斜直井管具采摘機械手運動規(guī)劃與動力學分析

斜直井管具采摘機械手運動規(guī)劃與動力學分析

0鉆井設(shè)備自動控制技術(shù)研究近年來，隨著鉆探市場競爭的加劇，所有勘探公司都希望在加快進度的同時確保作業(yè)安全，降低工人的工作量。因此，越來越多的鉆孔設(shè)備采用了自動控制技術(shù)。本文作者在對機械手進行運動規(guī)劃的基礎(chǔ)上,對其在風載和基座振動情況下的動態(tài)特性進行研究,分析其受力狀態(tài),研究風載荷和基座振動對其運動造成的影響。1機械手起升過程機械手在主、輔液壓缸的協(xié)同配合下,進行石油鉆桿的拾取作業(yè):當機械手處于水平最低位置(如圖2(a))時夾取鉆桿,當機械手處于豎直最高點(如圖2(b))時放下鉆桿。在整個起升過程中,機械手依靠主、輔液壓缸驅(qū)動主臂和短支架轉(zhuǎn)動以達到輔臂豎直90°的狀態(tài)(鉆桿與輔臂平行且不影響鉆桿對接)。其中主臂轉(zhuǎn)角為95.36°,短支架轉(zhuǎn)角為23.59°。θ2軌跡規(guī)劃方程根據(jù)已知條件,對機械手角位移:在進行機械手動態(tài)特性分析前,先進行運動規(guī)劃、建立運動學方程。由于機械手各桿z軸相互平行,故可將其簡化為平面機構(gòu),如圖3為機械手坐標分配圖,圖4為機械手簡圖。其中l(wèi)根據(jù)運動學齊次變換可得末端執(zhí)行器空間位姿轉(zhuǎn)換矩陣:角速度:時間約束條件:角度約束條件:角速度約束條件:由式(6)—(10)得:因此可得:同理主臂下降軌跡規(guī)劃方程為:經(jīng)分析知,機械手主臂與基座鉸接處為機械手危險部位之一,以該處為例,對比分析風載荷和基座振動對該拾取機械手受力狀況的影響。機械手主臂與基座間作用力受機械手姿態(tài)位姿的影響。如圖6為機械手位置關(guān)系機構(gòu)簡圖,圖中實線為水平位置時機械手機構(gòu)簡圖,虛線為機械手運動過程中某一時刻的位置關(guān)系圖。圖6中機械手在水平位置時液壓缸的總長為L,∠B當圖7中機械手處于水平位置時(以下符號中腳標0代表水平位置,1代表機械手運動到某一位置),點A受力為F當機械手處于水平位置時,由主臂受力平衡得:對點B取矩得:其中GL當機械手運動到圖7中某一時刻時,由主臂受力平衡得:對點B取矩得:其中GL因0≤α≤95.36°,由以上式(14)—(19)可推出F式中:GLF以上部分物理參數(shù)由Solidworks測得,如表1。根據(jù)表1數(shù)據(jù),通過計算可得無風載荷無基座振動時機械手主臂與基座間的約束力F3單次給藥振動利用Solidworks建立三維模型,并導入到ADAMS中對于多數(shù)戶外工程設(shè)計,必須考慮設(shè)備使用時的風載荷機械手作業(yè)時,由于材料自重和外界干擾等因素,整個機械系統(tǒng)很容易發(fā)生振動,故本文添加振幅為5mm,頻率為50Hz的X、Y、Z三向驅(qū)動來模擬基座振動。4主臂與基礎(chǔ)振動對機械手運動影響分析仿真結(jié)束后,進入ADAMS/PostProcessor,測出機械手在不同條件下的運動參數(shù)。圖9為無風載無基座振動時主臂與基座鉸接處作用力。由圖9知,在無風無振情況下主臂與基座鉸接處最大作用力F由圖10(a)知風載荷在機械手起升前期對機械手主臂與基座鉸接處作用力影響極小,當主臂抬升一定高度后,風載荷對主臂與基座間作用力產(chǎn)生影響;從圖10(b)知基座振動在機械手升、降過程中快速運動階段對主臂與基座間作用力影響不大,然而當機械手拾、放鉆桿過程中由于其近似處于靜止狀態(tài),此時基座振動對機械手主臂和基座間作用力影響較大,出現(xiàn)快速高峰值波動。這對機械手的穩(wěn)定性及機械手運動終止位置會造成一定影響,從而影響鉆桿的精確對接;從圖10(c)知風載荷和基座振動對機械手的影響基本相當于兩種因素對其分別產(chǎn)生影響的疊加,表2為3種情況下主臂與基座鉸接處最大動載荷與無風無振情形下相比最大偏差值及偏差百分比。由圖10和表2分析知,與無風無振動情況相比,在8~11級陣風載荷情況下機械手主臂與基座鉸接處最大動載荷基本不變,而其運動過程中最大載荷偏差達61.6kN,偏差比為15.4%;在基座振頻為50Hz、振幅為5mm情況下,主臂與基座鉸接處最大動載荷增大47.5kN,增大比為11.9%,運動過程中最大載荷偏差為130.1kN,偏差比為29.1%;在風載荷和基座振動共同作用下,主臂與基座鉸接處最大動載荷增大102.8kN,增大比為25.7%,運動過程中最大載荷偏差為211.7kN,偏差比為42.1%。由以上可知,風載荷和基座振動對機械手運動影響較大,特別是當風載荷和基座振動共同作用于機械手時會導致鉸接處作用力增加較大,且振動會造成機械手與基座鉸接處作用力出現(xiàn)快速、大幅度波動,這對機械手的安全作業(yè)造成嚴重影響,必須對可能由此造成的破壞進行防范。故需對關(guān)鍵連接軸強度進行必要的校核。根據(jù)設(shè)計二維圖可知,主臂與基座連接銷軸半徑為100mm,長為490mm,擠壓長度80mm,銷子寬度為336mm;由表2知機械手主臂和基座鉸接間最大作用力為502.3kN?，F(xiàn)根據(jù)材料力學進行強度校核:剪切強度校核:彎曲正應力強度校核:擠壓應力強度校核:由以上可知,鉸接處銷軸強度符合設(shè)計要求,機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度條件滿足戶外一定條件下作業(yè)的要求。5機械手運動學建模分析及優(yōu)化通過分析斜直井石油鉆桿拾取機械手主臂與基座間約束力,得知當機械手處于水平位置時基座約束力最大;選用起重機械設(shè)備動載荷系數(shù)對機械手主臂與基座鉸接處最大動載荷進行計算,將其結(jié)果與AD-AMS動態(tài)仿真數(shù)據(jù)對比得知兩者相差不足1%,從而證明理論計算與仿真相符且運動規(guī)劃較為合理;通過強度校核知,主臂與基座間的連接銷軸主要受擠壓應力作用,所受彎曲應力和剪切應力遠低于極限強度值,故可以機械手各部件強度校核為依據(jù)對其零部件進行進一步優(yōu)化,在保證設(shè)備安全可靠的基礎(chǔ)上盡量降低加工制造成本,如減少零件材料用量、減輕局部部件質(zhì)量等。本文作者首先使用靜力學分析法建立機械手力學模型,對其不同位姿進行受力分析,但此法需添加動載系數(shù)來考慮機械手運動速度及加速度對其造成的影響且無法檢驗運動規(guī)劃合理與否。然后利用動力學仿真對機械手運動全過程進行動態(tài)分析,動力學仿真建立在合理的運動規(guī)劃之