一種立根自動輸送裝置的設計

蔣智超

摘要：在陸地鉆井作業中，有40%的時間用于管柱的處理，因此，研究設計了一種陸地立根自動輸送裝置?；贑AXA三維實體設計進行3D建模，并運用ANSYS有限元分析軟件對主要結構作靜力學分析，驗證關鍵結構負載狀態下的位移、應力、力等參數，探究其是否滿足實際使用要求。通過ADAMS軟件對立根輸送裝置上下鉆過程進行動力學仿真得到關鍵點的位移、速度、加速度等參數，驗證運行過程是否存在干涉。分析結果表明，裝置結構剛度滿足使用要求，運動過程符合工作要求。該立根輸送裝置通過將載有鉆具的輸送臂從地面提升至適合工人操作和吊卡吊取的位置，縮短鉆桿輸送周期、提高鉆井效率、降低鉆井工人的勞動強度。

摘要：立根；輸送裝置；機構設計；力學計算；仿真分析

中圖分類號：TE928 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.02.009

文章編號：1006-0316 （2024） 02-0053-06

Design of a Drill Tool Automatic Conveying Device

JIANG Zhichao

（?College of Mechanical Engineering， Xian Shiyou University，?Xian?710065，?China?）

Abstract：In onshore drilling operations， 40% of the time is spent on handling the pipe string. Therefore，?This article designs and studies an automatic land root conveying device. Based on CAXA 3D solid design， 3D modeling is carried out， and ANSYS finite element analysis software is used to perform static analysis on the main structures.?The displacement， stress， force and other parameters under key structural load states are verified to find out whether they meet practical usage requirements. Dynamic simulation of the drilling process of the vertical root conveying system is conducted by using ADAMS software to obtain parameters such as displacement， velocity， and acceleration of key points and to verify whether there is interference during operation. According to the analysis results， the structural stiffness of the device meets the usage requirements， and the motion process meets the working requirements. The vertical root conveying system shortens the conveying cycle of drill pipes， improves drilling efficiency， and reduces the labor intensity of drilling workers by lifting the conveying arm to carry drilling tools from the ground to a position suitable for worker operation and elevator lifting.

Key words：drill tool；conveying device；mechanism design；mechanical calculation；simulation analysis

在陸地鉆井作業中，鉆具輸送系統是配合鉆機完成鉆井任務的重要輔助系統^[1]?，F有鉆具輸送系統將鉆桿輸送至鉆井平臺后，為縮短上下鉆時間，需在二層臺進行接立根工作^[1-3]。此過程需要鉆井平臺上的工人與距離地面十米多高的二層臺上的工人相互配合才能完成。結合現場惡劣的工作環境，在高空接立根作業的工作形式具有一定的危險性，此過程事故發生率占鉆井作業總事故比重較大，嚴重影響鉆井作業效率。寶石機械設計研制并投入現場使用的上三根動力貓道^[4]使效率提高約30%，但由于同時上三根單獨的鉆桿在吊取過程中會出現無法完全對中的情況，高空作業存在巨大的安全隱患。

針對以上問題，本文提出一種適用于ZJ70D鉆機的陸地立根自動輸送系統，既能輸送各種型號的立根，還可輸送鉆鋌、套管等。以立根的形式輸送，減少送鉆時間，提高鉆井作業的效率。將拆接立根的工作轉移至地面，避免高空作業，提高輸送作業的安全性。通過軟件仿真，驗證該輸送裝置的可行性和合理性，完成立根輸送裝置的設計研究^[2]。為提高鉆井作業效率和安全性提供一種新思路和理論依據。

1 立根輸送裝置的結構和工作原理

如圖1所示，立根輸送裝置機械結構主要由底座、坡道、輸送臂、液壓支撐臂，以及液壓輔助裝置五部分組成。其工作原理為：排管裝置、傾斜機構、安全銷和踢出機構互相配合實現鉆具往輸送臂V型槽排入（出）作業；載有鉆具的輸送臂在鋼絲繩和液壓支撐臂的共同作用下實現從地面到鉆井平臺的往復運動。

2 力學分析

對立根輸送裝置的運動情況進行分析與計算。將立根的輸送（上鉆）過程分為三個階段：啟動階段、第一階段、第二階段。

2.1 啟動階段

在輸送臂沿著坡道剛開始起升時，鋼絲繩受到的拉力最大。為解決這一問題，本輸送裝置在底座靠近坡道位置設計一個小型的液壓輔助裝置。在輸送臂向上運動、滾筒絞車開始工作時，該液壓輔助裝置以合適的速度配合鋼絲繩共同提升輸送臂。受到底座1.1?m高度的限制，液壓缸的最大行程為0.5?m，安裝角度與坡道平行，安裝位在底座距離坡道0.5?m的位置，具體結構如圖2所示。

2.2 第一階段

輸送臂前端受到鋼絲繩拉力，輸送臂后端的輪子在底座沿著水平方向滾動，同時兩個液壓支撐臂一端與輸送臂鉸鏈連接，另一端的輪子在底座水平滾動。受力分析簡化如圖3所示。

AB為輸送臂；A為輸送臂后端輪子所在位置；B為輸送臂前端所在位置；O為AB的中點；EM、FN為液壓支撐臂；E、F為兩個液壓支撐臂一端與輸送臂鉸鏈連接的位置；M、N為兩個液壓支撐臂另一端的輪子在底座上的位置；F_N1為坡道對輸送臂前端的支撐力；F_N2為底座對輸送臂后端輪子的支撐力；F_L為沿輸送臂方向的鋼絲繩牽引力；G為輸送臂和所載鉆具的總質量；α為輸送臂與底座的夾角；C為坡道與地面的接觸位置；D為輸送臂前端在坡道上需到達的指定位置。

以A點為中心點，建立力矩平衡方程為：

（1）

式中：為G和輸送臂AB的夾角；35°＋為與輸送臂AB的夾角。

將方向定義為x軸正方向建立坐標系，列出x軸和y軸方向的力平衡方程為：

（2）

根據ZJ70D鉆機的機械結構中的各種參數，可知0≤≤13°最為合適。

式（1）可簡化為：

（3）

由式（3）可知，輸送臂上載有鉆具時對坡道產生的壓力值與成反比，即當＝0°，輸送臂剛啟動瞬時，壓力達到最大值。已知輸送臂AB全長為33.2?m，自身質量約9200?kg，輸送臂的最大負載要求是3500?kg，計算得總質量G＝127?000?N。

代入式（3）得：＝110?709 N。

根據式（2）有：

（4）

結合式（3）可得：

（5）

代入數據化簡得：

（6）

由式（6）可以看出，鋼絲繩牽引力隨著的增大而減小，因此，輸送臂剛啟動的瞬間，即＝0°時，最大，約為91?351 N。

2.3 第二階段

輸送臂到達坡道的指定位置后，兩個液壓支撐臂EM、FN的與底座卡扣固定，同時兩個液壓缸伸出，共同配合滾筒絞車將輸送臂提升至鉆臺面，然后小車推動鉆具至合適位置完成上鉆。此時輸送臂受力分析如圖4所示。

分別以E、F、O點為中心點，建立力矩平衡方程為：

γ為液壓支撐臂與底座的夾角；F_Fx、F_Ex、F_Fy、F_Ey為F、E點受力分別在x和y方向上的分力；F_N為坡道頂端對輸送臂的支撐力。

化簡得：

（8）

x、y方向的力平衡方程為：

（9）

化簡得：????（10）

根據幾何關系，有：

（11）

式中：為液壓支撐臂與輸送臂的夾角。

根據三角函數誘導公式和式（10）可得：

（12）

由式（12）可知，在到達坡道指定位置時，的值最小，最大。

在輸送裝置的設計中，坡道指定位置是指輸送臂前端垂直高度為7?m、準備進入第二階段時坡道所對應的位置，如圖5所示。此時，γ＝32.9°，H＝7?m。

根據幾何關系可知：

（13）

計算得：11.9°

則＝44.8°

已知AE＝14?m，EF＝8?mm。

代入式（7）、式（12），得：＝12?286 N，＝62?075 N，＝57?588 N。

2.4 小結

（1）輸送裝置的輸送過程中，在底座靠近坡道附近安裝一個輔助提升的液壓裝置，對減小鋼絲繩的拉力效果十分顯著。

（2）通過第二階段的力學分析可知，液壓支撐臂與輸送臂之間的角度越小，鋼絲繩拉力越大，因此要盡量使該角度大于當前最大角度值。在鋼絲繩提升輸送臂時，液壓支撐臂的伸出速度應從0開始逐漸增加，能一定程度保證鋼絲繩拉力不會超過最大值。

3 輸送臂靜力學分析

大型石油裝備機械結構復雜且整體尺寸大，對其進行仿真后再投產更符合機械設計的經濟性原則^[5-6]。

仿真參數為：輸送臂長度L＝33.2?m，許用應力235 MPa，鉆具質量35?000?N。采用材料Q345，其密度為7800?kg/m³，楊氏模量210?GPa，泊松比0.2，屈服強度345?MPa。

輸送臂屬于大型鋼結構梁，有^[8-9]：??????????? ? ? ? ? ? ?（14）

式中：為最大變形值。

計算得：＝166 mm。

立根輸送裝置的設計是根據傳統拉伸式動力貓道進行改進。對于輸送臂，則是將原有結構簡單進行加長，利用ANSYS軟件對其僅自重狀態下進行分析^[7]，如圖6所示?？梢钥闯?，加長后輸送臂僅在自身重力下變形位移為146.76?mm，最大應力為219.07?MPa。

該變形位移和最大應力雖均未超過許用值，但當進行鉆具輸送，結構將不滿足強度要求^[9]。因此對主體結構進行優化，肋板厚度由原來的15?mm增大至20?mm，減重的孔徑由原來的77.5?mm增大至100?mm。

優化后的變形和應力云圖如圖7所示?？梢钥闯?，優化后重量雖然增加，但其慣性力矩也增加，抗彎能力增強，變形減小。最大變形為57.459?mm，最大應力為140.73?MPa，滿足使用要求。

第一階段的變形和應力云圖如圖8所示?？梢钥闯?，第一階段輸送過程中，隨著輸送臂前端的不斷上升，輸送臂自重和鉆具自重對輸送臂變形的影響越來越小。變形最大位置為中間部分，最大變形量為74.489?mm，最大應力為175.07?MPa，符合設計要求。

第二階段的變形和應力云圖如圖9所示?？梢钥闯?，第二階段輸送過程中，受到液壓臂支撐的位置應力最大，最大應力為129.11?MPa，相較于第一階段更小，最大變形為61.44?mm，也優于第一階段，符合設計要求。

因此，輸送裝置的機械結構剛度符合設計要求，結構合理，方案可行^[9-10]。

4 輸送過程的動力學仿真

在ADAMS軟件中，對模型創建相應的約束如圖10所示，繪制運動軌跡如圖11所示。選用STEP函數，函數曲線如圖12所示^[11-12]。

由于要與坡道鋼絲繩的拉力相互配合，因此需要不斷調試函數的設定，最終實現輸送系統的優化。調試、位移、速度、加速度曲線如圖13所示。

關鍵點包括：大車前端的MARKER_DCQ和大車末端的MARKER_DCM，液壓支撐臂1和液壓支撐臂2底端的MARKER_YYD1和MARKER_YYD2。

可以看出，輸送臂的前段和末端位移均為平穩上升曲線；速度雖不一致，但輸送臂前后段的速度曲線基本重合；加速度曲線是先上升后下降，驗證輸送臂運行過程穩定^[13-14]。

5 結論

對立根輸送裝置運行過程進行力學分析計算，在前端增加液壓輔助裝置能夠有效降低鋼絲繩啟動時受到的最大拉力。

通過對輸送臂進行靜力學仿真，可知直接加長輸送臂會導致嚴重變形，改變輸送臂截面尺寸能夠保證各個階段的剛度要求。

通過不斷地修改運動參數和設計，最終實現輸送裝置成功且平穩地運行，驗證了立根輸送裝置結構設計方案的合理性。

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