修井作业井口上卸扣自动化控制的设计与仿真*

常玉连,李明浩,胡庆勇,张有峰,于 磊

(1.东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318； 2.大庆油田工程建设有限公司， 黑龙江 大庆 163161)

修井作业井口上卸扣自动化控制的设计与仿真*

常玉连1,李明浩1,胡庆勇1,张有峰1,于 磊2

(1.东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318； 2.大庆油田工程建设有限公司， 黑龙江 大庆 163161)

应用SolidWorks进行建模，完成整机液压和一种新型液压背钳结构设计，基于西门子S7-200 PLC和相应的传感器，提出整机控制理论和实现开口式液压主钳非接触式自动对缺口的理论。在Adams中建立液压主、背钳的液压系统，设定换向阀的控制函数，分析了液压背钳在夹紧油管时液压缸的夹紧力、速度及液压缸工作腔压力变化和液压主钳液压马达输出扭矩和液压主钳输出扭矩变化。通过仿真得到背钳可为主钳上卸扣提够足够夹紧力，为液压元件选型和装置生产设计提供依据。

液压钳；PLC；机液联合仿真；Adams

0 引 言

随着修井作业增多，我国的修井设备也向自动化方向发展，现已有钻修井管柱处理系统，该系统管柱作业由人工参与变成人工控制，让工人远离危险区域。管柱处理系统减轻了工人劳动强度、提高了安全操作水平、降低了操作风险，是实现安全、健康钻井和提高钻井效率的有效途径[1-4]。为了实现修井作业中井口无人作业，就要实现井口设备的自动化控制，适应不同尺寸的油管和抽油杆的上卸扣自动化控制。笔者主要阐述了对修井作业井口装置的整机液压原理图、PLC控制程序的顺序功能图、应用霍尔传感器实现液压主钳非接触式自动对缺口和一种新型液压背钳的设计与仿真，根据油管的上扣扭矩分析计算液压背钳的夹紧力，并根据液压被钳的工作参数要求，计算其基本液压参数。通过Adams软件进行机液联合仿真。

1 操作功能和结构

如图1所示，修井机在起下油管过程中完成上卸扣操作的主要工作系统有扶正手、液压主钳、液压背钳、卡瓦。其工作过程是油管提升到合适位置，卡瓦卡紧、上支架移动到合适位置、扶正手扶正油管、液压背钳夹紧、由液压主钳完成上卸扣，这些动作通过液压元件及电气控制元件联合实现，该装置可通过更换卡瓦钳、液压主钳颚板(将传统的液压动力钳颚板分成公颚板和母颚板两部分，如图2所示，通过更换母颚板来实现对不同尺寸的油管和抽油杆的上卸扣)、液压背钳钳头来实现对不同尺寸油管和抽油杆的上卸扣。

图1 修井作业井口装置的整机主要结构图

该装置的控制部分是液压传动和PLC可编程控制器联合实现的自动化控制。液压传动是以流体作为工作介质对能量进行传动和控制的一种传动形式，液传动具有输出力大，重量轻，惯性小，调速方便，易于控制等优点。液压传动系统一般由动力装置、执行装置、控制装置、辅助装置和传动介质组成。执行装置中的阀类元件是液压传动系统控制的核心，应用不同的阀类在液压传动系统中构成基本液压回路，包括用来控制执行元件(液压缸、液压马达) 运动方式的换向回路，控制液压系统全部或局部压力的压力控制回路，控制执行元件运动速度的速度控制回路等。如图3、4所示为整机液压原理图和PLC顺序功能图。

图2 液压主钳颚板

图3 整机液压原理图

图4 PLC 顺序功能图

可编程控制器PLC具有可靠性高，抗干扰能力强，组合灵活，编程简单，维修方便等优点。随着技术的进步，其控制功能由简单的逻辑控制，顺序控制发展为复杂的连续控制和过程控制。液压控制系统的设计中，把各种指令信号和检测液压缸运动的反馈信号作为PLC的输入，PLC 输出的控制信号控制液压系统各个电磁阀的电磁铁，进而控制液压油路的流动方向和速度，从而控制液压元件运动及其速度[5-6]。

2 液压主钳自动对缺口

应用霍尔传感器来实现对开口式液压主钳非接触式自动对缺口，将传感器的磁钢安装在液压主钳大齿轮上方无齿轮牙侧，而传感器安放在液压主钳壳体上，当传感器得电液压主钳开始对缺口，当传感器轴线和磁钢轴线共线时，即液压主钳缺口对齐。在对缺口时大齿轮旋转磁钢相对于传感器是由远到近的过程，信号由弱变强，缺口对齐时传感器信号是由弱变强再由强变弱过程，此信号类似于矩形波，应用PLC的上升沿和下降沿指令如图5所示，对该信号进行处理得到脉冲信号，控制液压主钳的液压马达，完成自动对缺口[7]。

图5 对缺口传感器信号处理

2.1 液压背钳的结构

图6所示为液压背钳的主要结构。

图6 液压背钳主要结构1.液压背钳钳体 2.连接铰耳 3.辅助扶正器 4.滚轮 5.调节弹簧 6.钳头 7.钳牙 8.测力传感器

液压背钳钳体在上支架背钳轨道内在液压缸的作用下往复运动，液压缸固定在上肢架的背钳固定架上，液压杆铰耳与液压背钳连接铰耳连接，防止背钳夹紧油管时辅助扶正器夹紧油管阻碍上卸扣，辅助扶正器内有滚轮，辅助扶正器与钳头之间装有调节的弹簧，调节弹簧使得当油管上卸扣时可使辅助扶正器沿油管轴线方向的移动。当油管上扣时仅凭借图1中扶正手来扶正油管并不能满足油管上扣时的对中性，通过现场试验发现只用扶正手扶正油管时，往往会出现一根油管的公扣不能准确的与另一根油管的母扣对接，该液压背钳上扣时，钳头夹紧油管的接箍，当钳头夹紧油管接箍的同时辅助扶正器会夹紧带有公扣的油管，来实现油管公扣和母扣良好的对接，如图7所示为液压背钳夹紧油管。为实现自动化控制在液压背钳上设有测力传感器，通过传感器测得液压背钳的夹紧力，并将信号发送到控制系统实现背钳夹紧时的自动化控制。

图7 液压背钳夹紧油管1.夹紧液压缸 2.上支架背钳导轨 3.背钳钳体 4.油管接箍

3 液压主背钳机液联合仿真

标准油管的上扣扭矩值有明确的规定，根据油管最大上扣扭矩值，应用取平均值法和式(1)来设定夹紧力。

T=F·D

(1)

式中：T为油管最大上扣扭矩值取平均值得到的扭矩值；D为油管的直径；F为油管的夹紧力。

为实现修井作业过程中井口无人上卸扣作业，要求液压背钳的夹紧力范围较宽；为实现对不同油管上卸扣时液压背钳可提供足够的夹紧力，根据常用油管上扣扭矩，选择扣型为FOX、钢级为JFE110S、规格为4″×10.92 mm、上扣扭矩为12 150 N·m，半径为116 mm的油管，根据式(1)的背钳夹紧力为104.7 kN，液压被钳加紧油缸直径为125 mm，系统压力为12 MPa。

液压系统虚拟样机模块，是Adams软件的扩充模块之一，能够同机械系统模块很好的耦合，建立和测试液压系统虚拟样机，实现在计算机上对液压系统的动、静态特性分析仿真[8]。在Adams/Hydraulics中建立液压系统回路，通过液压缸的I_Marker和J_Marker两个坐标系，将液压回路和机械系统关联起来，将液压缸的作用力施加到构件上，实现机液联合仿真[9]。液压主、背钳的液压系统包括：液压源、溢流阀、单向分流阀、油箱、三位四通电磁换向阀、液压缸、二通连接器和三通连接器、液压马达，如图8所示。

主钳采用XQ114/6YB型液压动力钳进行仿真，它所提供的额定抵挡扭矩为6 000 N·m。将模型导入Adams/View中，通过仿真分析观察，仿真过程中将油管简化为一根圆柱，为了检验所设计的背钳能否提供足够夹紧力，先让主钳带动油管转动，再由背钳提供夹紧力，其控制函数如图8、9所示。液压缸和液压马达的机械控制通过换向阀的控制函数实现相应的功能，液压背钳三位四通电磁换向阀的控制函数为：step (time, 0.8, 0.0, 1.0, 0)+step (time,1.2, 0.0, 1.8, 1)+step (time,2.4, 0.0, 2.6, -1)，液压马达三位四通电磁换向阀的控制函数为：step (time, 0.0, 0.0, 0.2, 1)+step (time,2.0, 0.0, 2.2, -1)，数值1和-1代表阀的两种工作状态，表示处于换向阀的两端。

图8 液压马达换向阀控制曲线

图9 油缸换向阀控制曲线

在规定的液压系统压力下进行机液联合仿真，仿真时间为3 s,步数为300步，如图11、12所示为仿真模型。

图10 液压主背钳夹紧机构仿真模型图 图11 液压主背钳夹紧机构紧状态模型图

1.开口式液压主钳 2.油管 3.液压背钳

如图12～14所示，液压背钳的工作状况，背钳夹紧力为106 kN，满足要求；其工作腔A腔的最大压力为11.8 MPa，小于系统压力12 MPa满足要求，油缸运动速度最大为0.12 m/s。图15所示为马达输出扭矩与主钳输出扭矩之间的关系图，当马达的输出扭矩达到4 200 N·m时液压主钳所提供的上口扭矩为12 200 N·m。

如图16所示，当背钳夹紧油管后油管的角速度逐渐减小，当背钳的夹紧力达到最大值时油管的角速度为0 rad，说明背钳能为主钳上卸扣提够足够的扭矩；如图17所示，通过测量油管之反力得到背钳夹紧时主钳扭矩输出情况，背钳夹紧力达到最到值时，主钳输出扭矩在1.91 s时，扭矩值为12 206 N·m，之后减小至0 N·m。

图12 背钳夹紧油缸夹紧力 图13 背钳夹紧油缸工作腔A腔压力

图14 背钳夹紧油缸速度 图15 主钳和马达输出扭矩

图16 油管角速度 图17 背钳夹紧时主钳输出扭矩

4 结 语

为实现修井作业井口装置在上卸扣时自动化控制,必须将人工操作变为人工控制,就需要对一些主要机构进一步完善,该装置控制的首要问题是开口式液压主钳的自动对缺口、主钳的上卸扣扭矩和液压背钳的夹紧力的控制。笔者阐述了有关自动对缺口和液压背钳的自动化控制理论，并且对液压主、背钳进行了机液联合仿真分析，得到在该压力状态下液压主、背钳的工作状态。通过分析看出液压主、背钳在该工作压力下液压背钳可以夹紧油管，主钳可以完成上扣，仿真过程是在理想条件下进行的，在实际中可能出现两侧液压背钳运动不同步，此时通过液压系统的调试可实现其同步工作。

[1] 常玉连，肖易平，高 胜，等.修井井口机械自动化装置的研究进展[J].石油矿场机械，2008，37(5)：62-67.

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[3] 杨月明，常玉连，高 胜，等.井口起下油管作业自动化装置实验与液压控制系统仿真[J].石油矿场机械，2013，42(5)：8-11.

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Design and Simulation of Automation Control for Shackle

CHANG Yu-lian1, LI Ming-hao1, HU Qing-yong1, ZHANG You-feng1, YU Lei2

(1.NortheastPetroleumUniversity,DaqingHeilongjiang163318,China；2.DaqingOilfieldEngineeringConstructionCo.,Ltd,DaqingHeilongjiang163161,China)

The hydraulic system and new type of lower clamp was built with SolidWorks and put forward the whole machine control theory and the theory of non-contact automatic gap alignment for open type hydraulic main clamp based on the Siemens S7-200 PLC and corresponding sensor. The hydraulic system of main and lower clamp was set up in Adams and the control function of reversing valve was set to analyze the clamping force, speed and pressure changes of working chamber of the hydraulic cylinder and output torque change of hydraulic motor. The design parameters of clamped tubing was

and provides design basis for production.

hydraulic tong；PLC；machine & fluid simulation；Adams

2014-03-10

常玉莲(1951-)，男，辽宁鞍山人，教授，主要从事机械系统仿真与控制技术方面的研究工作。

TE358

A

1007-4414(2014)02-0011-04