一种自动翻转吊卡的研制

江连会;周斌;谭跃刚;黄安贻;王雄;王龙渤

【摘 要】传统手动吊卡采用全手工操作,操作人员劳动强度大,安全性低.为此,研制了自动翻转吊卡,并对关键部件翻转机构进行了优化设计.首先根据几何空间要求确定了需要优化的参数,然后将设计的虚拟模型导入到Admas软件中进行运动学和动力学仿真.通过分析确定了最优点,并依据最优点加工了自动翻转吊卡.实验证明,翻转机构可以很好的实现吊卡翻转,仿真结果与实验结果误差较小.%The traditional manual elevator is operated completely by hand, so the labor intensity of operators is high and their safety is low. In this paper, an automatic turnover elevator was developed and the turnover mechanisms of key parts were optimized. Firstly, the parameters to be optimized were determined according to the requirement of geometric space. Then, the designed virtual model was introduced into the software Admas for kinematics and dynamics simulation. Based on the analysis, the optimal point was determined. Afterwards, an automatic turnover elevator was manufactured according to the optimal point. It is experimentally demonstrated that the elevator can be overturned well by virtue of the turnover mechanism and the error between the simulation result and the experimental result is smaller.

【期刊名称】《石油钻采工艺》

【年(卷),期】2017(039)006

【总页数】4页(P791-794)

【关键词】修井作业;自动吊卡;翻转机构;优化设计

【作 者】江连会;周斌;谭跃刚;黄安贻;王雄;王龙渤

【作者单位】武汉理工大学机电工程学院;荆州市明德科技有限公司;中国石化石油工程机械有限公司研究院;武汉理工大学机电工程学院;武汉理工大学机电工程学院;荆州市明德科技有限公司;渤海钻探工程有限公司管具技术服务分公司

【正文语种】中 文

【中图分类】TE935

随着我国多数油田都已进入了原油开采的中、后期阶段，修井作业也随之越来越繁重。为降低工人的劳动强度，增加操作安全性，修井作业自动化研究成为目前研究的热点［1-3］。起下管柱作业是修井作业中最常见的作业形式，吊卡是起下作业中最关键的装置之一。目前修井作业吊卡的操作主要还是以人工为主，工人劳动强度高、安全性低。自动吊卡可以降低工人的劳动强度，增加操作安全性，成为了国内外研究开发的重点。目前国内外自动吊卡主要是液压翻转式吊卡［4-9］。根据我国修井作业装备情况，为节省成本，在手动吊卡基础上，研制了气压翻转式自动吊卡。

1 自动吊卡结构和参数

Structure and parameters of automatic elevator

1.1 结构

Structure

自动吊卡主要由吊卡体、活页、翻转机构、活页开关机构、上锁舌开关机构和下锁舌开关机构等组成，结构如图1所示。活页开关机构用于推动活页关闭和打开，实现油管的卡住和释放。上锁舌开关机构和下锁舌开关机构实现活页与吊卡的锁死和解锁，保证起吊油管的安全性。翻转机构实现吊卡的翻转，方便吊卡卡住油管。支架用于保护和支撑上述机构。

图1 自动吊卡结构示意图Fig. 1 Schematic structure of automatic elevator

1.2 主要设计参数

Main design parameters

自动吊卡的重量为77.5 kg，自动吊卡在图1位置时的长宽高为660 mm×482 mm×1 180 mm，活页最大旋转角度为100°，吊卡最大翻转角度为75°，额定载荷为4 000 kN，适用油管外径73.02 mm。

2 翻转机构

Turnover mechanism

翻转机构是自动吊卡最主要的部件之一。当自动吊卡处于如图1所示的垂直位置时，翻转机构运动简图如图2所示。在图1位置时，翻转机构的长宽高为660 mm×482 mm×950 mm。气缸收缩时，带动吊卡体翻转；气缸伸长时，带动吊卡体返回，最终到垂直位置。根据自动吊卡的几何空间布局，D、C点的位置是确定的，A点竖直方向的位置也是确定的，A点水平方向的位置可在一定范围内变动，优化A点水平方向的位置让翻转机构的性能达到最优。

图2 翻转机构运动简图Fig. 2 Schematic movement of turnover mechanism

吊卡翻转的目的是顺利抓取从猫道等拉排管装置送上的油管。在不同修井工况下，猫道等拉排管装置送上油管的倾斜角度（油管与水平面的夹角）范围一般为5～35°。当吊卡轴线与油管轴线平行且吊卡与油管贴合时，关闭吊卡活页可以顺利实现油管的抓取。由于猫道等拉排管装置送来的油管倾斜角度不同，抓取油管时，调整吊卡轴线倾斜角度与油管轴线倾斜角度一致的方法有两种。（1）通过检测和控制系统调整吊卡的翻转角度与油管的倾斜角度一致，这样做对控制系统的要求高，相应的成本比手动吊卡也会增加很多。（2）根据观察，井口操作人员在翻转吊卡时，并没有和猫道等拉排管装置送上来的油管的倾斜角度完全一致，吊卡在重力的作用下自动和油管吻合，利用这一现象，根据猫道等拉排管装置送上的油管倾斜角度的范围，我们把吊卡的翻转角度定为75°，当吊卡的前部和油管接触后，释放翻转机构，吊卡在重力的作用下，完全和油管吻合，从而可以实现油管的抓取，这样做既可以实现油管的抓取，控制系统也较简单，相比手动吊卡成本增加不大。通过比较，选择第2种方式实现油管的抓取。

3 翻转机构运动学与动力学仿真

Kinematics and dynamics simulation of turnover mechanism

利用CAD软件建立自动吊卡的虚拟设计模型，如图1所示，然后把该模型导入到ADMAS软件中，将摩擦系数设置为0.3，气缸的拉力和推力设置为994 N，分别对A点在水平方向的五个位置对翻转机构进行运动学和动力学仿真分析。

图3 气缸收缩距离与吊卡翻转角度关系曲线Fig. 3 Relationship between the shrinkage distance of cylinder and the turnover angle of elevator

图3为A点在水平方向不同位置时，气缸收缩距离和吊卡翻转角度的关系曲线。水平位置1时（如图中曲线1所示），初始条件下，气缸最大收缩250 mm，对应吊卡的最大翻转角度为60°，达不到最大翻转角度为75°的要求。位置2～5都可以达到吊卡翻转75°的要求。位置2吊卡的最大翻转角度为77°左右，考虑扰动的影响，也予以排除，位置3～5都能够实现吊卡稳定翻转75°的要求。

图4为吊卡翻转角度、角速度和角加速度曲线图。从图中曲线可以看出，位置3（对应图中曲线3）的翻转速度较快，翻转较稳定。因此确定位置3（如图2）为A点的最终水平位置。位置3的最大翻转角度为82.2°，在0.21秒时达到最大翻转角度，气缸收缩的距离为299.9 mm。

4 实验

Experiment

依据优化结果，设计制作了自动吊卡装置。在994N气缸力的作用下，吊卡最大翻转角度为79.6°，在0.22秒时达到最大翻转角度，最大翻转角度时，气缸收缩的距离为295.6 mm。吊卡最大翻转角度误差为3.16%，仿真结果与实验结果误差较小，在允许范围内。

在现场环境进行了实验：翻转机构翻转平稳、快速；吊卡门开关机构开闭稳定、迅速；可以顺利抓取与水平面夹角为0°～50°、直径为73.02系列的油管；锁舍启闭灵活，保证了吊卡的安全。操作人员远离吊卡遥控操作，保证了操作人员的安全。实验数月，运行一直平稳。

5 结论

Conclusions

在手动吊卡的基础上，加装自动执行机构，实现了手动吊卡到自动吊卡的升级。应用Admas软件，对自动吊卡的翻转机构进行了优化设计。依据优化结果，制作了自动吊卡装置，并进行了翻转实验，仿真结果与实验结果非常接近。应用Admas软件对设计模型进行仿真并优化，可以减少实验装置的制作，节约成本。

图4 吊卡翻转运动学曲线Fig. 4 Kinematics curve of the turnover of elevator

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