鉆機二層臺推扶式排管機變幅機構(gòu)優(yōu)化研究

李聯(lián)中，顏子敏，楊 雷，于 芳，魏 榮, 趙 進

1中石化勝利石油工程有限公司物資裝備管理中心 2四川宏華石油設備有限公司海洋技術(shù)中心 3中國石油青海油田采油三廠運行維護中心

0 引言

二層臺鉆具排放系統(tǒng)能夠顯著降低鉆井過程中起、下鉆作業(yè)時的立根排放作業(yè)強度，提高作業(yè)自動化水平和作業(yè)安全性。排管機作為實現(xiàn)管具排放的關(guān)鍵設備，其結(jié)構(gòu)形式主要包括立柱式排管機、懸掛式排管機和橋式排管機，其中懸掛式排管機相對其他形式體積較小，重量較輕，經(jīng)濟性也更強[1]。

隨著近年來國內(nèi)石油生產(chǎn)一線的自動、信息化升級和更高安全生產(chǎn)要求的推進，二層臺無人化和排管作業(yè)自動化的趨勢愈來愈明顯。面對國內(nèi)大量在役鉆機的二層臺自動化改造需求[2-3]，同時考慮到舊有鉆機一般井架內(nèi)部空間較小且二層臺安裝部位承載能力有限，以推扶式排管機為基礎的自動化二層臺排管系統(tǒng)憑借其在可行性和經(jīng)濟性上的明顯優(yōu)勢，得到了快速發(fā)展。

變幅機構(gòu)作為推扶式排管機管具取送的關(guān)鍵執(zhí)行部件，其設計布置方案與驅(qū)動油缸的工作壓力和機械結(jié)構(gòu)的響應直接相關(guān)，進而影響到排管機整機的工作性能和經(jīng)濟性[4-7]，故根據(jù)不同鉆深和作業(yè)載荷大小選擇不同的變幅機構(gòu)設計方案十分重要。

本文以某型海洋修井機推扶式排管機為參考(已成功應用于某海洋平臺，相關(guān)參考參數(shù)如表1所示)，通過推扶式排管機構(gòu)變幅機構(gòu)運動受力特點的分析與優(yōu)化，討論油缸前置和油缸后置兩種常見機構(gòu)布置的載荷響應特點，為排管機變幅機構(gòu)設計提供了參考。

表1 排管機性能參數(shù)

1 變幅機構(gòu)布置與動力學仿真

圖1為油缸前置和油缸后置兩種油缸布置方案以及兩種形式作業(yè)鉗頭相對變幅原點的軌跡，為控制研究變量，通過調(diào)節(jié)姿態(tài)控制連桿位置保證變幅過程中鉗頭軌跡基本相同，同時保證油缸與后主臂/機架的鉸點具有相同的初始相對位置。

圖1 排管機變幅機構(gòu)布置圖

圖2 工況示意圖

(1)

實際工作中常采用數(shù)值方法對復雜結(jié)構(gòu)進行動力學分析[8-9]。本文通過ADAMS數(shù)值仿真軟件，模擬忽略重力、慣性力和鉸點摩擦的影響的準靜態(tài)過程，可得到變幅機構(gòu)主要承載部件在運動平面內(nèi)的載荷響應，包含油缸驅(qū)動力F油缸，前后主臂的桿件最大軸力F前主臂/后主臂和最大彎矩M前主臂/后主臂和姿態(tài)控制連桿的最大軸F連桿。

如圖3～圖8所示，由于二層臺取送工況鉆桿傾斜導致的鉗頭載荷遠小于井口取送工況，變幅機構(gòu)各部件的載荷響應遠小于井口取送工況，對各運動桿件的設計和油缸的選型影響極小，故在對兩種機構(gòu)布置形式的載荷響應研究中應以井口取送工況為主。該工況下，兩種布置方案的油缸驅(qū)動力出現(xiàn)了不同的變化趨勢，其中油缸前置形式F油缸隨變幅行程L的增加單調(diào)下降，而油缸后置形式F油缸先增大后降低，前者F油缸最大值為后者的120%，但其波動值為后者的86%。后主臂軸力F后主臂兩者具有相同的變化趨勢且相同變幅行程下F后主臂相差不超過25%。兩種形式油缸布置方案下，后主臂最大彎矩M后主臂都出現(xiàn)在油缸下鉸點B與后主臂連接處，具有與F油缸相似的變化趨勢，油缸前置形式下M后主臂最大值僅為油缸后置形式下的66%。前主臂載荷響應上，兩種機構(gòu)布置方案與M前主臂皆有相同的變化趨勢，其中油缸前置形式F前主臂最大值遠小于油缸后置形式，但M前主臂最大值前者較后者高22%。姿態(tài)控制連桿軸力F連桿最大值，油缸前置布置較油缸后置布置高45%。

圖3 F油缸隨變幅行程變化曲線圖

圖4 F后主臂隨變幅行程變化曲線圖

圖5 M后主臂隨變幅行程變化曲線圖

圖6 F前主臂隨變幅行程變化曲線圖

圖7 M前主臂隨變幅行程變化曲線圖

圖8 F連桿隨變幅行程變化曲線圖

2 驅(qū)動油缸布置點優(yōu)化

綜合前文，由于井口取送工況載荷較大，各部件的載荷響應遠大于二層臺取送工況，選取井口取送工況模型進行油缸鉸點位置優(yōu)化，在確保變幅動作軌跡不變的基礎上，結(jié)合動力學以及經(jīng)濟性的要求[7，10-12]，以F油缸的極大值最小[min(F油缸max)]和變幅機構(gòu)M后主臂后主臂平面內(nèi)最大彎矩最小[min(M后主臂max)]分別為優(yōu)化目標進行分析，研究兩種機構(gòu)布置的優(yōu)化方案。

優(yōu)化變量分別為油缸上鉸點A的水平和垂直坐標，下鉸點B的垂直坐標?？紤]到避免干涉和安裝布置方便，設定鉸點約束范圍如下:

(1)油缸后置形式:

Ax∈(-100,100)，Ay∈(-150,0)，

By∈(-100,100)

(2)油缸前置形式:

Ax∈(-100,100)，Ay∈(-150,0)，

By∈(-100,100)

式中:Ax，Ay—上鉸點相對優(yōu)化前原始位置的x，y方向位移，mm；By—下鉸點相對優(yōu)化前原始位置的y方向位移，mm。

以最大油缸驅(qū)動力最小[min(F油缸max)]為優(yōu)化目標時，優(yōu)化后鉸點位置如下：

(1)油缸后置形式：

Ax=100，Ay=0，By=-100

(2)油缸前置形式：

Ax=0，Ay=100，By=-100

如圖9～圖11所示，機構(gòu)其他尺寸不變情況下，油缸鉸點的變化僅影響油缸驅(qū)動力F油缸、后主臂最大軸力F后主臂和彎矩M后主臂。如圖9所示，優(yōu)化后油缸后置方案F油缸最大值降低了12%，波動值升高了6%，油缸前置方案F油缸最大值降低了21%，波動值降低了29%。兩者對比優(yōu)化后結(jié)果，前置方案較后置方案高約7%，但其F油缸波動值僅為后者的55%。

圖9 優(yōu)化后F油缸隨變幅行程變化曲線圖

圖10 優(yōu)化后M后主臂隨變幅行程變化曲線圖

圖11 優(yōu)化后F后主臂隨變幅行程變化曲線圖

優(yōu)化結(jié)果對M后主臂和F后主臂影響都較小，優(yōu)化后結(jié)果都為原值的95%以上，其中優(yōu)化后油缸前置的M后主臂最大值仍較油缸后置方案為低，僅為65%左右。桿件軸力變化較小，且對后主臂強度、剛度影響較小，對后主臂結(jié)構(gòu)設計幾乎沒有影響。

當主臂平面內(nèi)最大彎矩最小[min(M后主臂max)]為優(yōu)化目標時，通過敏感度分析可以得到對應變量的敏感度。如表2所示，除油缸前置方案M后主臂max對By敏感度較高外，其余所選變量敏感度均較低，且優(yōu)化計算變量變化方向與F油缸max優(yōu)化基本計算一致，可視為在相同約束范圍內(nèi)得到相同優(yōu)化結(jié)果，即給定的范圍內(nèi)M后主臂max基本不受鉸點位置變化影響，機構(gòu)布置方案起決定性作用。

表2 M后主臂max鉸點優(yōu)化設計變量敏感度

敏感度S定義為[13]:

(2)

式中:i、Q、V—分別為迭代次數(shù)，目標函數(shù)和設計變量。

綜合優(yōu)化設計結(jié)果，兩種機構(gòu)布置方案皆可通過鉸點優(yōu)化布置一定程度上降低油缸驅(qū)動力，其中油缸前置方案具備更大的優(yōu)化潛力和驅(qū)動力穩(wěn)定性，但需更多考量油缸上鉸點變動導致的運動干涉問題。而主臂平面內(nèi)最大彎矩對鉸點變動不敏感，其載荷響應主要決定于變幅機構(gòu)布置方案。

3 結(jié)論

(1)油缸前置布置方案在驅(qū)動油缸的油壓穩(wěn)定性和后主臂結(jié)構(gòu)的受力上具備明顯優(yōu)勢，且具備更大的油缸驅(qū)動力優(yōu)化潛力，較適用于管具載荷較大排管機的設計。油缸后置布置方案最大油缸驅(qū)動力略低于油缸前置方案，后主臂結(jié)構(gòu)受力相對后者劣化，但油缸布置較自由且干涉風險較??；較小的姿態(tài)控制連桿受力也更便于變幅機構(gòu)整體的緊湊設計，適用小型鉆機的改造加裝。

(2)油缸鉸點的優(yōu)化設計顯示兩種機構(gòu)布置方案對后主臂結(jié)構(gòu)受力起主要作用，優(yōu)化空間極小，但可一定程度上降低油缸驅(qū)動力最大值。