一种自动翻转吊卡的研制

江连会 周斌 谭跃刚 黄安贻 王雄 王龙渤

1.武汉理工大学机电工程学院；2.荆州市明德科技有限公司；3.中国石化石油工程机械有限公司研究院；4.渤海钻探工程有限公司管具技术服务分公司

随着我国多数油田都已进入了原油开采的中、后期阶段，修井作业也随之越来越繁重。为降低工人的劳动强度，增加操作安全性，修井作业自动化研究成为目前研究的热点［1-3］。起下管柱作业是修井作业中最常见的作业形式，吊卡是起下作业中最关键的装置之一。目前修井作业吊卡的操作主要还是以人工为主，工人劳动强度高、安全性低。自动吊卡可以降低工人的劳动强度，增加操作安全性，成为了国内外研究开发的重点。目前国内外自动吊卡主要是液压翻转式吊卡［4-9］。根据我国修井作业装备情况，为节省成本，在手动吊卡基础上，研制了气压翻转式自动吊卡。

1 自动吊卡结构和参数

Structure and parameters of automatic elevator

1.1 结构

Structure

自动吊卡主要由吊卡体、活页、翻转机构、活页开关机构、上锁舌开关机构和下锁舌开关机构等组成，结构如图1所示。活页开关机构用于推动活页关闭和打开，实现油管的卡住和释放。上锁舌开关机构和下锁舌开关机构实现活页与吊卡的锁死和解锁，保证起吊油管的安全性。翻转机构实现吊卡的翻转，方便吊卡卡住油管。支架用于保护和支撑上述机构。

图1 自动吊卡结构示意图Fig. 1 Schematic structure of automatic elevator

1.2 主要设计参数

Main design parameters

自动吊卡的重量为77.5 kg，自动吊卡在图1位置时的长宽高为660 mm×482 mm×1 180 mm，活页最大旋转角度为100°，吊卡最大翻转角度为75°，额定载荷为4 000 kN，适用油管外径73.02 mm。

2 翻转机构

Turnover mechanism

翻转机构是自动吊卡最主要的部件之一。当自动吊卡处于如图1所示的垂直位置时，翻转机构运动简图如图2所示。在图1位置时，翻转机构的长宽高为660 mm×482 mm×950 mm。气缸收缩时，带动吊卡体翻转；气缸伸长时，带动吊卡体返回，最终到垂直位置。根据自动吊卡的几何空间布局，D、C点的位置是确定的，A点竖直方向的位置也是确定的，A点水平方向的位置可在一定范围内变动，优化A点水平方向的位置让翻转机构的性能达到最优。

图2 翻转机构运动简图Fig. 2 Schematic movement of turnover mechanism

吊卡翻转的目的是顺利抓取从猫道等拉排管装置送上的油管。在不同修井工况下，猫道等拉排管装置送上油管的倾斜角度（油管与水平面的夹角）范围一般为5～35°。当吊卡轴线与油管轴线平行且吊卡与油管贴合时，关闭吊卡活页可以顺利实现油管的抓取。由于猫道等拉排管装置送来的油管倾斜角度不同，抓取油管时，调整吊卡轴线倾斜角度与油管轴线倾斜角度一致的方法有两种。（1）通过检测和控制系统调整吊卡的翻转角度与油管的倾斜角度一致，这样做对控制系统的要求高，相应的成本比手动吊卡也会增加很多。（2）根据观察，井口操作人员在翻转吊卡时，并没有和猫道等拉排管装置送上来的油管的倾斜角度完全一致，吊卡在重力的作用下自动和油管吻合，利用这一现象，根据猫道等拉排管装置送上的油管倾斜角度的范围，我们把吊卡的翻转角度定为75°，当吊卡的前部和油管接触后，释放翻转机构，吊卡在重力的作用下，完全和油管吻合，从而可以实现油管的抓取，这样做既可以实现油管的抓取，控制系统也较简单，相比手动吊卡成本增加不大。通过比较，选择第2种方式实现油管的抓取。

3 翻转机构运动学与动力学仿真

Kinematics and dynamics simulation of turnover mechanism

利用CAD软件建立自动吊卡的虚拟设计模型，如图1所示，然后把该模型导入到ADMAS软件中，将摩擦系数设置为0.3，气缸的拉力和推力设置为994 N，分别对A点在水平方向的五个位置对翻转机构进行运动学和动力学仿真分析。

图3 气缸收缩距离与吊卡翻转角度关系曲线Fig. 3 Relationship between the shrinkage distance of cylinder and the turnover angle of elevator

图3为A点在水平方向不同位置时，气缸收缩距离和吊卡翻转角度的关系曲线。水平位置1时（如图中曲线1所示），初始条件下，气缸最大收缩250 mm，对应吊卡的最大翻转角度为60°，达不到最大翻转角度为75°的要求。位置2～5都可以达到吊卡翻转75°的要求。位置2吊卡的最大翻转角度为77°左右，考虑扰动的影响，也予以排除，位置3～5都能够实现吊卡稳定翻转75°的要求。

图4为吊卡翻转角度、角速度和角加速度曲线图。从图中曲线可以看出，位置3（对应图中曲线3）的翻转速度较快，翻转较稳定。因此确定位置3（如图2）为A点的最终水平位置。位置3的最大翻转角度为82.2°，在0.21秒时达到最大翻转角度，气缸收缩的距离为299.9 mm。

4 实验

Experiment

依据优化结果，设计制作了自动吊卡装置。在994N气缸力的作用下，吊卡最大翻转角度为79.6°，在0.22秒时达到最大翻转角度，最大翻转角度时，气缸收缩的距离为295.6 mm。吊卡最大翻转角度误差为3.16%，仿真结果与实验结果误差较小，在允许范围内。

在现场环境进行了实验：翻转机构翻转平稳、快速；吊卡门开关机构开闭稳定、迅速；可以顺利抓取与水平面夹角为0°～50°、直径为73.02系列的油管；锁舍启闭灵活，保证了吊卡的安全。操作人员远离吊卡遥控操作，保证了操作人员的安全。实验数月，运行一直平稳。

5 结论

Conclusions

在手动吊卡的基础上，加装自动执行机构，实现了手动吊卡到自动吊卡的升级。应用Admas软件，对自动吊卡的翻转机构进行了优化设计。依据优化结果，制作了自动吊卡装置，并进行了翻转实验，仿真结果与实验结果非常接近。应用Admas软件对设计模型进行仿真并优化，可以减少实验装置的制作，节约成本。

图4 吊卡翻转运动学曲线Fig. 4 Kinematics curve of the turnover of elevator

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