引言

本文所研究的自動卡盤應用于石油開采行業(yè)，通過外部氣源驅(qū)動氣缸帶動執(zhí)行機構，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，促使我國石油機械產(chǎn)業(yè)升級。

在卡盤調(diào)試和試驗時，發(fā)現(xiàn)打開和關閉過程中運動部件沖擊較大，動作響應時間較長，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運動學仿真軟件為基礎，對問題進行詳細分析，提出解決方案，進而優(yōu)化設備。

1運動學模型的建立

本文采用Pro/E建立卡盤三維模型，對要分析的關鍵部件進行參數(shù)化設計，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軟件的總體坐標系而定位，在參數(shù)分析中，其運動部件的位移和速度等參數(shù)將會分解到三個坐標方向上（即X、Y、Z軸方向），如圖1所示，卡盤在ADAMS中總體坐標系的X-Z平面內(nèi)做相應運動。

在ADAMS軟件中，建立卡盤各構件運動副的約束關系見表1所列。

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

2主要構件優(yōu)化分析

在卡盤試驗時發(fā)現(xiàn)兩個問題，一是部件運動沖擊力較大，二是運動部件動作響應時間較長。為解決這兩個問題，選取卡盤關鍵部件和關鍵位置，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)律設置的，在此速度驅(qū)動之下，卡盤完成打開和關閉整個過程。其中，0~0.6s為卡盤打開運動，0.6~1s卡盤靜止于打開狀態(tài)，1~1.4s為卡盤關閉運動，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閉時卡死。卡死的臨界值為6°因此在分析中，選取分析角度為7。、9.46。(產(chǎn)品實際值)、12(15(對不同角度下卡瓦和座體間的接觸力和卡瓦質(zhì)點速度分別進行對比，選出合理設計值。

當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，構件材料的彈性模量當成彈簧的剛度，阻尼當成能量損失。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，得出卡盤打開和關閉過程中，沖擊力與下錐面角度的關系如圖5所示。卡盤打開過程中，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”進行分析的分析方法如圖7所示。

綜合沖擊力和卡瓦質(zhì)點速度波動，選取7°作為下錐面合理設計角度。

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)合構成卡瓦打開和關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動產(chǎn)生重要影響。具體表現(xiàn)在：一是卡瓦打開至終點時對座體的沖擊力;二為上錐面是卡瓦由開至閉運動的起始接觸面，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)品實際值)、70。、75。度進行分析。從圖8可看出，在0~0.6s卡盤打開運動過程中，70。沖擊力最大，75。次之，55。、60。、65。相比較小且三者導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系圖。上錐面角度為55°～65°內(nèi)卡盤打開與關閉過程中接觸力大小基本相當，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)點的速度隨上錐面角度變化的關系。

圖10所示為卡盤打開和關閉過程中卡瓦A質(zhì)點速度在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)點速度波動，選取55。為上錐面合理設計角度。

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計值減小18.7%；卡盤關閉時，優(yōu)化后的沖擊力相比原設計值減小44.45%。

2.3連桿兩臂間夾角優(yōu)化分析

在對卡盤進行試驗時，氣缸輸入不同壓力的壓縮氣體對卡盤打開時間影響較大，但對關閉時間影響甚小。這是出于安全考慮座體下錐面角度設計較小，當氣缸失去動力源時卡瓦可受自重下滑閉合，進而夾持住鉆桿。所以此處主要分析影響卡盤打開時間和動作響應時間的因素。

連桿作為傳輸力的中間件，其設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行分析。這三者之間形成角度互相制約，故應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，卡瓦運動前響應時間越小。在115°以上,角度的增大會嚴重增大卡盤系統(tǒng)動作前響應時間；115°以下,角度減小對于縮短卡盤運動前的響應時間和提高運動速度效能趨于平緩。

但是，考慮到角度愈小，連桿鉸鏈點的應力越大，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計值115。，則卡盤打開時，運動前的響應時間相比原設計值減小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)和設計需求,其合理設計值為55°。

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

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

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