全液压自动猫道翻板机构动力学仿真分析*

□ 李艳娇 □ 于 萍 □ 谭志松 □ 张 鹏

吉林大学 机械科学与工程学院 长春 130025

当前，国内井场钻井平台作业施工中，钻具上下钻台过程仍以人工操作为主，其劳动强度大而且不安全，不能满足石油钻井、大陆科学钻探等频繁上下钻杆的要求［1］。为此，结合我国深部大陆科学钻探的施工要求，笔者自主研发了全液压自动猫道。翻板机构是全液压自动猫道的重要组成部分，其作用是将钻杆从平台平面翻转到举升滑道内，通过调整液压缸杆的伸出速度，使钻杆平稳地进入举升滑道内［2］。

1 翻板机构机构设计

翻板机构模型简图如图1、图2所示，由图可知翻板机构的工作原理是：当钻杆被平台上的挡销挡住，停放在平台上初始速度为零（或者具有一定的初速度）时，翻板机构开始运动，靠近举升滑道侧的液压缸1保持压力不动，起到旋转支点的作用。控制靠近平台侧的液压缸2，使其液压缸杆伸出，将翻板组件绕着液压缸1的支点旋转，通过控制液压缸2的流量，从而控制翻板组件的翻转角度，使钻杆通过翻板组件的速度保持稳定，从而平稳的滚落［3］。

2 翻板机构运动学仿真

钻杆在翻板机构上面滚落时，必须绕过平台上的挡销，这给钻杆滚落增加难度，因而对钻杆滚落速度的控制，也就是对翻板机构中的液压缸起升的控制显得尤为重要［4］，针对不同的钻杆翻板机构驱动函数的确定、钻杆滚落速度、钻杆与翻板机构的接触力的测量，这些数据将为实际调试过程提供理论依据。

2．1 翻板机构仿真模型

利用ADAMS软件，建立翻板机构仿真模型，如图3、图4所示，在翻板机构翻转时，对不同型号的钻杆进行分析，从而得到钻杆运动过程中的受力以及运动曲线［5］。

▲图2 翻板机构运动示意图

▲图4 翻板机构局部仿真模型

2．2 翻板机构仿真曲线

对直径为114、127、146mm3种型号的钻杆进行运动学及动力学仿真并比较分析，总结出适合钻杆的驱动函数，从而提高输送钻杆的能力。

针对114钻杆进行仿真分析，测出钻杆的运动质心速度变化。设定驱动函数为STEP（time，0，15，0．5 ， 20 ）+STEP （time ， 0．5 ， 0 ， 1 ，10 ）+STEP（time，1，-20，5，-30）。

由图5曲线可知，在t=4．414s时，钻杆的速度为704mm/s，即钻杆滚离平台的时间和速度。

图6与图7所示为钻杆与翻版机构碰撞力示意图，钻杆与翻板机构接触力呈震荡曲线变化，当速度变大后，钻杆与翻板机构之间的碰撞越严重，所以在保证时间的基础上，要控制钻杆滚落速度。

针对127钻杆，当设定127钻杆的驱动函数与114钻杆相同时，127钻杆会被挡销挡住，因而改变驱动函数为 STEP （time，0，5，0．5，15）+STEP（time，0．5，0，1，15）+STEP（time，1，-20，5，-30），此时钻杆可以顺利绕过挡销，滚过翻板机构，图8为127钻杆质心速度变化曲线示意图。

▲图5 114钻杆质心速度曲线

▲图6 114钻杆与翻板机构1碰撞力曲线

▲图7 114钻杆与翻板机构2碰撞力曲线

▲图8 127钻杆质心速度变化曲线

▲图9 127钻杆与翻板机构1接触力曲线

▲图10 127钻杆与翻板机构2接触力曲线

▲图11146钻杆质心速度曲线

▲图12 146钻杆与翻板机构1接触力曲线图

▲图13 146钻杆与翻板机构2接触力曲线图

由图8可知，钻杆在t=3．455s时滚离翻板机构，此时的速度为1184mm/s，钻杆滚落速度较平稳。

由图9与图10可知，127钻杆与翻板机构接触力呈波动变化，钻杆与翻板机构之间运动为滚动，随着速度增大，振动的幅度也在增大。

针对146钻杆，设定驱动函数STEP（time，0，10 ， 0．3 ，20 ）+STEP（time， 0．3，0 ， 1 ， 10 ）+STEP（time，1，0，3，0）+STEP（time，3，-20，7，-30）时，由图11可知，钻杆在t=3．5s之前运动较平稳，3．5s以后钻杆在重力作用下速度线性增长，当t=4．98s时，钻杆脱离翻板机构时的速度为1035mm/s。

由图12与图13可知，翻板机构受力较平稳，但是在个别时间点会出现碰撞现象。

通过对114、127、1463种常用的钻杆进行运动学与动力学分析，观察比较114钻杆与127钻杆的滚落时间可知：随着钻杆直径的增大，钻杆质量以及钻杆在翻板机构上的滚落速度也随之增大。从而在控制翻板机构举升速度时，要根据不同的钻杆而定。通过对114、127钻杆与146钻杆速度之间的比较，由于146钻杆质量较大，从而导致钻杆在翻板机构上滚落速度是很快的，要通过调整驱动函数来减慢146钻杆的滚落速度。

3 结论

（1）通过控制液压缸活塞杆的驱动速度得到适合钻杆滚落的驱动函数，在保证时间的前提下，使直径为114、127、147mm的3种钻杆在翻板机构上面的滚落速度减小。

（2）通过钻杆与翻板机构的接触力曲线以及翻板机构1与翻板机构2所受到的接触力之间进行比较，得到结论：钻杆与翻板机构之间接触力曲线呈波动并存在碰撞现象，翻板机构1与翻板机构2所受到的接触力曲线大体相同，但是存在个别冲击现象。

［1］ 赵淑兰．动力猫道技术国内外现状和发展趋势［J］．石油矿场机械，2010，39（2）：13-15．

［2］ 尹晓丽．钻杆自动传送系统及设计方案［J］．石油矿场机械，2009，38（7）：42-46．

［3］ 寇红涛．液压动力钻杆排放猫道设计及应用［J］．石油机械，2008，36（9）:29-30．

［4］ 刘承建．液压猫道装置［P］．中国专利：CN101761313A，2010-06-30．

［5］ 郑建荣．ADAMS虚拟样机技术入门与提高［M］．北京：机械工业出版社，2007．