基于AMESim的排管机末端夹紧装置液压系统仿真分析*

□ 沙永柏 □ 刘晓利 □ 占自涛

吉林大学 机械科学与工程学院 长春 130025

目前，我国可采油气资源80%储藏在2 000 m深以内的浅层和2 000～3 500 m深的中深层，且大多数油气田已进入钻采开发的中后期，因此急需大量深井钻机设备，排管机正是完成这种特殊勘钻作业而设计的［1］。排管机能够完成下钻过程中钻杆的夹紧、提放、搬运等操作，代替了人工实现钻杆在进口与排放架间往复自动传送和排放，从而有效地提高钻井作业的安全性，缩短作业周期，节约作业成本［2］。排管机在正常工作时，其末端夹紧装置起着非常重要的作用，它必须牢牢地抓紧钻杆，达到一定的压紧力，从而保证作业的安全性。本文针对排管机末端夹紧装置的夹紧钻杆工作过程，利用AMESim平台建立该装置的液压系统及机械装置原理图，根据实际工作状况，研究末端夹紧装置在工作工程中的动态特性，进而为实际钻杆抓紧作业的参数设定提供依据。

排管机的功用是实现钻杆 (立根)在钻台排放架与井口中心间的自动传送，所以又名钻杆自动传送系统，主要由导轨座、排管座轨、排管滑车、回转机构、排管长销、排管器桅杆总成、夹持滑车、排管器动臂、三角架机构及末端夹持器等组成，其结构如图1所示。

末端夹持装置

1 工作原理

▲图1 钻杆自动传送系统结构

是钻杆自动传送装置的重要组成部分，是直接执行动作任务的装置，夹持装置固定在夹持滑车上，主要有夹持手指、传动连杆及驱动油缸等组成。其结构如图2所示。

驱动油缸被固定在夹持器地板上，驱动油缸活塞杆与传动连杆的一端通过销轴铰接，传动连杆的另一端与夹持手爪相铰接，夹持手爪可以绕着自身的固定限位杆实现摆动，驱动油缸活塞杆的伸缩运动可以实现传动连杆的开合，从而实现夹持手爪夹紧和放松钻杆。

2 液压系统的设计

根据排管机末端夹持器驱动油缸的动作及压力调节原理，其液压回路如图3所示。

本回路采用三位四通换向阀控制液压缸的运动。当换向阀处于右位时，液压缸的无杆腔进油，活塞杆伸出，当换向阀处于中位时，液压缸保持不动；当换向阀换至左位时，液压缸有杆腔进油，活塞缸缩回。在液压缸油路上安装具有自锁功能的液压锁，可以实现保压作用，防止在抓取立杆的过程中突然断电而引起事故。

根据本设计要求，驱动液压缸选择双作用单活塞杆液压缸，如图4所示。

▲图2 排管机末端夹紧装置原理简图

▲图3末端夹持器的液压回路图

▲图4 双作用单活塞杆驱动油缸分析简图

图中：Q1为无杆腔流量；A1为无杆腔有效面积；P为无杆腔压力 ；Q2为有杆腔流量；A2为有杆腔有效面积；P2为有杆腔压力；y为负载位移；N为液压缸受的总作用力；M为等效质量。

根据液流连续性原理可得：

式中：V0为活塞在中间位置时(两腔容积相等时)每腔的油液体积；βE为液体有效体积弹性模量。

设液压缸两腔有效面积比 ：

对上式求导得：

根据式（1）、式（2）和式（4）可得：

对式（5）进行拉氏变换得：

液压缸的活塞平衡方程为：

式中：Bc为活塞和负载的黏性阻尼系数；F为外界干扰力。

对式（7）进行拉氏变换：

将式（6）和式（8）代入式（9）中，整理可得液压缸系统的传递函数：

3 仿真分析

AMESim是一种工程系统高级建模和仿真平台软件，该软件基于功率键合图的原理，能够对机械、液压、气动、电磁等多学科领域的元件和系统进行建模和仿真，准确反应系统和元件相应的动态特性［3］。本文利用AMESim软件为用户提供元件应用库，即机械库、信号控制库及液压元件设计库，对排管机末端夹紧装置液压系统及机械部分进行建模仿真，通过参数的设定，研究系统及元件的动态特性。

3.1 建立仿真模型

为模拟夹紧装置的正常工作状态，在AMESim软件的草图模式下，根据夹紧装置的机械原理图2及液压原理图3，建立如图 5所示的排管机末端夹紧装置的系统模型［4］。

在AMESim软件仿真时，系统所有的模型均被参数化，各元件主要参数如下：活塞直径为50 mm，活塞杆直径为30 mm，行程为60 mm，传动连杆长度为47.5 mm，夹持手爪尺寸为0.11 mm（中间节点比例4∶7）。参数设定完后，进行仿真，仿真时间设为5 s，精度设为0.001 s。

▲图5排管机末端夹紧装置的系统模型

3.2 仿真结果分析

仿真结束后，点击界面的几何构造按钮，弹出所建模型的模型，如图6所示，与三维模型中的模型一致。系统给定信号如图7所示，可得到仿真结果，如图8、9所示。图8为夹持手爪与钻杆的间隙距离曲线，图9为在该信号下的夹持油缸活塞杆的运动速度(1)和末端夹持手爪的运动速度(2)。

▲图6 AMESim中的机构模型图

▲图7换向阀的输入信号

▲图8 夹持手爪与钻杆的距离曲线

▲图9 油缸和夹持手爪的速度曲线

由图可知，在该信号下，系统在1.73 s时，夹持手爪抓到钻杆。在此过程，夹紧油缸的最大速度达到34 mm/s,夹持手爪的最大速度达到了20 mm/s,并且在接近钻杆的时刻，夹持手爪的速度有所减缓。夹持手爪碰到钻杆后，夹紧手抓的速度为零，并且迅速建立夹紧力F=13.6 kN(系统的压力为25 MPa)，保持到3 s时，一直保持夹紧油缸无杆腔进油。此时，系统保持不变的夹紧力，在3～4 s时，换向阀移到中位，系统处于浮动状态，靠液压锁保持系统的压力。在这段时间，夹持力缓降到5 kN。在4～5 s，夹紧油缸有杆腔进油，夹持手爪松开钻杆。在此过程，夹紧油缸的最大速度达到44 mm/s,夹持手爪的最大速度达到34 mm/s，夹持手爪迅速地松开钻杆，但是在退到原点时，由于惯性作用，有轻微的振动。夹持手爪在接近钻杆的过程中，在前半段运动速度很快，在要接近钻杆的时候，速度有所减缓，而在夹持手爪松开钻杆的过程中，手爪的速度比夹紧钻杆的速度要快，所用时间也较短，符合设计要求。

4 结论

1）在AMESim模式下，根据排管机末端夹持器的工作原理，利用元件库建立夹持系统的液压和机械图。

2）应用AMESim软件对夹紧装置进行了仿真和分析，给定信号后，得到夹持系统的动态特性，为今后参数设定提供一定的依据。

［1］ 任福深，王威，刘烨，等.基于AMESim的齿轮齿条钻机动力头起升装置液压系统仿真分析 ［J］.石油矿场机械，2012，41（5）：14-17.

［2］ 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.

［3］ 刘威，孟祥金，沈从举，等.液压支腿机械液压联合仿真分析［J］.农机化研究，2012（8）：12-17.

［4］ 张涛，曹俊，高宏力，等.基于AMESim的QY-8型汽车起重机液压系统仿真 ［J］.工程技术与产业经济，2012（4）(下)：28-30.

［5］ 崔学政，刘文庆，肖文生，等.海洋钻井平台立柱式排管机设计［J］.石油矿场机械，2010，39（1）：45-49.