基于ADAMS的石油卡盘运动学建模及优化

引言

本文所研究的自动卡盘应用于石油开采行业，通过外部气源驱动气缸带动执行机构，可自动夹持和松开钻井钻杆,消除勘采和修井中使用的人工夹持工具的弊端，促使我国石油机械产业升级。

在卡盘调试和试验时，发现打开和关闭过程中运动部件冲击较大，动作响应时间较长，而作为石油钻杆的夹持工具,这些问题势必会造成事故发生。本文以ADAMS运动学仿真软件为基础，对问题进行详细分析，提出解决方案，进而优化设备。

1运动学模型的建立

本文采用Pro/E建立卡盘三维模型，对要分析的关键部件进行参数化设计，以此快速再生新的部件，方便优化分析。

卡盘模型依据ADAMS软件的总体坐标系而定位，在参数分析中，其运动部件的位移和速度等参数将会分解到三个坐标方向上（即X、Y、Z轴方向），如图1所示，卡盘在ADAMS中总体坐标系的X-Z平面内做相应运动。

在ADAMS软件中，建立卡盘各构件运动副的约束关系见表1所列。

给活塞杆施加驱动载荷，卡盘运动部件按照约束关系运动。图2所示是卡盘在ADAMS中的模型图。

2主要构件优化分析

在卡盘试验时发现两个问题，一是部件运动冲击力较大，二是运动部件动作响应时间较长。为解决这两个问题，选取卡盘关键部件和关键位置，即卡盘座体下锥面角度、座体上锥面角度、连杆两臂间夹角3个部件进行分析优化。

2.1座体下锥面角度优化分析

首先给活塞施加一个速度驱动，此速度驱动是参照卡盘气缸通入0.4MPa压缩气体时气缸活塞速度大小及规律设置的，在此速度驱动之下，卡盘完成打开和关闭整个过程。其中，0~0.6s为卡盘打开运动，0.6~1s卡盘静止于打开状态，1~1.4s为卡盘关闭运动，如图3所示。

图3气缸活塞速度驱动图

卡瓦通过在座体锥面内上下滑行来夹紧或是松开钻杆,下锥面角度过小，会造成两边卡瓦在打开或是关闭时卡死。卡死的临界值为6°因此在分析中，选取分析角度为7。、9.46。(产品实际值)、12(15(对不同角度下卡瓦和座体间的接触力和卡瓦质点速度分别进行对比，选出合理设计值。

当两个部件表面之间发生接触时，在这两个部件的接触表面就会产生接触力。接触力分为两种类型：一种是时断时续的接触，另一种是连续的接触。本文所讨论的卡瓦沿座体锥面滑行属于后者，这种接触可定义成一种非线性弹簧的形式，构件材料的弹性模量当成弹簧的刚度，阻尼当成能量损失。由于卡瓦A和卡瓦B受力完全相同，以卡瓦A为例，对座体不同下锥面角度下，卡瓦与座体间接触力大小进行分析。表2所列为定义的接触力仿真参数，卡盘仿真采用Impact(冲击函数法)计算接触力的大小［6,7］。

表2接触力仿真参数设置

通过对气缸活塞杆施加图3所示速度驱动，可得到图4所示的卡瓦A与座体间接触力在X轴与Z轴的分力图。在0~0.6s打开过程中，卡瓦在接近完全打开时，与座体有明显的冲击;在1~1.4s关闭过程中,卡瓦在1.2s与座体有明显冲击。

(a)卡瓦A与座体间接触力沿X轴方向分力

(b)卡瓦A与座体间接触力沿Z轴方向分力

图4卡瓦A与座体间的接触力图

将X轴与Z轴冲击力峰值求合力后，得出卡盘打开和关闭过程中，冲击力与下锥面角度的关系如图5所示。卡盘打开过程中，座体下锥面角度7。〜12°内，随着角度增大，冲击力逐渐变大，但上升斜率较小；卡盘关闭过程中，下锥面角度9.46°时卡瓦和座体间冲击力最大。

图5下锥面不同角度下卡瓦A与座体的接触力图

综上，下锥面角度变化对于卡盘打开时，卡瓦与座体间的冲击力相比卡盘关闭时的冲击力影响较小。

下面分析下锥面角度对卡瓦质点速度的影响。从图6(a)和(b)两幅图可看出下锥面角度变化对卡盘打开时的速度稳定性影响甚小，但对卡盘关闭时速度影响较大。

现分析速度平稳性，对出现的“速度小山峰”进行分析的分析方法如图7所示。

综合冲击力和卡瓦质点速度波动，选取7°作为下锥面合理设计角度。

2.2座体上锥面角度优化分析

座体上锥面与下锥面结合构成卡瓦打开和关闭过程中滑移的接触体及支撑体，上锥面虽然在加工工艺方面不要求像下锥面那么平滑，但是其角度大小也对卡盘运动产生重要影响。具体表现在：一是卡瓦打开至终点时对座体的冲击力;二为上锥面是卡瓦由开至闭运动的起始接触面，如果在气缸动力驱动失效的情况下，出于安全考虑，要求卡瓦在其自身重力作用下,能够沿锥面下滑至关闭状态，从而防止事故发生，而上锥面角度可以决定此动作是否可以完成，因此重要性不言而喻。

上锥面分析方法同上锥面，气缸活塞驱动仍为图3所示速度驱动，此处，选择上锥面角度为55。、60°、65°(产品实际值)、70。、75。度进行分析。从图8可看出，在0~0.6s卡盘打开运动过程中，70。冲击力最大，75。次之，55。、60。、65。相比较小且三者导致的冲击力大小相比较为接近。

图9所示为上锥面角度与冲击力关系图。上锥面角度为55°～65°内卡盘打开与关闭过程中接触力大小基本相当，而上锥面角度在65°～75°内，打开过程冲击力则随锥面角度变化有很大跳跃，关闭过程随着角度增大，冲击力逐次有小幅下降。

接下来分析卡瓦质点的速度随上锥面角度变化的关系。

图10所示为卡盘打开和关闭过程中卡瓦A质点速度在X轴方向和Z轴方向的分速度图。

表4所列是卡盘关闭时上锥面角度对速度曲线稳定性的影响，从表4中可看出，上锥面角度为60°时，卡瓦速度波动最大。

综合冲击力和卡瓦质点速度波动，选取55。为上锥面合理设计角度。

综上，如采用分析后的座体下锥面和上锥面优化角度,卡盘打开时，优化后的冲击力相比原设计值减小18.7%；卡盘关闭时，优化后的冲击力相比原设计值减小44.45%。

2.3连杆两臂间夹角优化分析

在对卡盘进行试验时，气缸输入不同压力的压缩气体对卡盘打开时间影响较大，但对关闭时间影响甚小。这是出于安全考虑座体下锥面角度设计较小，当气缸失去动力源时卡瓦可受自重下滑闭合，进而夹持住钻杆。所以此处主要分析影响卡盘打开时间和动作响应时间的因素。

连杆作为传输力的中间件，其设计是否合理对卡盘打开时间影响较大。此处对曲轴、连杆和活塞杆三者之间角度进行分析。这三者之间形成角度互相制约，故应分析中间量连杆短臂与长臂间的夹角。图11所示为卡盘连杆的外形示意图。

换向阀换向瞬间，高压气体进入气缸，卡盘开始打开，气缸内压力逐渐变大趋于稳定，活塞在高压气体推动下使卡盘卡瓦张开。模拟实际工况，给气缸活塞施加一个驱动力，驱动力如图12所示。

为此，选取105°、110°、115。、120°(产品设计值)、125。作为连杆短臂与长臂间的角度，分析角度变化对卡盘性能的影响。

图13为活塞杆在图12驱动力驱动下，卡盘打开过程中卡瓦A质点的位移和速度在X轴和Z轴方向的分位移和分速度图。可看出0愈小，卡瓦运动前响应时间越小。在115°以上,角度的增大会严重增大卡盘系统动作前响应时间；115°以下,角度减小对于缩短卡盘运动前的响应时间和提高运动速度效能趋于平缓。

但是，考虑到角度愈小，连杆铰链点的应力越大，图14为对两连杆输入相同驱动力，相同时间时测得的应力云图。综合以上分析，连杆两臂间角度选取为115°则较为合理。

如采用分析后的合理设计值115。，则卡盘打开时，运动前的响应时间相比原设计值减小22.2%。

3结论

综合分析，可得出如下结论：

(1)座体下锥面角度对卡盘由开至闭时，卡瓦与座体间的接触力影响较大，综合接触力和卡瓦位移速度等参数，其合理设计值为7°时，接触力和速度波动较小。

(2)座体上锥面角度对卡盘由闭至开时，卡瓦与座体间的接触力影响较大，综合接触力、卡瓦位移速度参数和设计需求,其合理设计值为55°。

连杆两臂间夹角设计合理，可很大程度缩短卡瓦动作响应时间和提高运动速度，经分析其合理值为115°。

采用分析后的座体下锥面和上锥面优化角度，卡盘打开时，优化后的冲击力相比原设计值减小18.7%；卡盘关闭时,优化后的冲击力相比原设计值减小44.45%。

(5)采用优化后的连杆角度，卡盘打开时，运动前的响应时间相比原设计值减小22.2%。

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