引言

本文所研究的自動卡盤應(yīng)用于石油開采行業(yè)，通過外部氣源驅(qū)動氣缸帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可自動夾持和松開鉆井鉆桿,消除勘采和修井中使用的人工夾持工具的弊端，促使我國石油機(jī)械產(chǎn)業(yè)升級。

在卡盤調(diào)試和試驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)打開和關(guān)閉過程中運(yùn)動部件沖擊較大，動作響應(yīng)時間較長，而作為石油鉆桿的夾持工具,這些問題勢必會造成事故發(fā)生。本文以ADAMS運(yùn)動學(xué)仿真軟件為基礎(chǔ)，對問題進(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)動學(xué)模型的建立

本文采用Pro/E建立卡盤三維模型，對要分析的關(guān)鍵部件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，以此快速再生新的部件，方便優(yōu)化分析。

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

在ADAMS軟件中，建立卡盤各構(gòu)件運(yùn)動副的約束關(guān)系見表1所列。

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

2主要構(gòu)件優(yōu)化分析

在卡盤試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)兩個問題，一是部件運(yùn)動沖擊力較大，二是運(yùn)動部件動作響應(yīng)時間較長。為解決這兩個問題，選取卡盤關(guān)鍵部件和關(guān)鍵位置，即卡盤座體下錐面角度、座體上錐面角度、連桿兩臂間夾角3個部件進(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速度驅(qū)動，此速度驅(qū)動是參照卡盤氣缸通入0.4MPa壓縮氣體時氣缸活塞速度大小及規(guī)律設(shè)置的，在此速度驅(qū)動之下，卡盤完成打開和關(guān)閉整個過程。其中，0~0.6s為卡盤打開運(yùn)動，0.6~1s卡盤靜止于打開狀態(tài)，1~1.4s為卡盤關(guān)閉運(yùn)動，如圖3所示。

圖3氣缸活塞速度驅(qū)動圖

卡瓦通過在座體錐面內(nèi)上下滑行來夾緊或是松開鉆桿,下錐面角度過小，會造成兩邊卡瓦在打開或是關(guān)閉時卡死?？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)行對比，選出合理設(shè)計值。

當(dāng)兩個部件表面之間發(fā)生接觸時，在這兩個部件的接觸表面就會產(chǎn)生接觸力。接觸力分為兩種類型：一種是時斷時續(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)，卡盤仿真采用Impact(沖擊函數(shù)法)計算接觸力的大?。?,7］。

表2接觸力仿真參數(shù)設(shè)置

通過對氣缸活塞桿施加圖3所示速度驅(qū)動，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打開過程中，卡瓦在接近完全打開時，與座體有明顯的沖擊;在1~1.4s關(guān)閉過程中,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，得出卡盤打開和關(guān)閉過程中，沖擊力與下錐面角度的關(guān)系如圖5所示?？ūP打開過程中，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??；卡盤關(guān)閉過程中，下錐面角度9.46°時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，下錐面角度變化對于卡盤打開時，卡瓦與座體間的沖擊力相比卡盤關(guān)閉時的沖擊力影響較小。

下面分析下錐面角度對卡瓦質(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卡盤打開時的速度穩(wěn)定性影響甚小，但對卡盤關(guān)閉時速度影響較大。

現(xiàn)分析速度平穩(wěn)性，對出現(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，選取7°作為下錐面合理設(shè)計角度。

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)成卡瓦打開和關(guān)閉過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卡盤運(yùn)動產(chǎn)生重要影響。具體表現(xiàn)在：一是卡瓦打開至終點(diǎn)時對座體的沖擊力;二為上錐面是卡瓦由開至閉運(yùn)動的起始接觸面，如果在氣缸動力驅(qū)動失效的情況下，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)動仍為圖3所示速度驅(qū)動，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卡盤打開運(yùn)動過程中，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)卡盤打開與關(guān)閉過程中接觸力大小基本相當(dāng)，而上錐面角度在65°～75°內(nèi)，打開過程沖擊力則隨錐面角度變化有很大跳躍，關(guān)閉過程隨著角度增大，沖擊力逐次有小幅下降。

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

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

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

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

綜上，如采用分析后的座體下錐面和上錐面優(yōu)化角度,卡盤打開時，優(yōu)化后的沖擊力相比原設(shè)計值減小18.7%；卡盤關(guān)閉時，優(yōu)化后的沖擊力相比原設(shè)計值減小44.45%。

2.3連桿兩臂間夾角優(yōu)化分析

在對卡盤進(jìn)行試驗(yàn)時，氣缸輸入不同壓力的壓縮氣體對卡盤打開時間影響較大，但對關(guān)閉時間影響甚小。這是出于安全考慮座體下錐面角度設(shè)計較小，當(dāng)氣缸失去動力源時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打開時間和動作響應(yīng)時間的因素。

連桿作為傳輸力的中間件，其設(shè)計是否合理對卡盤打開時間影響較大。此處對曲軸、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臂間的夾角。圖11所示為卡盤連桿的外形示意圖。

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

為此，選取105°、110°、115。、120°(產(chǎn)品設(shè)計值)、125。作為連桿短臂與長臂間的角度，分析角度變化對卡盤性能的影響。

圖13為活塞桿在圖12驅(qū)動力驅(qū)動下，卡盤打開過程中卡瓦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。可看出0愈小，卡瓦運(yùn)動前響應(yīng)時間越小。在115°以上,角度的增大會嚴(yán)重增大卡盤系統(tǒng)動作前響應(yīng)時間；115°以下,角度減小對于縮短卡盤運(yùn)動前的響應(yīng)時間和提高運(yùn)動速度效能趨于平緩。

但是，考慮到角度愈小，連桿鉸鏈點(diǎn)的應(yīng)力越大，圖14為對兩連桿輸入相同驅(qū)動力，相同時間時測得的應(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)計值115。，則卡盤打開時，運(yùn)動前的響應(yīng)時間相比原設(shè)計值減小22.2%。

3結(jié)論

綜合分析，可得出如下結(jié)論：

(1)座體下錐面角度對卡盤由開至閉時，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)計值為7°時，接觸力和速度波動較小。

(2)座體上錐面角度對卡盤由閉至開時，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)計需求,其合理設(shè)計值為55°。

連桿兩臂間夾角設(shè)計合理，可很大程度縮短卡瓦動作響應(yīng)時間和提高運(yùn)動速度，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，卡盤打開時，優(yōu)化后的沖擊力相比原設(shè)計值減小18.7%；卡盤關(guān)閉時,優(yōu)化后的沖擊力相比原設(shè)計值減小44.45%。

(5)采用優(yōu)化后的連桿角度，卡盤打開時，運(yùn)動前的響應(yīng)時間相比原設(shè)計值減小22.2%。

20211023_617424339f8b2__基于ADAMS的石油卡盤運(yùn)動學(xué)建模及優(yōu)化