID（比例積分微分）控制，進(jìn)一步分析液壓缸增加輸入流量對(duì)固定鉗和動(dòng)鉗的液壓缸同步性能、夾持定位精度及接頭螺紋徑向力的影響。結(jié)果表明：采用PID控制時(shí)比同步分流馬達(dá)夾持效果更好，當(dāng)單個(gè)液壓缸輸入流量為18 L/min時(shí)，固定鉗夾緊鉆桿時(shí)鉆桿軸線繞x、y軸偏角能控制在0.10°和0.06°以內(nèi)，響應(yīng)速度在6.8 s左右，上下鉆桿重心沿x和y軸方向的距離可以分別控制在1.93和2.85 mm之內(nèi)，保證了固定鉗和動(dòng)鉗的夾持定位精度以及動(dòng)作快速性和穩(wěn)定性。接頭螺紋徑向力曲線也表明了鐵鉆工沖扣時(shí)鉆桿接頭間產(chǎn)生的不平衡徑向力（17.2 kN）遠(yuǎn)大于旋扣時(shí)（641.0 N），更易導(dǎo)致鉆頭磨損。

關(guān)鍵詞：鐵鉆工；定位精度；機(jī)液聯(lián)合仿真分析；不平衡徑向力；鉆井

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220333

中圖分類號(hào)：P634.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Supported by the National Deep Exploration Technology and Experimental Research Project （SinoProbe0905）

IR90 Full Hydraulic Iron Roughneck Clamping Positioning Accuracy and Its Influencing Factors

Li Haoxuan1， Wang Qingyan" Zhong Weiling1， Sheng Jie1， Li Linghao1， Jin Zengwu1

1. College of Construction Engineering， Jilin University， Changchun 130026， China

2. Key Laboratory of Complicated Conditions Drilling Technology （Jilin University）， Ministry of Land and Resources， "Changchun 130026， China

Abstract：

Iron roughneck is advanced drilling auxiliary operation equipment， and domestic iron roughnecks have many shortcomings in automation degree， clamping positioning accuracy and work smoothness. In order to solve the problem，a new type of iron roughneck structure and its hydraulic control system are designed in this paper. Firstly， through the machine-hydraulic co-simulation analysis， the axis deviation angle and radial force change of the drill pipes during the makeup and breakout process of the iron roughneck were studied. Then， the control system of the iron roughneck is optimized on this basis， and the synchronous motor and PID （proportional integral differential） control are used to further analyze the influence of increasing hydraulic cylinders input flow rate on the synchronous performance of the hydraulic cylinders， clamping positioning accuracy and radial force of the joint thread of the fixed plier and moving plier. The results show that PID control has better clamping effect than synchronous motor. When the input flow rate of a single hydraulic cylinder is 18 L/min， the x and y axial deviation angles of the drill pipe can be controlled within 0.10°and 0.06°when clamped with fixed plier， and the response speed is about 6.8 seconds. The distance between the center of gravity of the upper and lower drill pipes along the x and y axis directions can be respectively controlled within 1.93 and 2.85 mm， which ensures the clamping positioning accuracy， rapidity and stability of the fixed plier and the moving plier. The radial force curve of the joint thread also indicates that the unbalanced radial force between the drill pipe joints during the iron roughnecks punching （17.2 kN） is much greater than that of the spinning （641.0 N）， which is more likely to cause the drill bit to wear.

Key words：" iron roughneck; positioning accuracy; machine-hydraulic co-simulation analysis; unbalanced radial force；drilling

0 引言

隨著鉆井設(shè)備自動(dòng)化水平的不斷提高，在深井鉆探作業(yè)中使用的自動(dòng)化裝備也越來(lái)越多。鐵鉆工作為先進(jìn)的鉆井輔助作業(yè)設(shè)備，代替了傳統(tǒng)的液壓大鉗，主要用于對(duì)鉆桿和套管進(jìn)行旋扣、上緊扣、沖扣和卸扣等動(dòng)作。其使用極大地降低了工作強(qiáng)度，提高了施工安全性和工作效率。國(guó)內(nèi)關(guān)于鐵鉆工的研究才剛剛起步，相較于國(guó)外較先進(jìn)的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)鐵鉆工在自動(dòng)化程度、夾持定位精度和工作平穩(wěn)性方面仍有較大差距，其不足之處包括：本身的自動(dòng)化、集成化程度較低；夾持速度慢、效率低；由于液壓缸存在同步誤差導(dǎo)致夾持定位精度低，在擰卸過(guò)程中鉆桿接頭螺紋因承受較大徑向偏載易產(chǎn)生磨損，需要進(jìn)行多次人工微調(diào)；旋扣時(shí)偏扣、旋扣不到位等[17]。現(xiàn)有的鐵鉆工無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的施工需求，應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)適用性廣、定位精度高的產(chǎn)品。

本文擬開(kāi)發(fā)一種新型的鐵鉆工結(jié)構(gòu)及其液壓控制系統(tǒng)。

首先需要對(duì)全液壓鐵鉆工進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證其結(jié)構(gòu)緊湊，以能夠很好地適應(yīng)空間局限的鉆井平臺(tái)，提高空間使用率；然后進(jìn)一步針對(duì)鐵鉆工的夾持定位精度進(jìn)行分析，對(duì)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高夾持定位精度，確保同步完成不同點(diǎn)位的鉆桿及套管上卸扣，以期開(kāi)發(fā)產(chǎn)品可更好地適應(yīng)深井作業(yè)的需求。

1 全液壓鐵鉆工設(shè)計(jì)

全液壓鐵鉆工實(shí)物如圖1所示。全液壓鐵鉆工結(jié)構(gòu)如圖2所示。鐵鉆工由固定鉗、動(dòng)鉗、支架和旋扣鉗組成。

固定鉗和動(dòng)鉗均包含沿固定鉗和動(dòng)鉗夾緊中心呈120°分布的三只液壓缸，活塞桿前端安裝有夾塊。固定鉗通過(guò)螺栓連接固定，固定鉗與支架的立銷進(jìn)行孔軸配合。動(dòng)鉗上有設(shè)計(jì)好的弧形槽，弧形槽與支架的立銷配合，使動(dòng)鉗可以沿固定路線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。動(dòng)鉗和固定鉗之間安裝有浮動(dòng)裝置，

使動(dòng)鉗可以上下浮動(dòng)，以補(bǔ)償鐵鉆工上卸扣時(shí)鉆桿接頭螺紋旋入旋出所產(chǎn)生的軸向位移。上卸扣油缸通過(guò)螺紋連接固定在固定鉗上，油缸桿通過(guò)孔軸連接與動(dòng)鉗進(jìn)行配合，從而驅(qū)動(dòng)上卸扣油缸進(jìn)行上卸扣動(dòng)作。固定鉗和動(dòng)鉗統(tǒng)稱為主鉗。旋扣鉗采用滾輪結(jié)構(gòu)和曲面斜楔式結(jié)構(gòu)，滾輪結(jié)構(gòu)保留了鉆具的旋轉(zhuǎn)自由度，曲面斜楔結(jié)構(gòu)提高了夾持鉆桿的平穩(wěn)性。固定鉗和動(dòng)鉗均采用三點(diǎn)對(duì)中式結(jié)構(gòu)，相對(duì)于兩點(diǎn)式鉗體，三點(diǎn)對(duì)中式結(jié)構(gòu)更適用于大轉(zhuǎn)矩工作。

旋扣鉗由旋扣油缸、楔形推板、旋扣臂、擺線馬達(dá)、切線滾輪、支撐輪和限位輪組成，旋扣鉗夾緊鉆桿后可以對(duì)鉆桿進(jìn)行上卸扣動(dòng)作。旋扣鉗夾持鉆桿時(shí)，液壓缸活塞桿伸出，先帶動(dòng)楔形推板伸出，旋扣臂通過(guò)后端切線滾輪與楔形推板的接觸繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)旋扣臂前端的支撐輪和楔形推板上的限位輪夾緊鉆桿。旋扣鉗與支架間安裝有浮動(dòng)油缸，使旋扣鉗在進(jìn)行上卸扣動(dòng)作時(shí)可以進(jìn)行浮動(dòng)，以補(bǔ)償上卸扣時(shí)鉆桿接頭螺紋旋入旋出所產(chǎn)生的軸向位移。上卸扣動(dòng)作通過(guò)旋扣臂前端的擺線馬達(dá)帶動(dòng)支撐輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。結(jié)束工作后，旋扣鉗通過(guò)夾持臂后端的碟簧進(jìn)行復(fù)位。旋扣鉗可以沿旋扣支架上的導(dǎo)軌前后浮動(dòng)，旋扣鉗夾持鉆桿時(shí)便于鉆桿與井口對(duì)中。

全液壓鐵鉆工工作原理為：上扣時(shí)，固定鉗夾緊下部鉆桿，旋扣鉗夾緊上部鉆桿進(jìn)行對(duì)中，擺線馬達(dá)帶動(dòng)夾持臂前端滾輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)鉆桿進(jìn)行旋扣；鉆桿旋合完成后，動(dòng)鉗夾持鉆桿，旋扣鉗松開(kāi)，通過(guò)上卸扣油缸帶動(dòng)進(jìn)行上緊扣動(dòng)作。卸扣時(shí)，首先固定鉗夾緊下部鉆桿，動(dòng)鉗夾緊上部鉆桿，通過(guò)上卸扣油缸帶動(dòng)進(jìn)行沖扣動(dòng)作；然后旋扣鉗夾緊上部鉆桿，動(dòng)鉗松開(kāi)，旋扣臂前端的擺線馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鉆桿進(jìn)行卸扣。

2 全液壓鐵鉆工液壓控制系統(tǒng)建模

由于動(dòng)鉗需要對(duì)鉆桿進(jìn)行卸扣或上緊扣動(dòng)作，因此動(dòng)鉗需要兩個(gè)液壓回路進(jìn)行控制：一個(gè)是夾持動(dòng)作控制回路，該回路控制動(dòng)鉗夾緊待卸扣或待上緊扣的鉆桿；另一個(gè)是上卸扣動(dòng)作控制回路，夾緊鉆桿后，該回路控制動(dòng)鉗旋轉(zhuǎn)，對(duì)鉆桿進(jìn)行卸扣或上緊扣動(dòng)作。

2.1 固定鉗、動(dòng)鉗夾持動(dòng)作控制回路模型

2.1.1 液壓控制系統(tǒng)原理

固定鉗和動(dòng)鉗夾持動(dòng)作控制回路模型均如圖3所示，該液壓系統(tǒng)包括負(fù)載敏感變量泵、電液比例換向閥、平衡閥、蓄能器和液壓缸。

固定鉗和動(dòng)鉗液壓系統(tǒng)控制回路采用了負(fù)載敏感變量泵，固定鉗夾塊伸出時(shí)，液壓泵輸出最大流量；當(dāng)電液比例換向閥關(guān)閉或固定鉗夾緊鉆桿后，液壓泵輸出流量幾乎變?yōu)?，減少了液壓系統(tǒng)的損耗[89]。同時(shí)該回路采用了平衡閥，一方面可防止活塞桿伸出過(guò)快，導(dǎo)致鉆桿發(fā)生偏斜，提高定位精度；另一方面可起到鎖緊作用，防止因震動(dòng)或碰撞導(dǎo)致活塞桿回彈，提高固定鉗夾持穩(wěn)定性。液壓缸前設(shè)置了蓄能器，蓄能器既可以緩沖液壓系統(tǒng)中的壓力波動(dòng)，又可以起到給液壓系統(tǒng)保壓的作用。

工作原理：固定鉗和動(dòng)鉗液壓系統(tǒng)控制回路中電液比例換向閥均通過(guò)一組分段線性信號(hào)控制，在0到5 s內(nèi)，信號(hào)控制電液比例換向閥閥芯逐漸打開(kāi)，5 s后閥芯保持打開(kāi)狀態(tài)不變；開(kāi)始夾持時(shí)，分段線性信號(hào)控制所有電液比例閥處于右位，液壓油進(jìn)入液壓缸左腔，三只液壓缸活塞桿伸出，帶動(dòng)三個(gè)夾塊同時(shí)夾持鉆桿。

2.1.2 參數(shù)設(shè)置

該全液壓鐵鉆工夾持鉆桿時(shí)夾持管徑范圍取決于旋扣鉗，旋扣鉗能夾持的最大管徑Ф為298 mm。當(dāng)液壓缸活塞桿前端夾塊與鉆桿的摩擦系數(shù)取0.15時(shí)，可以進(jìn)一步計(jì)算單個(gè)液壓缸所需提供的最大作用力。液壓缸最大作用力Fmax計(jì)算公式為

Fmax=pnAn-plAl-vf 。

式中：pn和pl分別為液壓缸活塞兩側(cè)無(wú)桿和有桿的液體壓力，由于夾持鉆桿時(shí)液壓缸無(wú)桿腔通油箱，此時(shí)pl取0；An和Al分別為液壓缸活塞兩側(cè)無(wú)桿和有桿的面積，液壓缸內(nèi)腔直徑為100 mm，活塞桿直徑為60 mm；v為活塞桿運(yùn)動(dòng)速率，夾緊鉆桿時(shí)活塞桿速率為0；f為動(dòng)摩擦系數(shù)。

液壓系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。負(fù)載敏感變量泵采用Danfoss公司的45系列開(kāi)式軸向柱塞泵，由于液壓缸活塞桿行程小且行程終了后才會(huì)受到較大載荷，因此為變量泵設(shè)計(jì)一個(gè)較小的輸出流量，即電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為750 r/min，液壓泵的排量為40 mL/r，液壓泵的輸出流量為30 L/min，分流后每個(gè)液壓缸輸30入流量約為10 L/min。液壓回路中的蓄能器主要起到緩沖壓力波動(dòng)的作用，其容積越大回路的響應(yīng)速度越慢，因此其容積選擇1 L。

2.2 動(dòng)鉗上卸扣動(dòng)作控制回路模型

2.2.1 液壓控制系統(tǒng)原理

動(dòng)鉗上卸扣動(dòng)作控制回路模型如圖4所示。動(dòng)鉗的上卸扣動(dòng)作控制回路的工作原理為：動(dòng)鉗夾緊鉆桿后，動(dòng)鉗的上卸扣動(dòng)作控制回路開(kāi)始工作，分段線性信號(hào)控制兩個(gè)電液比例換向閥打開(kāi)，其中一個(gè)處于右位，一個(gè)處于左位；兩個(gè)換向閥控制兩個(gè)液壓缸的活塞桿分別伸出和縮回，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)鉗的上卸扣鉆桿動(dòng)作。兩個(gè)液壓缸同時(shí)工作可以提高效率。

2.2.2 參數(shù)設(shè)置

由于上緊扣和沖扣動(dòng)作需要很大的瞬間作用力， 因此為液壓泵設(shè)計(jì)一個(gè)較大的輸出流量，即電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為150 r/min，液壓泵的排量為40 mL/r，液壓泵的輸出流量為60 L/min，分流后每個(gè)液壓缸輸入流量約為30 L/min。

3 全液壓鐵鉆工機(jī)液聯(lián)合仿真分析

3.1 上扣時(shí)鉆桿定位精度

上扣過(guò)程中主要針對(duì)旋扣鉗夾持鉆桿時(shí)鉆桿的定位精度進(jìn)行分析。假設(shè)固定鉗夾持下方鉆桿后，下方鉆桿處于中心位置，則鐵鉆工的定位精度主要通過(guò)上下鉆桿重心距離及鉆桿的軸線偏移角度進(jìn)行判斷（圖5）。

上下鉆桿的重心位移曲線如圖5a所示。由圖5a通過(guò)計(jì)算可知，沿活塞桿伸出的方向，上下鉆桿重心位置偏差量約為19.07 mm。

旋扣鉗夾持鉆桿時(shí)，鉆桿直徑一定，鉆桿相對(duì)于旋扣鉗的位置固定。因此通過(guò)調(diào)節(jié)碟簧進(jìn)行修正，使卸扣鉗沿支架導(dǎo)軌向遠(yuǎn)離鉆桿的方向移動(dòng)19.07 mm，從而使上下鉆桿可以更好地對(duì)中，調(diào)整后上下鉆桿的重心位移曲線如圖5b所示。可見(jiàn)安裝調(diào)節(jié)碟簧可使上下鉆桿水平位移基本相同，提高了旋扣鉗的對(duì)中效果。

夾緊鉆桿后鉆桿會(huì)發(fā)生小幅度的擺動(dòng)，上部鉆桿軸線偏移角度曲線如圖6所示。由圖6可知，旋扣鉗夾緊上部鉆桿20 s后，鉆桿沿x軸和y軸的偏角分別為0.018°和0.005°，軸線偏移角度較小；說(shuō)明修正后的旋扣鉗夾持鉆桿時(shí)定位精度更高。

3.2 卸扣時(shí)鉆桿受力

鐵鉆工進(jìn)行卸扣動(dòng)作時(shí)，固定鉗夾持下部鉆桿，先由動(dòng)鉗夾緊上部鉆桿進(jìn)行沖扣動(dòng)作，再由旋扣鉗夾持鉆桿進(jìn)行進(jìn)一步的卸扣動(dòng)作。該過(guò)程中主要考慮旋扣鉗、動(dòng)鉗和固定鉗夾緊鉆桿時(shí)，上下鉆桿接頭螺紋間會(huì)產(chǎn)生不平衡徑向力。該不平衡徑向力會(huì)直接影響接頭螺紋的磨損情況，因此應(yīng)進(jìn)一步分析接頭螺紋徑向力情況，如圖7所示。

由圖7可知：旋扣鉗、動(dòng)鉗和固定鉗同時(shí)夾緊鉆桿時(shí)接頭螺紋受到的徑向力峰值為1 452.21 N，終值應(yīng)力為565.75 N；而旋扣鉗和固定鉗同時(shí)夾緊鉆桿時(shí)接頭螺紋受到的應(yīng)力峰值為326.51 N，終值應(yīng)力為115.48 N。可見(jiàn)動(dòng)鉗和固定鉗同時(shí)夾緊鉆桿會(huì)導(dǎo)致接頭螺紋產(chǎn)生不平衡徑向力。這是因?yàn)殂@桿位置的隨機(jī)性，動(dòng)鉗和固定鉗夾緊油缸活塞桿接觸鉆桿的時(shí)間不同，受到負(fù)載不同，產(chǎn)生了液壓缸同步位置誤差，進(jìn)而導(dǎo)致兩者夾持中心偏差較大，形成了較大的徑向力；因此應(yīng)進(jìn)一步對(duì)鐵鉆工的液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高動(dòng)鉗和固定鉗液壓缸工作的同步性。

4 全液壓鐵鉆工固定鉗和動(dòng)鉗液壓控制系統(tǒng)優(yōu)化

4.1 基于同步分流馬達(dá)的多液壓缸同步控制

4.1.1 同步分流馬達(dá)液壓控制回路原理

同步分流馬達(dá)液壓控制回路如圖8所示。與原回路相比，該回路保留了電液比例換向閥、平衡閥和蓄能器的設(shè)計(jì)，不同的是采用了一組同步分流馬達(dá)。同步分流馬達(dá)由多個(gè)等排量液壓馬達(dá)組成，這些馬達(dá)的軸進(jìn)行了剛性連接。

三個(gè)液壓缸通過(guò)同步分流馬達(dá)進(jìn)行等流量分流，控制液壓缸活塞桿同步伸出，進(jìn)而提高固定鉗及動(dòng)鉗夾持鉆桿時(shí)的定位精度。該液壓回路的工作原理為：固定鉗和動(dòng)鉗夾持鉆桿時(shí)，三個(gè)電液比例換向閥同時(shí)打開(kāi)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)等流量輸出，進(jìn)而控制液壓缸活塞桿端部夾塊同步夾緊鉆桿[1013]。

該同步分流馬達(dá)液壓控制回路相較于原回路采用了三個(gè)將軸剛性連接的馬達(dá)，因此電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為250 r/min，液壓泵的排量仍為40 mL/r，液壓泵的輸出流量為10 L/min，保證每個(gè)液壓缸輸入流量仍為10 L/min。

4.1.2 夾持定位精度機(jī)液聯(lián)合仿真分析

軸剛性連接的同步分流馬達(dá)作為一個(gè)開(kāi)環(huán)控制方式，在一般工況下其同步性控制好且方法簡(jiǎn)單。但鐵鉆工夾持鉆桿時(shí)，由于鉆桿位置的隨機(jī)性，液壓缸受力情況不同，為研究同步分流馬達(dá)控制的液壓系統(tǒng)同步性能，先針對(duì)鐵鉆工固定鉗的夾持情況進(jìn)行分析。

液壓缸輸入流量為10 L/min時(shí)，鉆桿的軸線偏移角度如圖9a所示。固定鉗夾持鉆桿時(shí)，鉆桿軸線偏移角度很小，在-0.10°～0.26°之間（圖9a），液壓缸同步性好。但由于固定鉗夾持鉆桿時(shí)夾持位置處于鉆桿端部，夾緊鉆桿后鉆桿會(huì)產(chǎn)生一定的波動(dòng)，此時(shí)液壓缸輸入流量較小，液壓缸伸出速度慢，鉆桿波動(dòng)角度小；因此應(yīng)進(jìn)一步分析增大液壓缸輸入流量時(shí)鉆桿軸線的偏移情況，證明液壓缸輸入流量對(duì)液壓缸同步性是否有影響。

液壓缸輸入流量為14、18和22 L/min時(shí)，鉆桿軸線偏移角度曲線如圖9b、c、d所示。在液壓缸活塞桿前端夾塊未接觸鉆桿時(shí)，活塞桿可以同步伸出；但由于鉆桿中心并不在井口處，先接觸鉆桿的液壓桿受到較大阻力，較其他液壓桿速度慢，導(dǎo)致固定鉗夾持鉆桿時(shí)鉆桿出現(xiàn)擺動(dòng)的情況。對(duì)比圖9中出現(xiàn)鉆桿軸線繞x、y軸偏角的時(shí)間可知，在一定范圍內(nèi)液壓缸輸入流量越大，液壓缸活塞桿伸出速度越快；但當(dāng)流量達(dá)到22 L/min時(shí)，鉆桿軸線繞x軸偏角達(dá)到0.30°，偏角明顯增大，液壓缸輸入流量應(yīng)小于22 L/min。液壓缸流量控制在18 L/min以內(nèi)時(shí)，鉆桿軸線繞x軸偏角可以保持在0.10°左右，繞y軸偏角可以保持在0.10°以內(nèi)。當(dāng)液壓缸輸入流量為10、14、18和22 L/min時(shí)，固定鉗夾緊鉆桿的時(shí)間（響應(yīng)速度）分別為11.8、8.5、6.6和6.1 s，液壓缸輸入流量超過(guò)18 L/min后，響應(yīng)速度的提升幅度已經(jīng)很小。

同時(shí)根據(jù)仿真分析可知，上下鉆桿重心沿x軸和y軸方向的距離分別可以控制在2.12和7.86 mm以內(nèi)。因此，同步分流馬達(dá)控制液壓回路的等流量輸出，且當(dāng)液壓缸輸入流量為18 L/min時(shí)，可以保證鐵鉆工固定鉗和動(dòng)鉗有較快的響應(yīng)速度和良好的夾持定位精度。

4.2 基于模糊PID的多液壓缸同步控制

4.2.1 PID控制原理

為提高固定鉗和動(dòng)鉗液壓缸工作的同步性，對(duì)其液壓系統(tǒng)采用液壓閉環(huán)控制，使實(shí)際輸出與設(shè)計(jì)輸出實(shí)現(xiàn)同步，從而增加固定鉗和動(dòng)鉗夾持定位精度，減小鉆桿接頭螺紋收到的徑向力。PID同步控制液壓控制回路如圖10所示，該回路采用了均差補(bǔ)償?shù)目刂撇呗裕ㄟ^(guò)傳感器測(cè)得三個(gè)液壓缸的位移，取其平均值作為設(shè)定輸出，當(dāng)液壓缸位移大于平均值時(shí)，液壓缸的輸入流量變小，活塞桿伸出速度變慢，反之則活塞桿伸出速度變快。液壓泵設(shè)定輸入流量為30 L/min。

PID控制公式為

i=Kpu+Ki∫tt0udt+Kddudt。

式中：i為輸出信號(hào)；u為輸入信號(hào)；Kp為比例系數(shù)； Ki為積分時(shí)間常數(shù)； Kd為微分時(shí)間常數(shù)

；t為時(shí)間；t0為初始時(shí)間。

比例系數(shù)Kp的作用是發(fā)生偏差時(shí)立即產(chǎn)生控制減少偏差；積分時(shí)間常數(shù)Ki的作用是消除靜差，提高系統(tǒng)誤差度；微分時(shí)間常數(shù)Kd的作用是加快系統(tǒng)動(dòng)作速度，減少響應(yīng)時(shí)間。由于固定鉗和動(dòng)鉗從開(kāi)始工作到夾緊鉆桿時(shí)間很短，因此可以忽略微分時(shí)間常數(shù)，僅設(shè)置比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)[1418]。

4.2.2 夾持定位精度及應(yīng)力

為研究PID控制液壓系統(tǒng)的同步性能，先針對(duì)鐵鉆工固定鉗的夾持情況進(jìn)行分析， 當(dāng)液壓缸輸入流量分別為30、42、54和66 L/min，即單個(gè)液壓缸輸入流量分別為10、14、18和22 L/min時(shí)，鉆桿軸線偏移角度如圖11所示。

通過(guò)圖11可知，隨著液壓缸輸入流量增大，鉆桿軸線偏移角度增大，但增加的幅度并不大，液壓缸輸入流量不超過(guò)54 L/min時(shí)，鉆桿軸線繞y軸偏角可以控制在0.10°以內(nèi)，鉆桿軸線繞x軸偏角可以控制在0.06°以內(nèi)。當(dāng)液壓缸輸入流量分別為30、42、54和66 L/min時(shí)，固定鉗夾緊鉆桿的時(shí)間（響應(yīng)速度）分別為11.8、8.5、6.8和5.5 s，液壓缸輸入流量越大，固定鉗響應(yīng)速度越快，但響應(yīng)速度的提升幅度越小。

根據(jù)仿真分析可知，當(dāng)液壓缸輸入流量不超過(guò)54 L/min時(shí)，上下鉆桿重心沿x軸和y軸方向的距離分別可以控制在1.93和2.85 mm以內(nèi)，其定位精度較高。因此在單個(gè)液壓缸輸入流量為18 L/min時(shí)，PID控制既可以保證固定鉗的響應(yīng)速度，也可以使固定鉗夾持鉆桿保持較好的定位精度。

進(jìn)一步對(duì)鉆桿間接頭螺紋徑向力進(jìn)行分析，可研究液壓缸輸入流量與鉆桿間接頭螺紋徑向力的關(guān)系。接頭螺紋徑向力變化曲線如圖12所示。由圖12可知，隨著液壓缸輸入流量增大，夾持鉆桿速度變快，同時(shí)接頭螺紋徑向力峰值會(huì)增大，但徑向力終值基本不變。可見(jiàn)液壓缸輸入流量對(duì)鉆桿間接頭螺紋徑向力的影響不大。

綜上所述，同步分流馬達(dá)和模糊PID控制均可以保證鐵鉆工固定鉗和動(dòng)鉗有較好的夾持定位精度；但想通過(guò)同步分流馬達(dá)使固定鉗和動(dòng)鉗達(dá)到較高的夾持定位精度，還需要保證液壓缸負(fù)載均勻和管路對(duì)稱布置。在實(shí)際工作中，由于現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜和加工精度不高等原因，這些條件很難滿足；而PID控制可以對(duì)液壓缸工作時(shí)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因此基于模糊PID的多液壓缸同步控制更為實(shí)用。

5 優(yōu)化后全液壓鐵鉆工上卸扣時(shí)鉆桿接頭螺紋受力

鐵鉆工主要功能是對(duì)鉆桿套管進(jìn)行旋扣、上緊扣、沖扣和卸扣等動(dòng)作，本文主要對(duì)鐵鉆工旋扣和沖扣過(guò)程進(jìn)行鉆桿接頭螺紋徑向力分析。當(dāng)鉆桿進(jìn)行旋合時(shí)，首先由旋扣鉗夾緊鉆桿，10 s后旋扣鉗前端的擺線馬達(dá)帶動(dòng)上部鉆桿進(jìn)行旋扣，旋扣時(shí)鉆桿接頭螺紋徑向力變化曲線如圖13a所示。由圖13a可知，鐵鉆工進(jìn)行旋扣動(dòng)作時(shí)，鉆桿接頭螺紋會(huì)產(chǎn)生較大的不平衡徑向力，其峰值為641.0 N。

當(dāng)上部鉆桿進(jìn)行沖扣時(shí)，固定鉗夾緊下部鉆桿，動(dòng)鉗夾緊上部鉆桿，10 s后卸扣油缸帶動(dòng)動(dòng)鉗旋轉(zhuǎn)沖扣，沖扣時(shí)鉆桿接頭螺紋徑向力變化曲線如圖13b所示。由圖13b可知，鐵鉆工進(jìn)行沖扣動(dòng)作時(shí)，鉆桿接頭螺紋也會(huì)產(chǎn)生較大的不平衡徑向力，其峰值為17.2 kN。

綜上所述，鐵鉆工進(jìn)行上卸扣動(dòng)作時(shí)，均會(huì)產(chǎn)生一定的不平衡徑向力，但進(jìn)行沖扣動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的徑向力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于旋扣鉆桿時(shí)產(chǎn)生的徑向力；這種較大的不平衡徑向力會(huì)加劇鉆桿接頭螺紋的磨損情況，甚至導(dǎo)致鉆桿接頭螺紋失效。

6 結(jié)論與建議

1）采用PID同步控制，使各液壓缸活塞桿位移相對(duì)于各液壓缸位移均值的偏差值進(jìn)行流量補(bǔ)償，可以減小鉆桿位置隨機(jī)性導(dǎo)致的液壓缸同步誤差，在液壓缸輸入流量較大的情況下能有效提高鐵鉆工夾持鉆桿時(shí)固定鉗和動(dòng)鉗液壓缸的夾持定位精度。

2）鐵鉆工上卸扣鉆桿時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的不平衡徑向力。這種較大的不平衡徑向力會(huì)加劇鉆桿接頭螺紋的磨損情況，甚至導(dǎo)致鉆桿接頭螺紋失效。

針對(duì)分析得到的不平衡徑向力變化情況，可以進(jìn)一步對(duì)鉆桿接頭螺紋的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，以研究不平衡徑向力對(duì)鉆桿接頭螺紋磨損的影響，并進(jìn)一步研究如何減弱這種不平衡徑向力。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 任紅偉. 深水海洋平臺(tái)自動(dòng)化鐵鉆工研制[J]. 中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報(bào)， 2021， 35（3）： 8588.

Ren Hongwei. Development of Automatic Iron Drillers for Deep-Water Offshore Platforms[J]. Journal of Shengli College China University of Petroleum， 2021， 35（3）： 8588.

[2] 程曉麗，楊琨，黃元元，等. 三點(diǎn)直推式鐵鉆工沖扣鉗殼體關(guān)鍵制造技術(shù)[J].機(jī)械工程師， 2021（7）： 161162，167.

Cheng Xiaoli， Yang Kun， Huang Yuanyuan， et al. Key Manufacturing Technology for Three-Point Direct-Push Iron Roughneck Clamping Plier Housing[J]. Mechanical Engineer， 2021（7）： 161162，167.

[3] 鄭顯赫，王清巖，盛潔，等. HIR90型全液壓鐵鉆工自動(dòng)定位過(guò)程分析[J].世界地質(zhì)， 2022， 41（3）： 664674.

Zheng Xianhe， Wang Qingyan， Sheng Jie， et al. Analysis of Automatic Positioning Process of HIR90 Fully Hydraulic Iron Roughneck[J]. World Geology， 2022， 41（3）： 664674.

[4] 李權(quán). 鐵鉆工旋扣裝置優(yōu)化及其滾輪性能研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2022.

Li Quan. Research on Optimization of Iron Roughneck Spinner Mechanism and Performance of Spin-Roller[D]. Changchun：Jilin University， 2022.

[5] 景佐軍，徐小鵬，南樹(shù)歧，等.鐵鉆工旋扣鉗碳纖維滾輪優(yōu)化與試驗(yàn)[J].機(jī)械工程師， 2021（3）： 7578.

Jing Zuojun， Xu Xiaopeng， Nan Shuqi， et al. Optimization and Testing of the Carbon Fiber Roller in an Iron Roughneck’s Spinner[J]. Mechanical Engineer， 2021（3）： 7578.

[6] 甘心.頁(yè)巖氣鉆井用機(jī)械式螺桿沖擊器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版）， 2022， 52（4）：12151222.

Gan Xin. Structural Design and Application of Mechanical PDM Impactor Used in Shale Gas Wells[J]. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2022， 52（4）：12151222.

[7] 馬銀龍，張?jiān)姀芨＼姡?孕鑲金剛石鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)及其在甘青隧道應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版）， 2023， 53（6）：18451853.

Ma Yinlong，Zhang Shiyu，Zhou Fujun，et al. Impregnated Diamond Bit Optimal Design and Application in Ganqing Tunnel[J]. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2023， 53（6）：18451853.

[8] 鮑繼兵，李捷，王毫旗.基于AMESim的液壓挖掘機(jī)負(fù)載敏感液壓控制系統(tǒng)仿真分析[J].工程機(jī)械， 2022， 53（7）： 5663.

Bao Jibing，Li Jie，Wang Haoqi. Simulation Analysis of Load Sensing Hydraulic Control System of Hydraulic Excavator Based on AMESim[J]. Construction Machinery and Equipment， 2022， 53（7）： 5663.

[9] 潘鋒.電液雙控負(fù)載敏感比例多路閥先導(dǎo)回路研究[J].煤礦機(jī)械， 2022， 43（10）： 2931.

Pan Feng. Study on Pilot Circuit of Electro-Hydraulic Double Control Load Sensitive Proportional Multi-Channel Valve[J]. Coal Mine Machinery， 2022， 43（10）： 2931.

[10] 付景超，韓澤昱.基于滑模的三維Coullet系統(tǒng)魯棒控制[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2023，61（4）：943949.

Fu Jingchao，Han Zeyu. Robust Control of Three-Dimensional Coullet System Based on Sliding Mode[J]. Journal of Jilin University （Science Edition），2023，61（4）：943949.

[11] 劉向陽(yáng)，蔣眾，何寥，等.同步分流馬達(dá)選型分析及試驗(yàn)研究[J].液壓氣動(dòng)與密封， 2020， 40（12）： 5054.

Liu Xiangyang， Jiang Zhong， He Liao， et al. Selection Analysis and Experiment Research of Hydraulic Synchronous Motor[J]. Hydraulics Pneumatics amp; Seals， 2020， 40（12）： 5054.

[12] 王貴橋，高揚(yáng)，張福波，等. 基于同步馬達(dá)的液壓多缸同步提升系統(tǒng)仿真研究[J]. 機(jī)床與液壓， 2022， 50（19）： 148152.

Wang Guiqiao， Gao Yang， Zhang Fubo， et al. Simulation Research of Hydraulic Multi-Cylinder Synchronous Lifting System Based on Gear-Motor Flow-Divider[J]. Machine Tool amp; Hydraulics， 2022， 50（19）： 148152.

[13] 錢韡愷，卞永明，馬利忠，等. 基于AMESim的雙液壓缸同步提升系統(tǒng)仿真分析[J]. 機(jī)電一體化， 2022， 28（1）： 1521.

Qian Weikai， Bian Yongming， Ma Lizhong， et al. Simulation Analysis of Double Hydraulic Cylinder Synchronous Lifting System Based on AMESim[J]. Mechatronics， 2022， 28（1）： 1521.

[14] 王剛，宋英杰，唐武生，等.基于串級(jí)PID的機(jī)器魚(yú)位姿控制算法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2022，60（3）：734742.

Wang Gang，Song Yingjie，Tang Wusheng，et al. Posture Control Algorithm of Robotic Fish Based on Cascade PID[J]. Journal of Jilin University （Science Edition），2022，60（3）：734742.

[15] 吳翠紅，郝芯.多缸液壓機(jī)的模糊自整定積分分離PID同步控制[J].鍛壓技術(shù)， 2022， 47（3）： 146153.

Wu Cuihong， Hao Xin. Fuzzy Self-Tuning Integral Separation PID Synchronous Control on Multi-Cylinder Hydraulic Press[J]. Forging amp; Stamping Technology， 2022， 47（3）： 146153.

[16] 陳杰，泮進(jìn)明.基于誤差反饋的雙缸液壓系統(tǒng)同步模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].鍛壓技術(shù)， 2022， 47（3）： 142145，168.

Chen Jie， Pan Jinming. Design on Synchronous Fuzzy PID Control System for Double-Cylinder Hydraulic System Based on Error Feedback[J]. Forging amp; Stamping Technology， 2022， 47（3）： 142145，168.

[17] 周山旭，羅艷蕾，杜黎.水田整平機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓缸模糊PID同步控制仿真設(shè)計(jì)[J].液壓氣動(dòng)與密封， 2021， 41（11）： 2932.

Zhou Shanxu，Luo Yanlei，Du Li. Fuzzy PID Synchronous Control Simulation Design of Driving Hydraulic Cylinder for Paddy Field Leveler[J]. Hydraulics Pneumatics amp; Seals， 2021， 41（11）： 2932.

[18] 涂凌志.多點(diǎn)同步液壓頂升系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].起重運(yùn)輸機(jī)械， 2022（10）： 5863.

Tu Lingzhi. Research and Application of Multi-Point Synchronous Hydraulic Jacking System[J]. Hoisting and Conveying Machinery， 2022（10）： 5863.