基于AMESim的排管机末端夹紧装置液压系统仿真分析

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

目前 .我 国可 采 油气 资 源 80%储 藏 在 2 000 ITI深以 内的浅 层 和 2 000～3 500 nl深 的 中 深层 。且 大 多数油 气 田 已进 入 钻采 开发 的中后 期 ，因此急 需 大量 深井钻 机设 备 .排 管机 正 是完 成 这种 特殊 勘钻 作 业而 设计的 ]。排管 机 能够 完 成下 钻 过程 中钻 杆 的夹 紧 、提 放 、搬 运 等操 作 .代替 了人工 实 现钻 杆在 进 口与 排放 架 间往复 自动 传送 和 排放 ，从 而 有效 地提 高 钻井 作业 的安全性 .缩 短 作业 周 期 ，节 约作 业 成本 [2]。排 管机 在 正 常工作 时 ，其末 端夹 紧 装置 起着 非 常重 要 的作 用 ，它必 须牢牢 地抓 紧钻杆 ，达 到 -定 的压 紧 力 ，从 而保 证 作 业 的安全 性 。本 文针 对 排管 机末 端 夹 紧装置 的夹 紧钻杆 工作过 程 ，利 用 AMESim 平 台建 立该 装置 的液压 系统 及机 械装 置 原理 图 ，根 据 实 际工作 状 况 ，研 究 末端 夹 紧装置 在工 作 工程 中 的动态 特性 .进 而为 实 际钻杆 抓 紧作业 的参数 设 定提供 依 据 。

1 工作原理排 管 机 的 功 用是 实 现 钻 杆 (立 根 )在 钻 台排 放 架 与 井口中心 间 的 自动 传送 .所 以 又 名 钻 杆自动 传 送 系 统 .主要 由 导 轨 座 、 排 管座 轨 、排 管 滑 车 、回转 机 构 、排 管 长 销 、排 管 器 桅 杆 总 成 、夹 持 滑 车 、排 管 器动 臂 、三 角 架 机 构及 末 端 夹 持 器 等 组成 。 其 结 构 如 图 1所示 。

末 端 夹 持 装 置国家深部探测技术与实验研究专项资助项目(编号：Sinoprobe-O9)收稿 日期：2012年 l1月2013/4是钻 杆 自动 传送 装 置 的重要 组 成部 分 ，是 直接 执 行 动作任 务 的装 置 ，夹持 装 置 固定 在夹 持滑 车 上 ，主要 有夹持手 指 、传动 连杆 及驱 动油 缸等 组成 。其 结构 如 图 2所示 。

驱动 油缸被 固定在夹 持器 地板 上 ，驱动 油缸 活塞 杆与传 动连杆 的-端 通过 销轴 铰接 ，传 动连杆 的另 -端 与夹 持手爪 相铰接 。夹持手 爪可 以绕 着 自身 的 固定 限位 杆实现摆动 .驱动油 缸活 塞杆 的伸缩运 动可 以实 现传动 连杆 的开合 ，从而实 现夹持 手爪夹 紧和放松 钻杆 。

2 液压系统的设计根据 排 管机末 端 夹 持器 驱 动油 缸 的动作 及 压力 调节 原 理 。其 液 压 回路如 图 3所 示 。

本 回 路 采 用 三位 四 通 换 向 阀 控 制液 压 缸 的 运 动 。当换 向 阀 处 于 右 位 时 ，液压 缸 的 无 杆 腔 进 油 。

活 塞 杆 伸 出 。当 换 向阀处 于 中位 时 。液 压缸 保 持 不 动 ：当换 向阀换 至 左 位 时 ，液 压缸 有 杆 腔 进 油 ，活 塞缸 缩 回 。在 液 压 缸 油路 上 安 装 具 有 自 锁功 能 的 液 压 锁 ，可 以实 现保 压 作 用 ，防止在 抓 取 立 杆 的 过 程中 突 然 断 电 而 引 起事故 。

根 据 本 设 计 要求 ，驱 动 液 压 缸 选 择双 作 用 单 活 塞 杆 液压 缸 ，如 图 4所 示机械制造51卷 第584期 图 中 ：Q 为 无杆 腔 流 量 ；A，为 无杆 腔有 效 面 积 ；P为无 杆 腔 压 力 ；Q2为有 杆 腔 流 量 ； 为有 杆 腔 有 效 面 积 ；尸2为有 杆 腔压 力 ；Y为负 载位 移 ；Ⅳ 为液压 缸受 的总作 用力 ； 为 等效质 量 。

根 据 液流 连续 性 原理 可得 ：AQI -警 ㈩AQ2 At：警 - (2)式 中 ： 。为 活塞 在 中 间位 置 时 (两 腔 容 积 相 等 时)每 腔的油 液体 积 ； 为液 体 有效体 积 弹性 模量 。

设 液 压 缸 两 腔 有 效 面 积 比 ：2/A l凡 (3)令 ： PI-nP2对 上 式求 导得 ：P上： -n (4) d d d根 据 式 (1)、式 (2)和式 (4)可 得 ：aQ1AQ2(A lnA：) (5)对式 (5)进行 拉 氏变 换得 ：Q，nQ2(A 1 2)sY(s) s (6)液压 缸 的活 塞平 衡方 程 为 ：等 誓 Ⅳ (7)式 中 ： 为 活 塞 和 负 载 的 黏 性 阻 尼 系 数 ；F为 外 界 干 扰力 。

对 式 (7)进行 拉 氏变换 ：Ms Y(s)B Y(s)，IⅣ (8)并 且 ：A1P1-A 1PLN (9)将 式 (6)和 式 (8)代 人 式 (9)中 ，整 理 可 得 液 压 缸 系统 的传 递 函数 ：y(s)丽 A胍tfl -V oF s (1o)3 仿真分析AMESim 是- 种工 程 系 统高 级 建模 和仿 真 平 台软件 ，该 软 件 基于 功 率键合 图的原 理 ，能够 对 机械 、液 压 、气动 、电磁 等多 学 科领 域 的元 件和 系统 进行 建 模 和仿真 ，准确 反 应 系统 和元 件相 应 的动态 特 性 E3]。本 文 利用AMESim软 件 为用 户 提供 元 件应 用 库 ，即机械 库 、信号控制 库 及液 压元 件 设计 库 ，对 排管 机末 端 夹 紧装 置液压 系统 及 机械 部分 进 行建模 仿 真 ，通过 参数 的设 定 ，研机械制造5l卷 第584期究 系统及元 件 的动 态特 性 。

3.1 建 立 仿 真 模 型为模拟 夹 紧装 置 的正常 工作 状态 。在 AMESim 软件 的 草 图 模 式下 .根 据 夹 紧 装置 的 机 械 原 理 图2及 液 压 原 理 图3，建 立 如 图 5所示 的排 管 机 末 端夹 紧 装 置 的 系统模 型[ 。

在 AMESire软 件 仿 真 时 ，系统 所 有 的模 型均被 参 数 化 ，各 元件 主 要 参 数 如下 ：活 塞 直 径 为50 am，活 塞杆 直径 为 30 mm。行 程 为 60 mm，传 动 连 杆 长 度 为 47.5mm，夹持 手爪 尺 寸为 0.1l mm(中间节 点 比例 4：7)。参数设 定 完后 ，进 行 仿 真 ，仿 真 时 间设 为 5 s。精 度设 为0.O01 S。

3.2 仿 真 结 果 分 析仿 真结 束后 ，点 击界 面 的几何 构造 按钮 。弹 出所建模 型 的模 型 ，如 图 6所 示 ，与 三维 模 型 中的模 型 - 致 。

系统 给定 信 号如 图 7所示 ，可得 到 仿 真结 果 ，如 图 8、9所 示 。图 8为 夹持手 爪 与钻 杆 的间 隙距离 曲线 图 9为在 该信 号下 的夹 持 油缸 活塞 杆 的运 动 速度(1)和末 端夹持 手爪 的运 动速 度(2)。

- 心坦<图6 AMESim中的机构模型图 图7褪窖担肝 怫建- - f - - 、 /f j时间/s图8 夹持手爪与钻杆的距离曲线i o0。

蓥-0- O时间，s换向阀的输入信号时间，s图9 油缸和夹持手爪的速度瞌线2013/4圆双联斜盘式轴向枉塞泵在行走相赫l昀应用术口 楼锡银湖州职业技术学院 机电工程分院 浙江湖州 31300摘 要：针对行走液压的性能要求，分析了双联斜盘式轴向柱塞泵的结构和工作特点。实际应用表明，双联斜盘式轴向柱塞泵适合在结构紧凑、功率/体积比大、无级变速、性能可靠的行走机械上使用。

关键词：双联斜盘式轴向柱塞泵 行走液压 行走机械中圈分类号：TH13 文献标识码：A 文章编号：1000-4998(2013)04-0036-03液 压 系 统 可 分 工 业 液 压 与 行 走 液 压 l1]，工 业 液 压 多用 于 固定 的机械 .行走 液压 多 用于行 走 的机械 。行走机械 是指 能够 行走 的工 程机 械 、农 业机 械 、矿 山机 械 和专用 车辆 。如 联合 收割 机 、叉 车 、装载机 等 。工业 液压 和行走 液压 工作 原理 相 同 ，但 由于 使用 诚 不 同 ，使 液 压系统 的设 计各 有 不 同特 点 。以前 ，国产 的行 走机 械 主要采 用纯 机械 传动 系统 ，技术 含量 较低 。随着 我 国液 压技术 的 不 断 进 步 。 行 走 液 压 技 术 也 得 到 了 越 来 越 多 的 使用 。双联 轴 向柱 塞泵 多用 于液压 闭式 系统 ，由于液 压闭式 系统 以其 结 构 紧 凑 、传 动 效率 高 、故 障 率低 的特 点 ，被 广 泛应用 于 各种行 走 机械 的液 压系统 2]。

湖州市科技攻关项目(编号：2007GG23)收稿日期：2012年 12月由图 可 知 ，在该 信 号 下 ，系 统 在 1.73 S时 ，夹持 手爪 抓到 钻杆 。在此 过程 ，夹 紧油缸 的 最大速 度 达到 34mm/s.夹 持 手 爪 的 最 大 速 度 达 到 了 20 mm/s，并 且 在 接近钻杆 的 时刻 .夹持 手爪 的速 度有所 减 缓 。夹持 手爪 碰到钻 杆后 ，夹 紧手抓 的速 度 为零 ，并 且迅 速建 立 夹 紧力13.6 kN(系统 的压 力 为 25 MPa)，保 持 到 3 s时 ，- 直保持 夹 紧油缸 无杆 腔进 油 。此 时 ，系统 保持 不变 的夹紧力 ，在 3～4 s时 ，换 向阀移 到 中位 ，系统 处 于浮 动 状态 ，靠液 压锁 保持 系统 的压 力 。在 这段 时间 。夹持力 缓 降到5 kN。在 4～5 S，夹 紧油缸 有杆 腔进 油 ，夹 持手 爪松 开钻杆 。在 此过 程 ，夹紧油 缸 的最大 速度 达到 44 mm/s，夹持手 爪 的 最 大 速 度 达 到 34 mm/s。 夹 持 手 爪 迅 速 地 松 开钻 杆 ，但 是 在退 到 原点 时 ，由于惯 性 作 用 ，有 轻 微 的振动 。夹持手 爪 在接 近钻杆 的过 程 中 。在 前半段 运 动速 度很 快 ，在 要 接 近钻 杆 的时 候 .速 度 有所 减 缓 .而 在 夹 持手 爪松 开钻 杆 的过程 中 ，手爪 的速度 比夹紧 钻杆 的速度 要快 ，所 用时 间也较 短 ，符合设 计要 求 。

4 结论2013/41 行走液压系统性能要求1.1 功 率/体 积 比 大行 走 机 械往 往 要 求 结 构 紧 凑 、整 机 质 量 轻 、减 少行 走 时的功 率 消耗 。因此 ，对 于行走 液压 要求 具有 较 大的功率 和较 小 的体积 。

1.2 系统 结 构 简 单行 走机 械 的动作 主要 是前 进 、倒退 、转 弯 、停 止 ，故行走 液压 在保 证实 现 以上动 作 的前 提下 ，尽 可 能使 整个 系统结 构简 单 ，从而 减少 故 障率 ，提 高 性能 的可靠性 。

1.3 载 荷 适 应 性 强行走 机械 的承载量 及 工作 环境 会经 常 变化 ，因此叶壬叶 呻 斗 呻 叶 呻量叶 墨呻 呻 呻量. 呻量呻 呻 呻1)在 AMESim模 式 下 .根 据 排管 机 末 端 夹 持 器 的工作 原 理 ，利 用元 件库 建 立夹持 系 统 的液 压 和机 械 图。

2)应 用 AMESim 软件 对 夹紧装 置进 行 了仿 真和 分析 ，给定 信号 后 ，得 到 夹持 系统 的动态 特 性 ，为今 后 参数 设定 提供 -定 的依 据 。