基于ADAMS的石油卡盤(pán)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模及優(yōu)化

引言

本文所研究的自動(dòng)卡盤(pán)應(yīng)用于石油開(kāi)采行業(yè)，通過(guò)外部氣源驅(qū)動(dòng)氣缸帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可自動(dòng)夾持和松開(kāi)鉆井鉆桿,消除勘采和修井中使用的人工夾持工具的弊端，促使我國(guó)石油機(jī)械產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

在卡盤(pán)調(diào)試和試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)打開(kāi)和關(guān)閉過(guò)程中運(yùn)動(dòng)部件沖擊較大，動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，而作為石油鉆桿的夾持工具,這些問(wèn)題勢(shì)必會(huì)造成事故發(fā)生。本文以ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件為基礎(chǔ)，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析，提出解決方案，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)備。

1運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立

本文采用Pro/E建立卡盤(pán)三維模型，對(duì)要分析的關(guān)鍵部件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，以此快速再生新的部件，方便優(yōu)化分析。

卡盤(pán)模型依據(jù)ADAMS軟件的總體坐標(biāo)系而定位，在參數(shù)分析中，其運(yùn)動(dòng)部件的位移和速度等參數(shù)將會(huì)分解到三個(gè)坐標(biāo)方向上（即X、Y、Z軸方向），如圖1所示，卡盤(pán)在ADAMS中總體坐標(biāo)系的X-Z平面內(nèi)做相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。

在ADAMS軟件中，建立卡盤(pán)各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)副的約束關(guān)系見(jiàn)表1所列。

給活塞桿施加驅(qū)動(dòng)載荷，卡盤(pán)運(yùn)動(dòng)部件按照約束關(guān)系運(yùn)動(dòng)。圖2所示是卡盤(pán)在ADAMS中的模型圖。

2主要構(gòu)件優(yōu)化分析

在卡盤(pán)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題，一是部件運(yùn)動(dòng)沖擊力較大，二是運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。為解決這兩個(gè)問(wèn)題，選取卡盤(pán)關(guān)鍵部件和關(guān)鍵位置，即卡盤(pán)座體下錐面角度、座體上錐面角度、連桿兩臂間夾角3個(gè)部件進(jìn)行分析優(yōu)化。

2.1座體下錐面角度優(yōu)化分析

首先給活塞施加一個(gè)速度驅(qū)動(dòng)，此速度驅(qū)動(dòng)是參照卡盤(pán)氣缸通入0.4MPa壓縮氣體時(shí)氣缸活塞速度大小及規(guī)律設(shè)置的，在此速度驅(qū)動(dòng)之下，卡盤(pán)完成打開(kāi)和關(guān)閉整個(gè)過(guò)程。其中，0~0.6s為卡盤(pán)打開(kāi)運(yùn)動(dòng)，0.6~1s卡盤(pán)靜止于打開(kāi)狀態(tài)，1~1.4s為卡盤(pán)關(guān)閉運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。

圖3氣缸活塞速度驅(qū)動(dòng)圖

卡瓦通過(guò)在座體錐面內(nèi)上下滑行來(lái)夾緊或是松開(kāi)鉆桿,下錐面角度過(guò)小，會(huì)造成兩邊卡瓦在打開(kāi)或是關(guān)閉時(shí)卡死?？ㄋ赖呐R界值為6°因此在分析中，選取分析角度為7。、9.46。(產(chǎn)品實(shí)際值)、12(15(對(duì)不同角度下卡瓦和座體間的接觸力和卡瓦質(zhì)點(diǎn)速度分別進(jìn)行對(duì)比，選出合理設(shè)計(jì)值。

當(dāng)兩個(gè)部件表面之間發(fā)生接觸時(shí)，在這兩個(gè)部件的接觸表面就會(huì)產(chǎn)生接觸力。接觸力分為兩種類(lèi)型：一種是時(shí)斷時(shí)續(xù)的接觸，另一種是連續(xù)的接觸。本文所討論的卡瓦沿座體錐面滑行屬于后者，這種接觸可定義成一種非線性彈簧的形式，構(gòu)件材料的彈性模量當(dāng)成彈簧的剛度，阻尼當(dāng)成能量損失。由于卡瓦A和卡瓦B受力完全相同，以卡瓦A為例，對(duì)座體不同下錐面角度下，卡瓦與座體間接觸力大小進(jìn)行分析。表2所列為定義的接觸力仿真參數(shù)，卡盤(pán)仿真采用Impact(沖擊函數(shù)法)計(jì)算接觸力的大?。?,7］。

表2接觸力仿真參數(shù)設(shè)置

通過(guò)對(duì)氣缸活塞桿施加圖3所示速度驅(qū)動(dòng)，可得到圖4所示的卡瓦A與座體間接觸力在X軸與Z軸的分力圖。在0~0.6s打開(kāi)過(guò)程中，卡瓦在接近完全打開(kāi)時(shí)，與座體有明顯的沖擊;在1~1.4s關(guān)閉過(guò)程中,卡瓦在1.2s與座體有明顯沖擊。

(a)卡瓦A與座體間接觸力沿X軸方向分力

(b)卡瓦A與座體間接觸力沿Z軸方向分力

圖4卡瓦A與座體間的接觸力圖

將X軸與Z軸沖擊力峰值求合力后，得出卡盤(pán)打開(kāi)和關(guān)閉過(guò)程中，沖擊力與下錐面角度的關(guān)系如圖5所示?？ūP(pán)打開(kāi)過(guò)程中，座體下錐面角度7。?12°內(nèi)，隨著角度增大，沖擊力逐漸變大，但上升斜率較?。豢ūP(pán)關(guān)閉過(guò)程中，下錐面角度9.46°時(shí)卡瓦和座體間沖擊力最大。

圖5下錐面不同角度下卡瓦A與座體的接觸力圖

綜上，下錐面角度變化對(duì)于卡盤(pán)打開(kāi)時(shí)，卡瓦與座體間的沖擊力相比卡盤(pán)關(guān)閉時(shí)的沖擊力影響較小。

下面分析下錐面角度對(duì)卡瓦質(zhì)點(diǎn)速度的影響。從圖6(a)和(b)兩幅圖可看出下錐面角度變化對(duì)卡盤(pán)打開(kāi)時(shí)的速度穩(wěn)定性影響甚小，但對(duì)卡盤(pán)關(guān)閉時(shí)速度影響較大。

現(xiàn)分析速度平穩(wěn)性，對(duì)出現(xiàn)的“速度小山峰”進(jìn)行分析的分析方法如圖7所示。

綜合沖擊力和卡瓦質(zhì)點(diǎn)速度波動(dòng)，選取7°作為下錐面合理設(shè)計(jì)角度。

2.2座體上錐面角度優(yōu)化分析

座體上錐面與下錐面結(jié)合構(gòu)成卡瓦打開(kāi)和關(guān)閉過(guò)程中滑移的接觸體及支撐體，上錐面雖然在加工工藝方面不要求像下錐面那么平滑，但是其角度大小也對(duì)卡盤(pán)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生重要影響。具體表現(xiàn)在：一是卡瓦打開(kāi)至終點(diǎn)時(shí)對(duì)座體的沖擊力;二為上錐面是卡瓦由開(kāi)至閉運(yùn)動(dòng)的起始接觸面，如果在氣缸動(dòng)力驅(qū)動(dòng)失效的情況下，出于安全考慮，要求卡瓦在其自身重力作用下,能夠沿錐面下滑至關(guān)閉狀態(tài)，從而防止事故發(fā)生，而上錐面角度可以決定此動(dòng)作是否可以完成，因此重要性不言而喻。

上錐面分析方法同上錐面，氣缸活塞驅(qū)動(dòng)仍為圖3所示速度驅(qū)動(dòng)，此處，選擇上錐面角度為55。、60°、65°(產(chǎn)品實(shí)際值)、70。、75。度進(jìn)行分析。從圖8可看出，在0~0.6s卡盤(pán)打開(kāi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，70。沖擊力最大，75。次之，55。、60。、65。相比較小且三者導(dǎo)致的沖擊力大小相比較為接近。

圖9所示為上錐面角度與沖擊力關(guān)系圖。上錐面角度為55°～65°內(nèi)卡盤(pán)打開(kāi)與關(guān)閉過(guò)程中接觸力大小基本相當(dāng)，而上錐面角度在65°～75°內(nèi)，打開(kāi)過(guò)程沖擊力則隨錐面角度變化有很大跳躍，關(guān)閉過(guò)程隨著角度增大，沖擊力逐次有小幅下降。

接下來(lái)分析卡瓦質(zhì)點(diǎn)的速度隨上錐面角度變化的關(guān)系。

圖10所示為卡盤(pán)打開(kāi)和關(guān)閉過(guò)程中卡瓦A質(zhì)點(diǎn)速度在X軸方向和Z軸方向的分速度圖。

表4所列是卡盤(pán)關(guān)閉時(shí)上錐面角度對(duì)速度曲線穩(wěn)定性的影響，從表4中可看出，上錐面角度為60°時(shí)，卡瓦速度波動(dòng)最大。

綜合沖擊力和卡瓦質(zhì)點(diǎn)速度波動(dòng)，選取55。為上錐面合理設(shè)計(jì)角度。

綜上，如采用分析后的座體下錐面和上錐面優(yōu)化角度,卡盤(pán)打開(kāi)時(shí)，優(yōu)化后的沖擊力相比原設(shè)計(jì)值減小18.7%；卡盤(pán)關(guān)閉時(shí)，優(yōu)化后的沖擊力相比原設(shè)計(jì)值減小44.45%。

2.3連桿兩臂間夾角優(yōu)化分析

在對(duì)卡盤(pán)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，氣缸輸入不同壓力的壓縮氣體對(duì)卡盤(pán)打開(kāi)時(shí)間影響較大，但對(duì)關(guān)閉時(shí)間影響甚小。這是出于安全考慮座體下錐面角度設(shè)計(jì)較小，當(dāng)氣缸失去動(dòng)力源時(shí)卡瓦可受自重下滑閉合，進(jìn)而夾持住鉆桿。所以此處主要分析影響卡盤(pán)打開(kāi)時(shí)間和動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間的因素。

連桿作為傳輸力的中間件，其設(shè)計(jì)是否合理對(duì)卡盤(pán)打開(kāi)時(shí)間影響較大。此處對(duì)曲軸、連桿和活塞桿三者之間角度進(jìn)行分析。這三者之間形成角度互相制約，故應(yīng)分析中間量連桿短臂與長(zhǎng)臂間的夾角。圖11所示為卡盤(pán)連桿的外形示意圖。

換向閥換向瞬間，高壓氣體進(jìn)入氣缸，卡盤(pán)開(kāi)始打開(kāi)，氣缸內(nèi)壓力逐漸變大趨于穩(wěn)定，活塞在高壓氣體推動(dòng)下使卡盤(pán)卡瓦張開(kāi)。模擬實(shí)際工況，給氣缸活塞施加一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)力如圖12所示。

為此，選取105°、110°、115。、120°(產(chǎn)品設(shè)計(jì)值)、125。作為連桿短臂與長(zhǎng)臂間的角度，分析角度變化對(duì)卡盤(pán)性能的影響。

圖13為活塞桿在圖12驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下，卡盤(pán)打開(kāi)過(guò)程中卡瓦A質(zhì)點(diǎn)的位移和速度在X軸和Z軸方向的分位移和分速度圖?？煽闯?愈小，卡瓦運(yùn)動(dòng)前響應(yīng)時(shí)間越小。在115°以上,角度的增大會(huì)嚴(yán)重增大卡盤(pán)系統(tǒng)動(dòng)作前響應(yīng)時(shí)間；115°以下,角度減小對(duì)于縮短卡盤(pán)運(yùn)動(dòng)前的響應(yīng)時(shí)間和提高運(yùn)動(dòng)速度效能趨于平緩。

但是，考慮到角度愈小，連桿鉸鏈點(diǎn)的應(yīng)力越大，圖14為對(duì)兩連桿輸入相同驅(qū)動(dòng)力，相同時(shí)間時(shí)測(cè)得的應(yīng)力云圖。綜合以上分析，連桿兩臂間角度選取為115°則較為合理。

如采用分析后的合理設(shè)計(jì)值115。，則卡盤(pán)打開(kāi)時(shí)，運(yùn)動(dòng)前的響應(yīng)時(shí)間相比原設(shè)計(jì)值減小22.2%。

3結(jié)論

綜合分析，可得出如下結(jié)論：

(1)座體下錐面角度對(duì)卡盤(pán)由開(kāi)至閉時(shí)，卡瓦與座體間的接觸力影響較大，綜合接觸力和卡瓦位移速度等參數(shù)，其合理設(shè)計(jì)值為7°時(shí)，接觸力和速度波動(dòng)較小。

(2)座體上錐面角度對(duì)卡盤(pán)由閉至開(kāi)時(shí)，卡瓦與座體間的接觸力影響較大，綜合接觸力、卡瓦位移速度參數(shù)和設(shè)計(jì)需求,其合理設(shè)計(jì)值為55°。

連桿兩臂間夾角設(shè)計(jì)合理，可很大程度縮短卡瓦動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間和提高運(yùn)動(dòng)速度，經(jīng)分析其合理值為115°。

采用分析后的座體下錐面和上錐面優(yōu)化角度，卡盤(pán)打開(kāi)時(shí)，優(yōu)化后的沖擊力相比原設(shè)計(jì)值減小18.7%；卡盤(pán)關(guān)閉時(shí),優(yōu)化后的沖擊力相比原設(shè)計(jì)值減小44.45%。

(5)采用優(yōu)化后的連桿角度，卡盤(pán)打開(kāi)時(shí)，運(yùn)動(dòng)前的響應(yīng)時(shí)間相比原設(shè)計(jì)值減小22.2%。

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