钻机顶驱系统背钳机构设计及仿真

国外相比无论是在结构上还是可靠性方面都还存在很大 2 背钳的结构设计
的差距.钻机顶驱系统的重要组成部分背钳主要用来完
根据背钳的功能要求,对背钳机构进行设计.结构如图
成钻杆的上卸扣作业,此外也可以利用背钳更换保护接 1 所示.侧挂式背钳主要由前扶正环、后扶正环、导向环、
头和内防喷器.顶驱在进行上卸扣作业时,背钳夹紧钻杆, 背钳本体背钳支架、背钳托座、弹簧等组成.
图 5 钳头位置变化曲线 如图 6 所示为右钳头速度变化曲线,在背钳夹紧的过 程中,钳头的速度先平稳增加,然后又平稳下滑,当时间到 2.5 秒时背钳的运动速度达到最大,且背钳装置钳头的最大运 动速度为 6 mm/s.右钳头速度变化曲线变化稳定,满足背钳 设计要求.
部分:右背钳、左背钳、钻杆、液压缸、浮动安装座,每一
clamp mechanism in process of back clamp clamping and loosing .By the curves ,we can explore preliminary the motion law of back clamp .
Key words: Top Drive Drilling System;Back-up tong;Kinematics analysis
背钳的左钳牙和右钳牙很难做到同时夹紧钻杆 ,且左右
基金项目：国家深部探测技术与实验研究专项资助项目（SinoProbe-09）
作者简介：于萍，（1963-），女，教授，E-mail：yp@
应的约束运动副,这些运动副可以使被约束构件间具有一 定的运动关系.从而使模型中各独立的部件相互联系在一 起,按照设计的运动轨迹实现运动.使用 ADAMS/view 中的 函数编辑器定义相应的背钳运动.背钳机构的仿真模型如 下图 3.
图 1 侧挂式背钳的结构示意图
如图 2 所示,当液压油进入无杆腔，液压缸缸筒与浮 动安装座同时移动,液压缸左移,浮动安装座右移,夹紧 钻杆.当液压油进入有杆腔,液压缸缸筒向右移动,带动 右钳头远离钻杆,于此同时浮动安装座左移，左钳头远离 钻杆.当背钳不工作时 ,调整背钳液压缸内部压力 ,使压 力保持恒定,使背钳钳头处于浮动状态，不影响顶驱装置 正常工作[2].
轴方向的位置变化比较明显 ,X 轴方向位置没有任何变 时加速度为零,然后在很少的时间内急速上升,当加速度达
化,在 Y 轴方向,位置曲线只有很微小的变化,这是由于某 些惯性载荷或者震动造成的.Z 轴方向在 0-5 秒的过程中 大约运动了大约 20mm 距离.背钳装置夹紧过程的前阶 段和后阶段位移变化比较小,在整个夹紧过程中位移变 化比较平稳.
1 前言
夹紧力相同.夹紧力不均衡就会造成钳牙的磨损和钻杆的
顶部驱动钻井装置已经成为二十一世纪钻井技术的 重要装备之一,安装了顶部驱动的钻机比传统的钻井装 置更加可靠、高效和安全.目前,国内顶部驱动钻井装备与
划伤,减少钻杆的使用寿命;顶驱钻机的工作地点环境恶劣、 工作强度大,背钳机构的故障率很高,这就急需要提高背钳 机构的工作可靠性。
（1）
在约束方程中 tn （任意时刻）位置的计算,能够运用约束
( ) 方程的迭代法获得: Φqj∆q j + Φ q j , tn = 0
（ ∆q j = q j+1 − q j ,第 j 次迭代）
（2）
任意时刻 tn 的速度和加速度都可以运用数值方法
图 4 钳头 Z 轴位置变化曲线
中的线性方程求解,ADAMS 软件中有两种求解方法—
HARWELL 法和 CALAHAN 法，前者可以处理冗余约束
问题,而后者不能,但后者比较快捷.
q̇ = −Φq−1Φt
（3）
( ) q̇̇ =
−Φ
q
−1
⎡ ⎣
Φ q q̇
q
q̇
+
2Φ
qt
q̇
+
Φtt
⎤ ⎦
（4）
3.3 背钳机构的仿真曲线 运动学仿真分析就是根据机械系统的实际工作情
况,对背钳装置上卸扣过程中所关心的部件的位置、加速 度和速度进行仿真分析,获得机构运动曲线,并检验其正 确性.在整个背钳装置运动的过程中,可以分为五个运动
个运动部件都发生了两次运动过程[6].
本文只对背钳装置右钳头的位置、速度和加速度的
变化曲线进行分析.
右背钳夹紧过程
如图 4 和 5 图所示为右钳头 Z 轴位置变化曲线和右 钳头总体位置变化曲线图,从上图中可以清晰的看出,Z
图 6 钳头速度变化曲线 如图 7 所示为右钳头加速度变化曲线,背钳钳头刚夹紧
Mechanism Design and Analysis for Back-up tong of Top Drive
Drilling System
YU Ping1，ZHANG Peng2，XIAO Zhi-hui3 （1.Mechanical Science and Engineering Institute of Jilin University, Changchun 130025
the working principle of the back clamp and the back clamp clamping mechanism model is established by the CATIA.
this paper also improves the kinematics and on the basis of it ,dynamics simulation analysis of the back clamp system is performed by using the ADAMS software,resulting the moving parts’s speed and acceleration motion curve of back
图 8 钳头位置变化曲线
图 9 钳头速度和加速度变化曲线
4 结论
本文建立了背钳机构的仿真模型,使用 ADAMS 中 的 COSMOS/motion 对背钳系统进行了运动学仿真,得到
液压缸活塞杆与浮动安装座采用的是固定连接,四 个连接销钉与液压缸刚性连接在一起,浮动安装座随着 活塞杆的移动而移动,液压油通过夹紧活塞内部的通道 进入液压缸.液压缸的缸筒与浮动安装座可以产生相对 位移,浮动安装座可以在背钳外壳内部产生位移.在设计 制造过程中,需要尽量保证与左右钳头固定连接的运动 部分质量相等,保证运动的同时性.
Abstract: This paper briefly introduces the basic structure composition of the top drive drilling system and analyzes
the back clamp in the role of the top drive system ,along with its basic structure. It gives a further interpretation on
了背钳钳头的速度、加速度变化曲线.设计的背钳结构更加
合理可靠,不仅解决了磨钳牙与钻杆的现象,而且降低了制
造Hale Waihona Puke 本,操作维修方便.参考文献 [1] 李 昂 , 顶 部 驱 动 钻 井 装 置 背 钳 [P]: 中 国,200710176655.4,2009-05-06. [2] 刘广华.顶部驱动钻井装置操作指南[M].石油工业出版 社,2010. [3] A Varco International Company. TDS-11SA top drive
3 背钳机构的运动学仿真
3.1 背钳机构的仿真模型 根据系统模型的实际的运动情况 ,在构件间建立相
图 3 背钳机构虚拟仿真模型
3.2 背钳机构的运动学计算 研究机械系统的速度、加速度、位置以及约束力是运
动 学仿真 的主要 目标 ,因 此运动 学方程 [4]的 求解只 需要求 解约束方程:
Φ(q,tn ) = 0
到最大（约 4.5 mm / s2 ）以后加速度开始平稳变化,到 2.5
秒时加速度为 0,之后又增加,钳头的加速度在 2.5 秒前后呈 现对称性.如图所示的背钳钳头在刚开始运动时，液压活塞 杆的惯性载荷比较大,对液压缸的内部冲击也比较大.
图 7 钳头加速度变化曲线
右背钳松开过程 如图 8 所示为右钳头位置变化曲线,在 0-5 秒的过程 中,背钳右钳头在松开钻杆时的位置曲线与夹紧钻杆时 的位置曲线变化方向相反,其他都基本相同.背钳装置整 个运动过程中位移变化比较平稳. 如图 9 所示为右钳头速度和加速度变化曲线，在 0-5 秒的过程中右钳头速度和加速度变化曲线与夹紧钻杆时 的曲线变化方向相反,其他都基本相同.2.5 秒之前加速度 为正值,2.5 秒之后加速度为负值,速度先升高在降低,变 化平稳.加速度在很短的时间内快速增加 ,快速减少可能 会给背钳液压缸造成一定程度的冲击.
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2 .Mechanical Science and Engineering Institute of Jilin University, Changchun 130025 3.Mechanical Science and Engineering Institute of Jilin University, Changchun 130025 4.Mechanical Science and Engineering Institute of Jilin University, Changchun 130025）
钻机顶驱系统背钳机构设计及仿真
于萍,张鹏,张春鹏,效志辉
(吉林大学机械科学与工程学院 长春 130025) 摘要：针对顶部驱动可靠性及工作环境要求,对背钳机构进行结构设计与仿真.简要介绍了顶部 驱动钻井装置的基本结构组成,分析了背钳在顶驱系统中的作用以及它的基本结构组成。对背钳 的工作原理作进一步的阐述,并以CATIA软件为设计平台建立背钳夹紧机构模型.对背钳机构进 行设计，并在此基础上，经过设计计算以及运用ADAMS软件对背钳系统进行运动学仿真分析， 得到背钳机构中的运动部件在背钳夹紧和松开的过程中的速度和加速度运动曲线，初步探索了 背钳的运动规律. 关键词：顶部驱动;背钳;运动学分析