修井作业V型管槽的受力仿真分析

李艳辉 姜义 董玉锋 汪进

摘 要：文中介绍了油管运移自动化系统，分析了油管沿V型管槽下滑的影响因素与结果，这为油管运移装置的设计提供了理论依据。

关键词：修井 管柱运移 V型管槽

中图分类号：TE935 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（c）-0122-02

随着现代机械向高速度、高精度、轻质和大型化发展，其构件的柔性显著增加，影响了机械的整体运动和系统的动态特性。单纯从刚体角度来考虑，已经不能满足机械系统动力学的精度要求。为了使所建立的模型较准确的反应原机构系统的特性，必须把该模型的部分构件做成可以产生变形的柔性体来处理，也就是刚—柔混合建模，才能更准确、更真实的反映原机构系统的动态特性[1]。

本文中的V型管槽是油管运移自动化系统的关键部位，在对该自动化系统作动力学特性研究时，如果将V型管槽当作刚性体来处理，在作运动分析时会得到一些动力学特性，但刚性体不会产生弹性变形，则不能真实、准确的反映油管运移自动化系统的动力学特性。因为在实际过程中，当油管下放到V型管槽中时，V型管槽会受到较大的冲击力，而且还会承受自身的重力，或者当油管完全进入V型管槽后，管槽沿滑道后退，V型管槽会受到较大的自身重力和单根油管的重量，V型管槽在受力后会发生变形和位移变化。因此，它的运动仿真分析就显得至关重要。本文采用三维造型软件Solidworks、有限元计算软件Ansys和多体系统动力学仿真软件Adams联合仿真来完成V型管槽的柔性运动仿真分析[2]。

1 油管运移自动化系统

如图1所示，油管运移自动化系统主要由底座、交剪支撑垂直起升装置、升降平台、斜起升装置、滑道、V型管槽等几部分组成。该装置的平台升降机构主要采用先进的双剪叉升降平台结构，一端为固定端，另一端为自由端，由液压缸控制，可使工作平台静止在0.65～1.8 m的任意高度。斜撑机构作为滑道的载体，一端与升降平台铰接，另一端与液压缸相连，最大起升高度可达1.6 m，最大倾斜角为12°。V型管槽进退主要是在液压缸的控制下，实现管槽前进与后退，将管柱准确送至井口处。

该油管运移自动化系统的作业过程分为以下三个步骤。

（1）起升管柱：将升降平台处于收拢状态，同时由工人推动管排架上的一个管柱，使管柱恰好在V型槽上方，在液压缸控制下，升降平台起升，管柱落入V型管槽中。

（2）斜起管柱：在升降平台起升到最大高度时，在液压缸控制下斜撑机构开始工作，使得管柱倾斜一定角度，以便前送管柱，实现送管作业。

（3）前送管柱：管槽沿滑道前进，使得管柱和作业平台有一个相同的定位基准，保证管柱的对中移送到指定的位置，完成接送管柱任务。然后逆向运动，退回到初始位置，准备下根管柱作业。回送管柱则是上述流程的逆过程。

2 虚拟样机模型的建立

利用有限元软件Ansys对V型管槽进行柔性处理，以实体单元solid 45来对V型管槽进行网格划分，生成柔性体V型管槽，然后利用Adams connection模块输出V型管槽的模态中性文件。将其导入到多体动力学仿真软件Adams中，该柔性体与模型中其它零件没有任何联系，可以通过运动副约束或柔性連接将其连接起来，值得注意的是，由于不能直接在柔性体上添加柔性联接、移动副或平面内运动虚约束等类似的约束，需要通过一个无质量联接物体将零件连接起来，然后将约束施加在这个无质量联接物体上。所以将一个无质量的V型管槽与V型管槽的柔性体连接在一起，在无质量的V型管槽上添加相应的约束以及运动激励，并对其它刚性构件添加相应约束，在Adams中完成V型管槽虚拟样机模型的建立，如图2所示。

3 油管下放过程仿真分析

在Adams中完成刚—柔耦合模型的建立后，开始进行仿真，针对油管的重量不同，油管下放的速度不同，以及V型管槽悬空的长度不同，分别对柔性V型管槽进行动力学仿真研究。

（1）不同重量的油管与V型管槽的接触碰撞仿真分析。

取尺寸为27/8in的油管（最重约121 kg）及尺寸最大的油管41/2in的油管（最重约200 kg）做与V型管槽的接触碰撞仿真分析。仿真结果表明，对于27/8in油管，油管接触V型管槽的瞬间，碰撞力激增到9039 N，之后慢慢减小，由于V型管槽具有一定柔性，油管受到弹力的影响，导致油管瞬间弹起，出现二次碰撞，然后慢慢趋于平稳，经过6 s后，碰撞力出现小幅度的波动，9.7 s后，油管从V型管槽过渡到滑道，出现几次较大碰撞力后，慢慢趋于稳定。随着油管重量的增加，除第一次碰撞时产生的碰撞力明显增大外，其余各次碰撞产生的碰撞力变化很小，各次碰撞发生的时间和产生的大小出现无规律性，随着油管的重量的增加对油管的运动特性影响不大。

（2）不同的油管下放速度与V型管槽的变形量仿真分析。

油管分别以372 mm/s、465 mm/s、620 mm/s的速度下放，仿真结果表明，油管与V型管槽第一次发生碰撞时，受到较大的碰撞力，柔性V型管槽会发生弹性振动，位移最大变化量为0.96 mm，并且振动慢慢减小，当油管运动经过左端固定副时，会出现二次振动，弹性振动出现无规律性，且振动慢慢减小，最后趋于平衡。油管以不同的速度下放，对V型管槽的末端点垂直方向上的位移变化量影响不大，但随着油管下放的速度越来越大，弹性振动持续的时间越来越长。

（3）不同V型管槽悬空长度与其变形量仿真分析。

分别对V型管槽悬空2 m、2.5 m、3 m进行仿真分析，结果表明，V型管槽末端点的位移最大变化量依次为0.96 mm、1.84 mm、4.16 mm。弹性振动慢慢减小，且呈现无规律性，最后趋于平衡。V型管槽的悬空长度不同，对V型管槽的末端点垂直方向上的位移变化量有较大的影响，对弹性振动持续的时间影响不大。

4 结语

本文采用三维造型软件Solidworks、有限元计算软件Ansys和多体系统动力学仿真软件Adams联合仿真方法对V型管槽油管下放过程进行了仿真分析，研究了油管重量的不同、下放速度的不同以及V型管槽悬空长度的不同，对V型管槽的运动特性的影响，分析结果有利于改进和完善管柱运移机构的设计。

参考文献

[1] 张策，黄永强，王子良，等.弹性连杆机构的分析与设计[M].机械工业出版社，1996.

[2] 王毅，吴立言，刘更.机械系统的刚-柔耦合模型建模方法研究[J].系统仿真学报，2007，19（20）：4708-4710.