自动猫道机起升钢丝绳受力特性研究*

任得勇，刘雁蜀，王元忠，师 涛，向小荣

(1.西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065； 2.兰州兰石能源装备工程研究院有限公司 青岛分公司，山东 青岛 266520)

自动猫道机起升钢丝绳受力特性研究*

任得勇1，刘雁蜀1，王元忠2，师 涛2，向小荣2

(1.西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065； 2.兰州兰石能源装备工程研究院有限公司 青岛分公司，山东 青岛 266520)

自动猫道机是用于实现钻具自动上下钻台的装置，可大大提高劳动效率。为了研究自动猫道机起升钢丝绳的受力特性，提高系统的安全性，根据猫道机的运动特征，建立了简化的力学模型，对钢丝绳的各个运动位置进行受力计算，并利用ADAMS软件对起升过程进行动态仿真，模拟钢丝绳的受力，对简化的力学模型进行验证。结果表明，钢丝绳受力分析是正确的，模型简化是合理的。该受力模型为猫道机钢丝绳设计选型提供了理论基础，同时也提出了新的研究思路。

自动猫道机；力学模型；运动副；运动仿真

Abstract: Automatic catwalk machine is a device used for realizing automatic upper and lower drill floor which can greatly improve the efficiency of labor. In order to study hoisting wire rope force characteristics of the machine and improve the security of the system, according to the motion characteristics of the machine, the article established a simplified mechanical model, calculated the force of the wire rope of each movement, and simulated the lifting process by using ADAMS software, for simulating the force of wire rope, and verifying the simplified mechanical model. The results show that the force analysis of wire rope is correct, the simplified model is reasonable. The simplified model provides theoretical basis for the design and selection of wire rope, and puts forward a new research idea.

Key words: automatic catwalk; mechanical model; joints; motion simulation

0 引 言

自动猫道机是用于实现钻具(套管、钻杆、钻铤等)自动上下钻台的装置，是现代自动化钻井设备的重要组成部分。我国目前的陆地钻机中，钻具的上下钻台作业都以人工操作为主，效率低，工人劳动强度大，自动猫道机的应用能够大大提高钻井效率，减少钻具上下钻台时的磨损，降低钻井成本。

为了提高钻机的自动化程度，满足安全性和效率的需求，自动猫道机已成为石油装备行业研究的热点。由于其结构和工作环境不同，研究方向也各不同，但是对于陆地钻机用自动猫道机起升钢丝绳的研究几乎没有。起升钢丝绳作为核心部件，直接决定着整个猫道机的工作性能，笔者通过介绍其主要结构和工作原理，建立了钢丝绳受力简化模型，并进行了详细的分析计算，最后利用ADAMS软件对起升过程进行了动态仿真[1-3]。

1 自动猫道机主要结构

自动猫道机整体结构如图1所示，主要技术参数：最大工作载荷为4 500 kg，处理钻具最大长度为14.3 m，可处理直径为60.3～168.3 mm，钻杆、直径为88.9～279.4 mm，钻铤、直径为609.6 mm套管，适用钻台高度为9.6 m，能够本地和远程控制。基座连接着坡道，承载着支撑臂和运移臂，是猫道机的重要部件；支撑臂安装在基座中间槽内，可前后移动，主要用来承载运移臂；运移臂与支撑臂铰接，顶端有V形凹槽，用以承载钻具，端部安装有滑动小车，用来推送钻具；坡道连接着基座与钻台面，作为运移臂上下钻台的滑道；液压绞车通过钢丝绳连接着运移臂，钢丝绳传递动力实现钻具的上下钻台运动。

图1 自动猫道机总体结构

2 自动猫道机工作原理

运移臂与支撑臂通过旋转轴连接，其尾端设有两个滑轮，可沿着基座上的轨道进行滚动，前端设有2个滚轮，可以沿着基座和坡道上的滑槽上下滚动；支撑臂一端与运移臂通过旋转轴铰接，另一端设有2个滑轮，沿着基座轨道滚动；工作时，运移臂在钢丝绳的作用下，沿着坡道向上运动，支撑臂在运移臂的带动下，先沿着基座轨道向前运动，当运动到一定位置时，支撑臂与基座上的挡块接触，平移运动结束，开始旋转运动，当运移臂移动到坡道顶部，进入钻台面时，运移臂开始沿坡道顶部的旋转轴做平移和旋转运动，直到最终状态。猫道机运动状态如图2～5所示。

图2 水平状态 图3 运动第一阶段

图4 运动第二阶段 图5 运动第三阶段

3 受力模型的建立

根据自动猫道机的结构形式和工作原理，将起升过程的受力状况分为三个阶段，如图3～5所示。第一阶段，在钢丝绳拉力作用下，运移臂和支撑臂在基座上依靠滑轮滚动；第二阶段，支撑臂以滑轮中心为旋转轴开始向上旋转，运移臂脱离基座，整体上升；第三阶段，支撑臂继续旋转，运移臂脱离坡道滑槽，沿着坡道顶部转轴向钻台面滑动[4-5]。

猫道机的运动过程相对简单，但是整个机构由复杂的零部件组成，为了简化计算，设定以下假设条件：

(1) 受力分析的各个过程，猫道机处于受力平衡状态；

(2) 各转动副摩擦忽略不计；

(3) 各构件内部结构复杂，重心位置，位于几何中心。

已知参数，运移臂重量G1=10.6 t(含最大工作载荷)，长度l1=16.2 m，支撑臂重量G2=0.6 t，长度l2=6.7 m，坡道倾角为135°，支撑臂倾角为θ，变化范围为1.2°～75°，运移臂倾角为α，变化范围为0°～88.5°，滑轮滚动摩擦系数取0.1，钢丝绳拉力为P，运移臂受到坡道支撑力为N。

3.1 第一阶段受力分析

受力简化模型如图6所示，f1、Fy1为基座对运移臂的摩擦力和支撑力，f2、Fy2为基座对支撑臂的摩擦力和支撑力。以运移臂和支撑臂为整体进行分析，根据∑X=0，∑Y=0得：

f1=μFy1，f2=μFy2，f3=μN

分别以运移臂、支撑臂为独立体，建立力矩平衡方程，根据∑M=0得：

由以上方程得钢丝绳拉力P与运移臂倾角α之间的函数为：

P=m1(α)

根据函数关系得到P随α变化的数据表1，由表1中数据可知，第一阶段钢丝绳拉力随运移臂倾角变化不大，近似成线性关系。

图6 简化模型一

角度/(°)钢丝绳拉力P/kN045．0445．3845．61245．91646．22046．52346．7

3.2 第二阶段受力分析

运移臂离开基座，以支撑臂滑轮为支点进行旋转运动，受力分析如图7，Fx2、Fy2分别为基座对支撑臂水平和竖直方向的支反力。由于该运动过程中角度α与θ之间没有确定的几何关系，为此，通过三维软件，动态模拟得到角度变化的对应关系数据，如表2。

图7 简化模型二

/(°)

利用MATLAB软件处理数据得到α与θ之间的曲线关系为：

α=0.003θ2+0.7136θ+23.452

以运移臂和支撑臂为整体进行分析，根据∑X=0，∑Y=0得：

分别以运移臂、支撑臂为独立体，建立力矩平衡方程，根据∑M=0得：

由受力方程得到钢丝绳拉力P与支撑臂旋转角度θ之间的关系为：

P=m2(θ)

根据函数关系得到P随θ变化数据表3，由表3中数据可知，起始旋转位置钢丝绳受力最大，随着角度θ的增大，钢丝绳的拉力逐渐减小。

表3 钢丝绳拉力P随角度变化数据表

3.3 第三阶段受力分析

运移臂到达坡道顶部，沿着转轴向钻台滑动，支撑臂继续旋转运动，受力分析如图8所示，β是钢丝绳与运移臂的夹角，在整个运动过程中变化很小，故取常数值β=6°，其余参数同3.2，角度α与角度θ之间的对应变化关系如表4。

表4 角度α随角度θ变化数据表 /(°)

图8 简化模型三

利用MATLAB软件处理数据得到 与 之间的曲线关系为：

α=0.03θ2+0.7136θ+23.452

Ncos (90+θ-α)+Fx2-Pcos (α-θ-β)=0

Nsin (90+θ-α)+Fy2+Psin (α-θ-β)-

G1-G2=0

lAD随着θ的增大逐渐变短，根据几何关系得到lAD随θ的变化关系式：

由受力方程得到钢丝绳拉力P与支撑臂旋转角度θ之间的关系为：

P=m3(θ)

根据函数关系得到P随θ变化数据表5，由表5中数据可知，随着角度θ的增大，钢丝绳的拉力逐渐减小。

综合以上各运动阶段的分析，得到钢丝绳受力在整个运动过程中的变化趋势，其随角度α变化如图9。

表5 钢丝绳拉力随角度变化数据表

图9 钢丝绳受力变化曲线

4 ADAMS仿真分析

建立关键零部件模型，基座、坡道(包括主滑轮、钢丝绳)、支撑臂(包括滑轮1、2)、运移臂(包括滑轮3、4，滚轮1、2)和滑车，导入ADAMS后，如图10所示。根据各构件之间的连接关系建立相应的运动副，并定义接触。由于ADAMS软件没有能够直接模拟钢丝绳的模型，根据钢丝绳对运移臂的作用效果，利用耦合副间接地模拟钢丝绳，并将运动过程分为两部分，第一部分，运移臂前端滚轮沿坡道滑槽运动，第二部分，运移臂沿坡道顶端转轴滑动[6-7]。

图10 导入ADAMS简化模型

添加驱动，保证机构整个运动过程都处于平衡状态，使得驱动产生的驱动力矩与钢丝绳施加给机构的力矩相等。通过仿真得到钢丝绳拉力随时间(即运动状态)的变化关系曲线，如图11～12所示。

图11中前10.4 s内，支撑臂在运移臂的推动下沿着基座轨道滑动，钢丝绳受力上下波动，但整体变化趋势一致，近似为直线；10.4 s时，支撑臂开始向上旋转，运移臂脱离基座，因此，受力突然增大到最大值157.1 kN，然后迅速下降。图12中，运移臂沿着坡道顶端转轴滑动，钢丝绳受力曲线成下降趋势，最大值位于初始时刻，为62.3 kN。综合两条曲线，其变化趋势与图9相一致，极限值相差大约5 kN，误差值小于10%，由此，可以判定受力简化模型是正确的，合理的。

图11 沿滑槽运动钢丝绳受力曲线

图12 沿顶端转轴运动钢丝绳受力曲线

5 结 论

(1) 通过建立自动猫道机各运动状态的简化模型，得到钢丝绳受力随运移臂倾角和支撑臂倾角的函数关系，为钢丝绳的选型提供了理论。

(2) 受力计算结果与仿真结果对比，验证了力学简化模型的正确性，为猫道机运动特性研究提供了一种新的方法。

(3) 尚未利用ADAMS软件建立离散化的、柔性的钢丝绳模型，这一点可以作为后续研究的重点，以便更好地、连续地模拟自动猫道机的运动过程。

[1] 赵淑兰，李文彪，聂永晋，等．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] 寇红涛，崔建春，刘海伟，等．液压动力钻杆排放猫道设计与应用[J]．石油机械，2008，36(9)：29-30.

[3] 尹晓丽，牛文杰，张中慧等．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.

[4] 朱吉良．钻杆自动传送系统结构设计与仿真分析[D]．长春：吉林大学，2012.

[5] 刘 强．石油钻机自动化猫道的研究与设计[D]．大庆：东北石油大学，2013.

[6] 李贺岩．深井钻机全液压自动猫道设计[D]．长春：吉林大学，2012.

[7] 李增刚．ADAMS入门详解与实例[M]．北京：国防工业出版社，2006.

Research on the Mechanical Properties of Automatic Catwalk Hoisting Wire Rope

REN De-yong1, LIU Yan-shu1, WANG Yuan-zhong2, SHI Tao2, XIANG Xiao-rong2

(1.Xi′anShiyouUniversity,SchoolofMechanicalEngineering,Xi′anShaanxi710065,China; 2.LanzhouLSEnergyEquimentEngineeringInstituteCo.,Ltd,QingdaoBranch,QingdaoShandong266520,China; )

2014-06-23

任得勇(1978-)，陕西渭南人，工程师，主要从事石油装备设计方面的研究工作。

TH117.2

A

1007-4414(2014)04-0054-04