管柱下井过程的动力学分析
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量 定理 可得 ：
为简化 计 算 ， 做如 下假 设 ： （ １ ） 忽略钢 丝 绳的质 量 （ ２ ） 井 筒 内无 任何 液体 ； （ ３ ） 忽 略管柱 下 行过 程 中与空 气产 生的 摩擦 ， （ ４ ） 忽略管柱 与井壁 的摩 擦 。 对下行的管柱在任意一时间点进行受力分析 ： （ １ ） 熏力， 方 向竖直 向下 ， （ ２ ） 拉力， 方 向竖 喜 向上 ， （ ３ ） 浮力， 方 向竖直 向上 ｆ
理 论 研 究
ｌ ■
管柱 下井 过程 的 动 力 学 分析
文 ０ 拮
（ 大 庆油 田有 限责 任公 司试油 试 采分 公司 试油 大 队 ） ［ 摘 要］ 作 业机 提升 系 统 的运动 学特 征对 作 业 的安全 性具 有重 要 的影 响 。 本 文 以下井 运动 的管 柱 为研 究对 象 ， 分 析管 柱运 行 的最 大速 度 ， 并对 刹 车系 统 的 安 全性 进行 分析 ， 得 出了管柱 在不 同下降高 度 下的 的最大 下行 速度 ， 为现 场安全 施 工提供 理论 基础 ［ 关键 词］ 作业机 管柱 下 行速 度 刹车 系 统 中图分 类号 ： Ｔ Ｕ７ ５ ８ 文献 标识 码 ： Ａ 文 章编 号 ： １ ０ ０ ９ — ９ １ ４ Ｘ（ ２ ０ １ ４ ） ２ ８ —０ ３ ２ ６ 一 Ｏ １
分析管柱 下行过程 ， 从速 度为零 开始加 速 ， 到达 最大值 ， 然 后通过制动 系统 进 行刹 车 ， 最 后 回归为零 ， 典型 的速度 时 间 曲线如 图３ ： 各 阶段对 应 的典型 工况 为 ： ０ ～ｔ ｌ 段， 管柱在 刹 车松开 后 ， 开 始加 速 下行 －
ｔ ｌ 一＿ ｃ ２ 段， 管柱达到最大速度后 ， 保持该速度匀速下行－ 一 ｔ ２ 一ｔ ３ 段， 制动 系统 开始 工作 ， 管柱 减速 下行 ， 直 至速 度为 ０ 。 取加速 ０ － ￣ ｔ ｌ 段 中的任意一 时 间点ｔ ｉ ， 设 瞬时速 度ｖ ｉ ， 进行 动力 学分析 ， 由动
Ｇ — Ｆ ） ｄ ｔ ＝ ∥ｍ １ ）
式中： Ｇ － 管柱 的 重力 ， 单 位Ｎ， Ｆ —钢 丝绳 的拉 力 ， 单位 Ｎ，
ｍ一 管柱 的质 量 ， 单位ｋ ｇＩ 对（ １ ） 式 两边 进行 积分 ， 并取ｔ ． ＝ ｔ ． 可得 ： Ｇ— Ｆ ｍｖ ／ ｔ ． （ ２ ） 又 根据 能量守 恒 定律 ， 管柱 在下 行过 程 中发生 能量 转换
（ Ｇ — Ｆ ） ｈ ＝ 三ｌ ｌ ｌ Ｖ ２ ｍ ａ ｘ ＋ Ｑ
式中：
（ ３ ）
Ｑ： 制动 中所 产生 的热 能 。 假设 一 ｔ ． 趋近 于０ ， 因此 管柱 下降ｈ 高度 的台 力所 产生 能量 可 以认为 均 匀 的分 为两 个部 分 ， 运动 能和 热能 ， 因此 ： （ Ｇ —Ｆ ） ｈ ＝ ｍｖ 。 （ ４ ） 结合 （ ２ ） 和（ ４ ） 式 求解 ，
２ ． １受 力分析
（ ４ ） 空 气阻 力 ， 方 向竖直 向上 ； （ ５ ） 井壁 摩擦 力 ， 方 向与 运动 方 向相反 。 管柱主 要受 到重力 和钢 丝绳的 拉力 ， 由于 重力 和拉力远 远大 于浮 力 、 空气 阻力等 ， 因此忽略 其影 响 ， 在计算 分析 中 ， 以管柱 所受 重力 和钢丝 绳拉 力为 主 。 ２ ２ 动 力学分 析
作业机的提升系统担负着提升和下放油管、 射孔枪身、 处理井下事故的重 要工作 ， 具有 提升 、 下放快 速 的特 点。 但 部分 司钻在作 业 中未 能很好 的控制 下放 速度 ， 出现下放 速度 过快 、 紧急制动 的现象 ， 造成提 升 系统载 荷突然 增大 ， 若 长 此 以往 ， 将影 响设备 性能 。 为此， 本文对 洗井 管柱 在下行 过程 中进行 受力 分析 ， 计算 最大 速度 ， 并分析 作业 机刹 车系 统的 稳定性 。 １ 、 提 升 系统简 介 作业机提 升系统 包括游动 滑车 、 井架 、 天车 、 钢 丝绳 、 绞 车和管柱 等 ， 简化模 型 如 图ｌ 所示 。 工作时 ， 作业 机 的绞车 主要通 过动 力的传 递来 完成游 动系统 的起 升作 业 ， 绞 车系统 由滚 筒总成 、 滚筒刹 车系 统组 成。 滚筒总 成又 包括 滚筒轴 、 滚 筒体 、 刹 车毂 、 连接 盘 、 轴 向推 盘离 合器 等部 件 ， 刹 车 系统包 括 刹车钢 带 、 刹 车 块 刹车 轴、 调 节装 置 、 平衡 装置 、 曲拐 、 拐 臂等 部件 。 ２ ． 动 力举 分析
图１作业 机 提升 系 统 简化 模 型
ｖ …
（ ５ ）
Ｖ
图３典型 的管柱 下 行 速度 曲 线
表 Ｉ不 同下 行高 度 的 管柱 速度
在提 升系 统下钻 工 况的典型 工作制 动过 程 中 ， 按照 典型 的下钻 工艺 ， 分 别 取ｔ ， 、 ｔ ’ 、 为０ ． ８ ９ 、 ６ ． ９ ９ 和９ ， 因此ｖ ｍａ ｘ ＝ ｈ ／ Ｏ ． ８ ９ ， 下表 是 不同管 柱下行 高度 下 的最 大管 柱速 度 根据 现场经验 ， 司钻 一般 在管柱 下行５ — ６ ｍ时开始制 动 ， 因此为保证 制动 的 有效 陛 ， 管柱 下行 的最 大速 度应 控制 在７ ． ８ ６ ｍ／ ｓ 以下 。 ３ ， 制 动 系统安 全性 分析 突 发异常 情况 是 ， 司钻需 要采取 紧急 制动 ， 相应 的绞车 刹车 系统 发挥重 要 作用 ， 依 照 同样 的原理 ， 可以推 导 出在 刹 车 阶段 作 用在滚 筒 上的作 用力 ： Ｆ ＝ Ｇ＋ ｍｖ ／△ ｔ ＋ Ｇ ＋ （ ６ ） 由（ ６ ） 式可 知 ， 作用在 滚筒 上面 的作用 力与管 柱 下行速度 、 管柱 重量 、 制动 时 间相关 ， 下表 是２ ７ ／ 管 柱不 同下行速 度 下 的作用力 ，△诹 紧 急制 动时 间 １ ． ５ ｓ ， 滚筒半径０ ． １ ８ ｍ。 在此制动时间下， 钢丝绳拉力（ 许用拉力１ ４ ０ ｋ Ｎ） 和滚筒 制动力矩 （ 最大制动力矩２ ５ ０ ｋ Ｎ＊ ｍ） 均在许用范围以内， 满足安全性要求。
为简化 计 算 ， 做如 下假 设 ： （ １ ） 忽略钢 丝 绳的质 量 （ ２ ） 井 筒 内无 任何 液体 ； （ ３ ） 忽 略管柱 下 行过 程 中与空 气产 生的 摩擦 ， （ ４ ） 忽略管柱 与井壁 的摩 擦 。 对下行的管柱在任意一时间点进行受力分析 ： （ １ ） 熏力， 方 向竖直 向下 ， （ ２ ） 拉力， 方 向竖 喜 向上 ， （ ３ ） 浮力， 方 向竖直 向上 ｆ
理 论 研 究
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管柱 下井 过程 的 动 力 学 分析
文 ０ 拮
（ 大 庆油 田有 限责 任公 司试油 试 采分 公司 试油 大 队 ） ［ 摘 要］ 作 业机 提升 系 统 的运动 学特 征对 作 业 的安全 性具 有重 要 的影 响 。 本 文 以下井 运动 的管 柱 为研 究对 象 ， 分 析管 柱运 行 的最 大速 度 ， 并对 刹 车系 统 的 安 全性 进行 分析 ， 得 出了管柱 在不 同下降高 度 下的 的最大 下行 速度 ， 为现 场安全 施 工提供 理论 基础 ［ 关键 词］ 作业机 管柱 下 行速 度 刹车 系 统 中图分 类号 ： Ｔ Ｕ７ ５ ８ 文献 标识 码 ： Ａ 文 章编 号 ： １ ０ ０ ９ — ９ １ ４ Ｘ（ ２ ０ １ ４ ） ２ ８ —０ ３ ２ ６ 一 Ｏ １
分析管柱 下行过程 ， 从速 度为零 开始加 速 ， 到达 最大值 ， 然 后通过制动 系统 进 行刹 车 ， 最 后 回归为零 ， 典型 的速度 时 间 曲线如 图３ ： 各 阶段对 应 的典型 工况 为 ： ０ ～ｔ ｌ 段， 管柱在 刹 车松开 后 ， 开 始加 速 下行 －
ｔ ｌ 一＿ ｃ ２ 段， 管柱达到最大速度后 ， 保持该速度匀速下行－ 一 ｔ ２ 一ｔ ３ 段， 制动 系统 开始 工作 ， 管柱 减速 下行 ， 直 至速 度为 ０ 。 取加速 ０ － ￣ ｔ ｌ 段 中的任意一 时 间点ｔ ｉ ， 设 瞬时速 度ｖ ｉ ， 进行 动力 学分析 ， 由动
Ｇ — Ｆ ） ｄ ｔ ＝ ∥ｍ １ ）
式中： Ｇ － 管柱 的 重力 ， 单 位Ｎ， Ｆ —钢 丝绳 的拉 力 ， 单位 Ｎ，
ｍ一 管柱 的质 量 ， 单位ｋ ｇＩ 对（ １ ） 式 两边 进行 积分 ， 并取ｔ ． ＝ ｔ ． 可得 ： Ｇ— Ｆ ｍｖ ／ ｔ ． （ ２ ） 又 根据 能量守 恒 定律 ， 管柱 在下 行过 程 中发生 能量 转换
（ Ｇ — Ｆ ） ｈ ＝ 三ｌ ｌ ｌ Ｖ ２ ｍ ａ ｘ ＋ Ｑ
式中：
（ ３ ）
Ｑ： 制动 中所 产生 的热 能 。 假设 一 ｔ ． 趋近 于０ ， 因此 管柱 下降ｈ 高度 的台 力所 产生 能量 可 以认为 均 匀 的分 为两 个部 分 ， 运动 能和 热能 ， 因此 ： （ Ｇ —Ｆ ） ｈ ＝ ｍｖ 。 （ ４ ） 结合 （ ２ ） 和（ ４ ） 式 求解 ，
２ ． １受 力分析
（ ４ ） 空 气阻 力 ， 方 向竖直 向上 ； （ ５ ） 井壁 摩擦 力 ， 方 向与 运动 方 向相反 。 管柱主 要受 到重力 和钢 丝绳的 拉力 ， 由于 重力 和拉力远 远大 于浮 力 、 空气 阻力等 ， 因此忽略 其影 响 ， 在计算 分析 中 ， 以管柱 所受 重力 和钢丝 绳拉 力为 主 。 ２ ２ 动 力学分 析
作业机的提升系统担负着提升和下放油管、 射孔枪身、 处理井下事故的重 要工作 ， 具有 提升 、 下放快 速 的特 点。 但 部分 司钻在作 业 中未 能很好 的控制 下放 速度 ， 出现下放 速度 过快 、 紧急制动 的现象 ， 造成提 升 系统载 荷突然 增大 ， 若 长 此 以往 ， 将影 响设备 性能 。 为此， 本文对 洗井 管柱 在下行 过程 中进行 受力 分析 ， 计算 最大 速度 ， 并分析 作业 机刹 车系 统的 稳定性 。 １ 、 提 升 系统简 介 作业机提 升系统 包括游动 滑车 、 井架 、 天车 、 钢 丝绳 、 绞 车和管柱 等 ， 简化模 型 如 图ｌ 所示 。 工作时 ， 作业 机 的绞车 主要通 过动 力的传 递来 完成游 动系统 的起 升作 业 ， 绞 车系统 由滚 筒总成 、 滚筒刹 车系 统组 成。 滚筒总 成又 包括 滚筒轴 、 滚 筒体 、 刹 车毂 、 连接 盘 、 轴 向推 盘离 合器 等部 件 ， 刹 车 系统包 括 刹车钢 带 、 刹 车 块 刹车 轴、 调 节装 置 、 平衡 装置 、 曲拐 、 拐 臂等 部件 。 ２ ． 动 力举 分析
图１作业 机 提升 系 统 简化 模 型
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（ ５ ）
Ｖ
图３典型 的管柱 下 行 速度 曲 线
表 Ｉ不 同下 行高 度 的 管柱 速度
在提 升系 统下钻 工 况的典型 工作制 动过 程 中 ， 按照 典型 的下钻 工艺 ， 分 别 取ｔ ， 、 ｔ ’ 、 为０ ． ８ ９ 、 ６ ． ９ ９ 和９ ， 因此ｖ ｍａ ｘ ＝ ｈ ／ Ｏ ． ８ ９ ， 下表 是 不同管 柱下行 高度 下 的最 大管 柱速 度 根据 现场经验 ， 司钻 一般 在管柱 下行５ — ６ ｍ时开始制 动 ， 因此为保证 制动 的 有效 陛 ， 管柱 下行 的最 大速 度应 控制 在７ ． ８ ６ ｍ／ ｓ 以下 。 ３ ， 制 动 系统安 全性 分析 突 发异常 情况 是 ， 司钻需 要采取 紧急 制动 ， 相应 的绞车 刹车 系统 发挥重 要 作用 ， 依 照 同样 的原理 ， 可以推 导 出在 刹 车 阶段 作 用在滚 筒 上的作 用力 ： Ｆ ＝ Ｇ＋ ｍｖ ／△ ｔ ＋ Ｇ ＋ （ ６ ） 由（ ６ ） 式可 知 ， 作用在 滚筒 上面 的作用 力与管 柱 下行速度 、 管柱 重量 、 制动 时 间相关 ， 下表 是２ ７ ／ 管 柱不 同下行速 度 下 的作用力 ，△诹 紧 急制 动时 间 １ ． ５ ｓ ， 滚筒半径０ ． １ ８ ｍ。 在此制动时间下， 钢丝绳拉力（ 许用拉力１ ４ ０ ｋ Ｎ） 和滚筒 制动力矩 （ 最大制动力矩２ ５ ０ ｋ Ｎ＊ ｍ） 均在许用范围以内， 满足安全性要求。