緒論1.1研究背景及意義目前我國大部分油田開發(fā)進(jìn)入中后期，鉆井、修井越來越困難，工藝技術(shù)和油田井況也越來越復(fù)雜。油氣田修井作業(yè)日益頻繁，作業(yè)強(qiáng)度越來越大。由于現(xiàn)有油田修井作業(yè)所使用的設(shè)備和技術(shù)落后，以及修井作業(yè)流程不完善，使得修井作業(yè)工人的勞動強(qiáng)度增大，同時由于現(xiàn)有井口設(shè)備在作業(yè)過程中手工操作，存在較大的安全隱患，每年都有一定數(shù)量的作業(yè)工人因修井作業(yè)設(shè)備和缺陷而死亡。作為一項重要的工程技術(shù)，液壓技術(shù)與機(jī)械傳動相輔相成，已在需要中等功率輸出的場合廣泛應(yīng)用于對機(jī)構(gòu)的靈活控制調(diào)節(jié)。液力傳動具有輸出效率高，結(jié)構(gòu)簡單，適用性強(qiáng)，可靠性高，配置多樣等獨特的特點，在不占空間，活動靈活的前提下，它可以傳遞最大的、平滑的動力，在各個工程領(lǐng)域，起著舉足輕重的作用。本文介紹了一種新型全自動液壓油管鉗裝置，該裝置可在修井作業(yè)中實現(xiàn)油管鉗進(jìn)出料、上卸扣、油管鉗對正槽、油管夾定等全過程的自動化。在修井作業(yè)中，使操作人員遠(yuǎn)離井口，改善作業(yè)人員的工作環(huán)境，提高整個修井系統(tǒng)的自動化程度和工作效率。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀液壓動力鉗是油田常用的一種設(shè)備，它主要負(fù)責(zé)油管的上卸扣。最早在上個世紀(jì)二十年代末使用的手動大鉗。動力鉗在國外使用較早，早在50年代早期就已開始使用，到60年代，動力鉗已較為流行。采用較早且生產(chǎn)技術(shù)成熟的動力鉗主要有美國、英國、加拿大等國，其中美國的Eckel、Weather-ford、ByronJackson等公司發(fā)展較為成熟。當(dāng)前自動化程度最高，性能最佳的上卸扣裝置主要是由美國Varco公司制造的鐵質(zhì)鉆頭。公司現(xiàn)有ST80C、ST-120、AR3200、MPT200、ST-160C、ST100等6個鐵鉆產(chǎn)品型號。由于AR3200鐵質(zhì)鉆頭獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得它能夠在卸扣時精確調(diào)節(jié)輸出扭矩，從而更好地起到避免管柱螺紋損壞的作用。國外的液壓動力鉗具有以下特點：一是動力鉗的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，技術(shù)上也各不相同，鉗口形式主要有開口、閉口和活口三種，鉗口形式為曲線夾、外曲線夾、行星夾；二是動力鉗多采用緊湊型傳動，如行星傳動、短齒傳動等，采用先進(jìn)的材料及強(qiáng)化工藝措施，使零件的結(jié)構(gòu)更加緊湊，重量更輕；三是配套也比較完善，如成熟的懸掛、復(fù)位、量具、背鉗及動力輸出系統(tǒng)。在國內(nèi)引進(jìn)液壓鉗后，經(jīng)過近半個世紀(jì)的現(xiàn)場試驗應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展積累，其技術(shù)已逐漸成熟，逐漸取代原來手工大鉗的工作方式，提高了修井作業(yè)管柱卸扣的自動化程度。由于修井作業(yè)越來越頻繁，這種液壓鉗在實際應(yīng)用中存在著諸多缺陷(如操作人員工作環(huán)境惡劣，自動化程度低，人工成本高，生產(chǎn)效率低，作業(yè)安全性能差等)。近幾年來，國內(nèi)越來越多的高校和科研機(jī)構(gòu)開始研究和開發(fā)井口上卸扣技術(shù)，一些石油機(jī)械公司、高校和科研機(jī)構(gòu)開展了對石油管柱上卸扣技術(shù)的研究，也取得了較多的研究成果。我國雖起步較晚，但為了適應(yīng)石油鉆探技術(shù)發(fā)展的需要，也開始研制各種類型的動力鉗，目前國產(chǎn)液壓動力鉗已達(dá)到較先進(jìn)水平。國內(nèi)生產(chǎn)的動力鉗具有以下特點：第一，所設(shè)置的轉(zhuǎn)矩參數(shù)比較合理，在適用范圍內(nèi)保證有足夠的扭矩，還可根據(jù)工況進(jìn)行調(diào)節(jié)；第二，僅需更換夾板和夾板即可完成不同規(guī)格管材的上、卸扣作業(yè)；第三，廣泛采用低檔緊扣、崩扣、中檔旋扣傳動，從而提高了動力鉗的工作效率。但同時國內(nèi)的液壓鉗也存在一些設(shè)計缺陷。第一，動力鉗生產(chǎn)廠家未向用戶提供合理的操作指導(dǎo)，致使動力鉗在使用中始終處于高扭矩、高轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)；第二，國內(nèi)液壓動力鉗沒有限壓閥，很容易使液壓鉗在泵排量和工作壓力較高時出現(xiàn)過扭矩；最后，液壓鉗的主鉗與背鉗距離較短，使用時背鉗夾持力較大，容易出現(xiàn)背鉗錯位扣、粘扣等問題。1.3主要研究內(nèi)容本論文針對目前液壓動力鉗發(fā)展中存在的問題，對其進(jìn)行了完善設(shè)計，主要研究內(nèi)容如下：（1）簡要介紹國內(nèi)外液壓動力鉗的發(fā)展情況；（2）分析液壓動力鉗的組成及工作原理；設(shè)計一種結(jié)構(gòu)新穎的液壓動力鉗；（3）在液壓動力之前設(shè)計液壓系統(tǒng)；（4）用AMESim對液壓動力鉗的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。2油田專用液壓動力鉗設(shè)計2.1液壓動力鉗簡介液壓動力鉗是油田生產(chǎn)的專用機(jī)械設(shè)備，主要用于輸油管道上螺紋的快速裝卸。液壓動力鉗結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、工作可靠、壽命長、適用范圍廣、輸出扭矩大。因此，在油田工作中使用液壓動力鉗，可提高工作效率，減少工人勞動量。液力動力鉗的總體設(shè)計包括主鉗、背鉗和液壓系統(tǒng)三部分(見圖2-1)。主鉗系統(tǒng)包括夾頭夾緊機(jī)構(gòu)、動力傳動機(jī)構(gòu)、復(fù)位機(jī)構(gòu)、制動機(jī)構(gòu)和一些輔助部件。1.導(dǎo)向支撐；2.液壓馬達(dá)；3.主鉗；4.背鉗圖2-1液壓動力鉗的整體結(jié)構(gòu)（1）鉗頭夾緊機(jī)構(gòu)液壓動力鉗夾頭機(jī)構(gòu)的可靠性是保證液壓動力鉗正常工作的關(guān)鍵因素之一。夾緊機(jī)構(gòu)的工作原理是由于夾緊壓力沿管徑方向產(chǎn)生摩擦而夾住管徑。因此液壓動力鉗夾機(jī)構(gòu)主要包括以下幾種：1）斜面式夾緊機(jī)構(gòu)，利用斜面加壓原理，對電動鉗頭施加壓力，使管徑得以夾緊；2）杠桿式夾緊機(jī)構(gòu)，類似于手動油管鉗夾緊原理。3）鏈條式夾緊機(jī)構(gòu)，扭鏈纏繞在管徑上，與管徑接觸產(chǎn)生多個接觸點，使夾持的管徑受力均勻，達(dá)到上卸扣的目的。4）行星夾持機(jī)構(gòu)，采用行星齒輪式結(jié)構(gòu)，通過傳動機(jī)構(gòu)帶動蝶形卡爪轉(zhuǎn)動，因而卡緊了管徑，常用于閉口鉗。（2）鉗頭制動機(jī)構(gòu)為了實現(xiàn)開斷油管的工藝，鉗口鋼絲繩既需要可靠地夾持油管柱，又需要獨立轉(zhuǎn)動，必須研制鉗口制動機(jī)構(gòu)。該機(jī)繞繩制動，牽引繩制動采用依靠擋板的運(yùn)動來控制鋼絲繩的起停。（3）動力傳動機(jī)構(gòu)通常情況下，動力鉗是由電機(jī)和液壓馬達(dá)驅(qū)動的。動力鉗一般分車削和沖壓兩個工序。旋轉(zhuǎn)扣子要求力矩很小，但必須有很高的速度；而打孔扣子和螺絲扣子不一樣，螺絲扣子必須立即提供更多力矩。通常實現(xiàn)卡扣的方法是在液壓馬達(dá)減速后，驅(qū)動動力鉗鉗口的旋轉(zhuǎn)式鉗口。（4）復(fù)位機(jī)構(gòu)開式電動夾具需要復(fù)位機(jī)構(gòu)。復(fù)位機(jī)構(gòu)包括兩個方面：第一，顎板架與開口齒輪之間的間隙復(fù)位機(jī)構(gòu)，主要由顎板架上固定的圓柱銷和開口齒輪蓋上安裝的旋轉(zhuǎn)限位銷組成；第二，顎板架與殼體之間的間隙復(fù)位機(jī)構(gòu)，主要由凸輪、頂桿、杠桿、節(jié)流頂絲、復(fù)位軸、節(jié)流柄板、操縱桿系、H型四通閥內(nèi)部的閥位彈簧組成。其作用均在于上扣式和卸扣式兩種裝置完成后，從彼此錯位的現(xiàn)象恢復(fù)到最初的相互配合和調(diào)整的狀態(tài)，從而使管徑能夠平穩(wěn)地進(jìn)入鎖緊機(jī)構(gòu)的內(nèi)腔，有利于下一次卸扣。2.2液壓動力鉗的工作原理可以根據(jù)工作需要，選擇管材加工或破碎方法。明確作業(yè)需要后，用專業(yè)工具將管子插入液壓動力鉗的鉗口，液壓動力鉗便可開始生產(chǎn)或夾持。背鉗油缸先向前夾持管子，然后按卡扣或卸扣選擇開關(guān)。選好驅(qū)動電纜馬達(dá)，啟動電纜段，開始進(jìn)行繞繩部分的工作。繩狀馬達(dá)起動時，齒輪軸開始轉(zhuǎn)動，齒輪軸上的小齒輪與減速機(jī)齒輪相嚙合，減速機(jī)齒輪與從動齒輪嚙合，從動齒輪的網(wǎng)格與小齒輪相嚙合，并將功率和扭矩傳遞給小齒輪。因為切口齒輪和繞繩滾筒位于一個軸上，切口齒輪的轉(zhuǎn)動將驅(qū)動繞繩滾筒進(jìn)行繞繩工作。被動齒輪與雙聯(lián)齒輪在管扣加工過程中的上齒嚙合，雙聯(lián)齒輪的下齒處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，見圖2-2。1.缺口齒輪；2.被動齒輪；3.過渡齒輪；4.齒輪軸；5.雙聯(lián)齒輪圖2-2上扣過程液壓動力鉗卸扣時，繞繩馬達(dá)受反力啟動，并通過撥叉撥動雙聯(lián)齒輪，使雙聯(lián)齒輪的下齒與過渡齒輪嚙合，如圖2-3所示，鐵片從上到下沿雙聯(lián)齒輪軸運(yùn)動。如果雙聯(lián)齒輪仍然與被動齒輪嚙合，液壓鉗由于擋板向下運(yùn)動而不能繼續(xù)工作，則可以通過改變雙聯(lián)齒輪的運(yùn)動方向來控制擋板的運(yùn)動方向，從而使液壓鉗保持平穩(wěn)。1.缺口齒輪；2.被動齒輪；3.過渡齒輪；4.齒輪軸；5雙聯(lián)齒輪圖2-3卸扣過程2.3液壓動力鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計2.3.1主鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計液壓動力鉗的主鉗采用閉口鉗頭結(jié)構(gòu)形式，如圖2-4所示，主要由殼體、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、卡緊機(jī)構(gòu)和制動機(jī)構(gòu)等組成。1.殼體；2.驅(qū)動機(jī)構(gòu)；3.傳動機(jī)構(gòu)；4.夾緊機(jī)構(gòu)圖2-4液壓動力鉗主鉗結(jié)構(gòu)（1）主鉗驅(qū)動機(jī)構(gòu)主鉗的驅(qū)動機(jī)構(gòu)是通過向鉗口輸入軸傳遞液壓動力，然后通過傳動機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)完成對管柱的上卸扣。傳動機(jī)構(gòu)包括液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)支架，鉗鉗主軸，驅(qū)動齒輪(變速齒輪)等，如圖2-5所示。液力電機(jī)通過支架固定在主鉗殼的安裝板上。液力電機(jī)的輸出軸與主鉗的動力輸入軸通過花鍵連接，主鉗的驅(qū)動齒輪(換檔齒輪)通過鍵連接并固定在動力輸入軸中間。1.液壓馬達(dá)；2.馬達(dá)支座；3.主鉗花鍵軸；4.驅(qū)動齒輪圖2-5液壓動力鉗主鉗驅(qū)動機(jī)構(gòu)（2）主鉗傳動機(jī)構(gòu)液力鉗主鉗傳動機(jī)構(gòu)的作用是通過不同的檔位將液壓馬達(dá)的運(yùn)動和扭矩傳遞給閉口大齒輪。閉合式大齒輪驅(qū)動夾緊機(jī)構(gòu)根據(jù)設(shè)定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動速度，向需要上卸扣的管柱施加一定的扭矩，以達(dá)到上卸扣的目的。水力鉗主鉗傳動機(jī)構(gòu)主要包括變速機(jī)構(gòu)、中軸輪、大閉合齒輪等，見圖2-6。1.換檔機(jī)構(gòu)；2.介輪；3.閉口大齒輪圖2-6主鉗傳動機(jī)構(gòu)（3）主鉗加緊機(jī)構(gòu)液壓動力鉗的鉗頭機(jī)構(gòu)，一般采用單層曲面滾子爬坡卡緊機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)扭力傳遞與輸出。這種動力鉗用于行星式結(jié)構(gòu)的動力鉗，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較緊湊，夾緊力大，可以更好地夾持管徑，缺點是爬坡角度小，適應(yīng)范圍小。所設(shè)計的新型液壓動力鉗，通過增加坡面層數(shù)和優(yōu)化爬坡曲線形狀，可在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)多個管柱的正反轉(zhuǎn)夾緊和上卸扣。液力鉗夾持機(jī)構(gòu)為滾柱爬行式結(jié)構(gòu)，如圖2-7所示。1.大齒輪內(nèi)圓柱體；2-顆板架；3.鉗牙；4.顆板；5.銷軸；6.滾輪；7.坡板圖2-7鉗頭夾緊機(jī)構(gòu)2.3.2背鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計背鉗部相對于主鉗結(jié)構(gòu)而言，不需要太多的功能，只需卡緊管子，因此，背鉗部既無繞繩機(jī)構(gòu)，又無拉繩機(jī)構(gòu)，因此，與主鉗相比，背鉗部的結(jié)構(gòu)較為簡單，其結(jié)構(gòu)見圖2-8。1-齒條柱塞缸；2.雙聯(lián)齒輪；3.介輪；4.背鉗鉗頭圖2-8背鉗機(jī)構(gòu)在整體結(jié)構(gòu)上，背鉗位于主鉗下方，與主鉗處于同一軸心位置。液力鉗開始工作時，高壓油經(jīng)過背鉗油缸使活塞伸出來，活塞伸出來之后，推動斜鐵，斜鐵推動推板，推板推動鉗牙，咬緊油管。在這種情況下，斜鐵通過內(nèi)六角螺釘與推板連接，而推板與鉗牙通過內(nèi)六角螺釘連接，使液壓動力鉗自身受力平衡而不轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)液壓動力鉗的上扣或卸扣工作。3油田專用液壓動力鉗液壓系統(tǒng)設(shè)計3.1液壓動力鉗控制方案針對國內(nèi)液壓動力鉗的控制方法，結(jié)合油田的使用要求和操作習(xí)慣，采用吸收國外鐵鉆工較多的控制系統(tǒng)，選擇了一種最適合于液壓動力鉗傳動控制系統(tǒng)的控制方案。液動鉗控部采用液壓控制方案。因為液壓傳動具有傳動平穩(wěn)定位準(zhǔn)確，可操作性強(qiáng)，最重要的是能提供較大的動力，因此液壓缸和液壓馬達(dá)被用作它的動力裝置，可用于提升機(jī)構(gòu)、伸縮臂機(jī)構(gòu)、變速機(jī)構(gòu)、下鉗夾緊機(jī)構(gòu)、上鉗防松機(jī)構(gòu)和夾鉗轉(zhuǎn)矩傳動機(jī)構(gòu)。按照液壓動力鉗的工作流程和控制方案，可以實現(xiàn)以下動作：（1）液壓鉗整機(jī)在垂直方向上的升降，由一個升降液壓缸來完成。（2）伸縮臂的伸出和收回，由1個液壓缸將主前臂向前打開或收回，并通過鉸接臂和后臂的配合來帶動鉗體的向前或向后移動。（3）下鉗的夾緊和松開，由兩個相對安裝的液壓缸同步夾持實現(xiàn)。（4）通過2臺同步液壓馬達(dá)驅(qū)動上鉗螺旋夾緊機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)上鉗的夾緊和釋放。（5）上鉗上卸扣，由1臺上鉗液壓馬達(dá)驅(qū)動四聯(lián)式切口齒輪傳動系統(tǒng)實現(xiàn)。（6）上鉗轉(zhuǎn)子換檔，由1個換檔液壓缸帶動換檔機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。（7）上鉗夾防松機(jī)構(gòu)的下壓和松開，由2個液壓缸帶動防松機(jī)構(gòu)完成。表3-1列出了液壓動力鉗扣式全過程動作次序，以及每個動作所對應(yīng)的執(zhí)行元件動作。表3-1液壓動力鉗上扣流程與執(zhí)行元件動作動作順序液壓動力鉗動作執(zhí)行元件動作1整機(jī)上升升降液壓缸伸出2伸縮臂張開到指定位置伸縮臂液壓缸伸出3下鉗夾緊2個夾緊液壓缸同步伸出4上鉗夾緊(夾緊后防松壓板下壓)2個同步液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)(防松液壓缸伸出)5上鉗高檔轉(zhuǎn)動(旋扣)1個上鉗液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(換擋液壓缸伸出至高檔位置)6上鉗低檔轉(zhuǎn)動(上扣)1個上鉗液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(換擋液壓缸收回至低檔位置)總之，根據(jù)液壓動力鉗的工作要求，采用液壓傳動，既能滿足控制要求，又能提高動力鉗上卸扣的效率。3.2油路系統(tǒng)的計算3.2.1液壓動力鉗的技術(shù)要求（1）最大卸扣扭矩：80000N-m（2）鉗頭高/低檔轉(zhuǎn)速：50r/min，10r/min（3）水平移動距離；1500mm（4）垂直移動距離：1000mm3.2.2系統(tǒng)壓力的確定（1）初選系統(tǒng)的工作壓力在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)選擇系統(tǒng)工作壓力。選擇較小的系統(tǒng)工作壓力，會導(dǎo)致液壓元件的結(jié)構(gòu)尺寸要求較大，由于鉆井作業(yè)的工作環(huán)境要求較高，所以液壓動力鉗的結(jié)構(gòu)要求較小，因此不宜采用較小的工作壓力。如果系統(tǒng)選用的工作壓力太大，則對液壓元件的密封性、加工精度的要求就會更高，增加液壓元件的加工成本。結(jié)合液壓動力鉗的工作負(fù)荷及結(jié)構(gòu)特點，并結(jié)合各種常用機(jī)械的系統(tǒng)工作壓力，初步確定了液壓動力鉗系統(tǒng)的工作壓力范圍為20~32MPa。（2）系統(tǒng)壓力的確定在確定液壓執(zhí)行元件相關(guān)參數(shù)時，應(yīng)以系統(tǒng)壓力P為主要計算依據(jù)，而系統(tǒng)壓力的選取也應(yīng)參照國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T2346-1988)，并按表3-2中所示的順序選取相應(yīng)的系列壓力參數(shù)。表3-2液壓——公稱壓力系列0.0100.0160.0250.0400.0630.100.16(0.20)0.250.400.63(0.80)1.02.54.06.3(8.0)10.012.516.020.031.540.050.063.080.0100依據(jù)液壓動力鉗的結(jié)構(gòu)特點和工作要求，再參照國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的壓力，選擇液壓動力鉗系統(tǒng)壓力P為25MPa。3.3液壓控制元件的選擇與計算3.3.1液壓馬達(dá)的選擇與計算本次設(shè)計需要兩臺液壓馬達(dá)，一臺繞繩馬達(dá)和一臺拉繩機(jī)。繞繩電機(jī)只需提供把鋼絲繩纏繞到油管上的動力，功率不大。而且拉繩機(jī)的主電機(jī)需要通過拉繩動作來完成上扣或卸扣，所以需要很強(qiáng)的動力。壓油管鉗鉗頭的計算公式如下：（3.1）式中：TN為鉗頭輸出最大轉(zhuǎn)矩；N為轉(zhuǎn)速；P為鉗頭所需功率；常數(shù)9550。把TN為2000Nm、N為20r/min的數(shù)值帶入公式，計算出P=4.19Kw。針對液壓馬達(dá)在傳動過程中會出現(xiàn)部分功率損失的問題，通過計算選取了液壓馬達(dá)的輸出功率為4.2Kw。動力鉗在低檔時輸出扭矩最大，傳動比為2.7，鉗頭轉(zhuǎn)速20r/min。液壓動力鉗低速選擇時液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為：（3.2）式中：n為鉗頭轉(zhuǎn)速；i2為傳動比將數(shù)值帶入公式，得到馬達(dá)轉(zhuǎn)速為54.545r/min。由液壓馬達(dá)負(fù)載轉(zhuǎn)動所需的扭矩來確定其輸出扭矩。液壓馬達(dá)最大輸出轉(zhuǎn)矩的計算公式是：（3.3）式中：P為馬達(dá)專遞功率；n為馬達(dá)轉(zhuǎn)速；T為馬達(dá)轉(zhuǎn)矩。通過計算，該馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩為735.356Nm?；谟嬎氵x擇所需的拉繩主電機(jī)。本次選型采用BM4-400型液壓馬達(dá)，BM4-400型是一種經(jīng)濟(jì)型軸配油液壓馬達(dá)，采用鑲嵌式定子，結(jié)構(gòu)緊湊，結(jié)構(gòu)設(shè)計先進(jìn)，密封可靠，使馬達(dá)能在較高的背壓下工作。當(dāng)進(jìn)行繞繩作業(yè)時，所需的電機(jī)功率較小，只需帶動滾筒旋轉(zhuǎn)即可。這次選用BM1-100型繞繩電機(jī)。3.3.2液壓缸的選擇與計算（1）液壓缸的載荷構(gòu)成與計算作用于活塞上的載荷為：（3.4）式中：Fw為作用與活塞桿上的外部載荷；Fm為活塞桿與導(dǎo)向套以及活塞與缸壁之間的密封阻力。起動加速時：（3.5）穩(wěn)態(tài)運(yùn)動時：（3.6）減速制動時：（3.7）式中：工作載荷Fg為作用于活塞桿上的力導(dǎo)軌摩擦載荷Ff的計算如下：平導(dǎo)軌：（3.8）V型導(dǎo)軌：（3.9）質(zhì)性載荷Fa：（3.10）由于密封阻力Fm難以精確計算，一般由下式估算：（3.11）按上述荷載計算方法便可求出液壓缸最大荷載，見式(3.9)，其中最大荷載是液壓缸起動時的荷載。（3.12）對于液壓缸的選擇，液壓缸的推力、拉力和推程是比較重要的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)自動卡瓦夾持油管時，液壓缸將油管鉗鉗向前移動，從而使液壓缸承受的最大作用力與液壓油管鉗作用在滑塊上的重力與軌跡之間的摩擦力相等。由于液壓缸工作時需要往復(fù)線，為了安裝方便，液壓缸的兩端均采用耳環(huán)連接。耳環(huán)上有套管，安裝時使用。圖3-1中顯示了該結(jié)構(gòu)。圖3-1液壓缸結(jié)構(gòu)示意圖4油田專用液壓動力鉗液壓系統(tǒng)仿真分析4.1AMESim仿真方法研究AMESim軟件所采用的建模方法與功率鍵合圖法相似，但是更加先進(jìn)。其相似性在于兩者都用圖形來描述系統(tǒng)內(nèi)各元件之間的相互關(guān)系，能反映元件之間的負(fù)載效應(yīng)和系統(tǒng)內(nèi)功率流動，元件之間的數(shù)據(jù)可以反向傳輸。指定變量通常是物理意義上的變量，它們都遵循因果關(guān)系；區(qū)別在于AMESim更能直觀地反映系統(tǒng)的工作原理。在AMESim中建立的系統(tǒng)模型與系統(tǒng)工作原理圖基本相同，且各組件之間傳遞的數(shù)據(jù)數(shù)量不受限制，因此可以研究更多的參數(shù)。該方法使用了復(fù)合接口，即一個接口傳遞多個變量，從而簡化了模型，實現(xiàn)了領(lǐng)域模塊間的物理連接。由AMESim所擁有的應(yīng)用程序庫，包括控制程序、機(jī)械程序、流體程序、電磁程序、熱分析程序和內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用程序等。這些應(yīng)用程序都提供了將信號端轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化的多通口功能模塊，利用模塊圖可以靈活快速地對物理系統(tǒng)進(jìn)行建模。4.2動力鉗液壓系統(tǒng)AMESim仿真分析4.2.1主鉗液壓系統(tǒng)仿真分析建立了圖4-1所示的草圖模式下的主鉗系統(tǒng)仿真模型。此模型主要由液壓、機(jī)械和信號控制三個部分組成。圖4-1主鉗液壓系統(tǒng)仿真模型建立了仿真模型后，選擇子模型模式下的優(yōu)選子模型，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定模式，根據(jù)所選元件及計算值為各個液壓元件設(shè)定相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行仿真是扣扣操作，所以每個信號控制元件參數(shù)都要根據(jù)動作控制要求設(shè)定，如圖4-2所示。圖4-2元件參數(shù)設(shè)置選取模擬模式，設(shè)置模擬時間及類型，生成模擬曲線。制動時液壓缸的工作壓力曲線如圖4-3所示，制動時的最高工作壓力約為4.9MPa。釋放期間最大工作壓力大約是3.7MPa。圖4-3剎帶液壓缸工作壓力曲線馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩如圖4-4所示，在初始轉(zhuǎn)速不到1s時，電機(jī)暫時未啟動，輸出扭矩為零，接下來的3.8s過程是制動卡爪緊管柱的驅(qū)動，輸出扭矩值在110Nm左右，然后進(jìn)入旋扣階段，在3.8-4.6s期間是剎帶松動階段，在這個階段，由于需要克服剎帶的摩擦扭矩，電機(jī)輸出扭矩由340Nm逐漸降低，4.6s時剎帶完全松開，進(jìn)入正常的旋扣階段，在此過程中電機(jī)輸出扭矩為200Nm，9.8-12.5s期間是緊固期，電機(jī)輸出扭矩也逐漸增加，最大可達(dá)980Nm左右，12.5s時上扣完成，然后電機(jī)應(yīng)停止工作，待制動行星架制動后，電機(jī)應(yīng)反轉(zhuǎn)通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動行星爪反轉(zhuǎn)松開管柱，返回原位，即12.5-13s期間是剎帶制動，電機(jī)暫停過程，而在其后到16s仿真結(jié)束是電機(jī)反轉(zhuǎn)過程，輸出扭矩變?yōu)樨?fù)數(shù)。圖4-4馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩曲線馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線如圖4-5所示，在開始剎緊時，電機(jī)暫時沒有起動，轉(zhuǎn)速為零；接著到3.8s時，由于制動盤由剎緊到松開，需要克服一定的剎緊力矩，使電機(jī)轉(zhuǎn)速降至約100r/min；在3.8-4.6s期間，剎車盤由剎緊到松開，需要克服一定的剎緊力矩，將轉(zhuǎn)速降至約10r/min；當(dāng)剎車盤完全松開時，正常旋扣速度為300r/min；8.8-12.5s的緊扣過程，速度100r/min，然后逐漸下降到80r/min；上扣完畢，12.5-13.5s等待剎帶制動，馬達(dá)暫停，見圖中實際馬達(dá)的速度有一定波動；13.5-16s馬達(dá)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動卡爪松開管柱，此時轉(zhuǎn)速基本為460r/min，等于卡緊時的速度。圖4-5馬達(dá)工作轉(zhuǎn)速曲線通過以上仿真結(jié)果可知，所建立的仿真模型基本正確，制動、旋扣等功能基本實現(xiàn)，采用雙泵供油卸荷閥卸荷回路，可實現(xiàn)不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的高速、低速、大扭矩兩種工作狀態(tài)，基本滿足了設(shè)計要求。換向時電機(jī)產(chǎn)生的沖擊和制動時電機(jī)的波動應(yīng)加必要的制動機(jī)構(gòu)，可加緩沖閥使電機(jī)啟動平穩(wěn)、抖動小。4.2.2背鉗液壓系統(tǒng)仿真分析圖4-6所示為背鉗提升系統(tǒng)的模型，背鉗提升系統(tǒng)在傳動中有一套具有自鎖功能的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，由于元件庫中沒有蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，因此增加了旋轉(zhuǎn)可變阻尼元件，通過設(shè)置其輸入信號來模擬蝸輪蝸桿自鎖在鉗體下落時的作用，使仿真更加接近實際工況圖4-6背鉗起升系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建仿真模型草圖，選擇首選子模型，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定模式，設(shè)定各元件相關(guān)參數(shù)，其中電機(jī)排量為10.55SmL/r，最高轉(zhuǎn)速為3600

r/min；系統(tǒng)舉升質(zhì)量塊傾斜角度為90o；傳動齒輪效率設(shè)為0.4(系統(tǒng)中帶有自鎖功能的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的效率體現(xiàn)在此)；兩定量泵和溢流閥的相關(guān)設(shè)置與主鉗相同，負(fù)載、齒輪傳動和齒輪齒條機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置見圖4-7。圖4-7元件參數(shù)設(shè)置圖4-8顯示了鉗體升降工況下的系統(tǒng)壓力值，0-l0s為鉗體升降運(yùn)動階段，升降壓力約為95bar(9.5MPa)；15MPa為中間停頓，11-21

s為鉗體下降運(yùn)動階段，下落過程中，自鎖蝸桿不僅能保證鉗體可靠地停在任意位置而不滑脫，還有助于提升系統(tǒng)克服一定的重力；圖4-l0s為下降運(yùn)動階段，約為49bar(4.9MPa)；圖4-8鉗體上升、下落系統(tǒng)工作壓力調(diào)試參數(shù)，最終得出鉗體升降過程的速度曲線如圖4-9所示，可見，運(yùn)行速度平穩(wěn)，兩個過程的速度基本一致，約為0.18m/s，符合設(shè)計要求。圖4-9鉗體上升、下落速度曲線馬達(dá)轉(zhuǎn)速和A、B兩油口的壓力值分別如圖4-10、圖4-11所示。圖4-10馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線圖4-11馬達(dá)A、B兩油口壓力值可見，上升、下落過程中馬達(dá)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，約為2030r/min。上升過程中馬達(dá)1口為進(jìn)油口，壓力約9.1MPa，3口回油，回油壓力為零；下落過程中3口進(jìn)油，壓力約4.9MPa，1口回油，回油壓力約1.2MPa。4.3液壓動力鉗運(yùn)動仿真4.3.1繞繩過程運(yùn)動仿真液壓動力鉗通過齒輪傳動驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)動，把鋼絲繩纏繞在油管上。主動齒輪軸在上扣時正轉(zhuǎn)，雙聯(lián)齒輪與被動齒輪嚙合，完成正轉(zhuǎn)后，主動齒輪軸暫停一段時間，然后再轉(zhuǎn)；而主動齒輪軸在卸扣時正轉(zhuǎn)，雙聯(lián)齒輪與過渡齒輪嚙合，完成正轉(zhuǎn)后，主動齒輪軸暫停一段時間，再轉(zhuǎn)。由此可以看出，在道上扣、卸扣過程中，主要是雙聯(lián)齒輪的位置改變，而過渡齒輪的構(gòu)造與被動齒輪相同。所以，卸扣過程可視為上扣過程的反向過程，這里僅對卸扣過程進(jìn)行運(yùn)動模擬。設(shè)定主動齒輪軸的位移一角函數(shù)，正轉(zhuǎn)時間5秒，暫停5秒，倒轉(zhuǎn)5秒，6圈后轉(zhuǎn)角2160度。其Step函數(shù)表達(dá)式為step（t，0，0，5，2160）+step（t，5，0，10，0）+step（t，10，0，15，-2160），設(shè)置步數(shù)為1000，并進(jìn)行運(yùn)動仿真，最后得到以下的數(shù)據(jù)圖表。圖4-12主動齒輪軸位移一角度幅值圖4-13主動齒輪軸速度一角度幅值圖4-14缺口齒輪位移一角度幅值圖4-15缺口齒輪速度一角度幅值由上述圖表可以看出，主動齒輪軸和切口齒輪的位移一角幅曲線均呈波浪循環(huán)運(yùn)動。主動齒輪軸最大角250.20degree，最小角170.26degree，切口齒輪變位角最小角167.20degree，最大角250.20degree。主動齒輪軸和切口齒輪的速度、單角幅度均呈拋物線軌跡運(yùn)動?；顒育X輪軸最大速度角為643.60degrees/sec，最小速度角為16.60degrees/sec，而切口齒輪最大速度角為636.40degrees/sec，最小速度角為10.40degrees/sec。4.3.2拉繩過程運(yùn)動仿真在繞繩完成之后，就需要進(jìn)行拉繩操作，主要是由齒輪軸轉(zhuǎn)動帶動卷筒齒輪，在此過程中，齒輪軸是先正轉(zhuǎn)，然后反轉(zhuǎn)。設(shè)定齒輪軸位移一角函數(shù)，設(shè)計正轉(zhuǎn)10秒，反轉(zhuǎn)10秒，設(shè)定轉(zhuǎn)6圈，角度2160度。其Step函數(shù)表達(dá)式為Step（t，0，0，10，2160）+Step（t，10，0，20，-2160），設(shè)置步數(shù)為1000，然后進(jìn)行運(yùn)動仿真，并最終得到以下數(shù)據(jù)圖表。圖4-16卷筒位移一角度幅值圖4-17卷筒速度一角度幅值由上面的連個圖可以看出，拉繩過程中卷筒位移一角幅呈波浪式周期性變化，最大角幅176.3degree；速度一角幅呈拋物線分布，最大角幅317.20degree/sec。通過對繞繩和拉繩過程的運(yùn)動仿真分析，得到了主動齒輪軸、切口齒輪和卷筒的運(yùn)動變化規(guī)律，清楚地展示了其運(yùn)動過程，為機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步設(shè)計和優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。結(jié)論液壓動力鉗是油田生產(chǎn)中不可缺少的設(shè)備之一，本文通過對國內(nèi)外液力鉗的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查研究，設(shè)計出一種新型液力鉗，并對其整體結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的設(shè)計研究。其具體研究工作和成果總結(jié)如下：（1）綜合分析了國內(nèi)外動力鉗的發(fā)展?fàn)顩r，并結(jié)合國內(nèi)動力鉗的現(xiàn)狀和起下管柱的工作流程，指出了我國動力鉗發(fā)展中存在的問題，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計；（2）對液壓動力鉗鉗進(jìn)行簡要分析，理清其工作原理，并結(jié)合其工作原理對主鉗、背鉗進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計；（3）設(shè)計了液壓動力鉗的控制方案，計算了液壓動力鉗的油路系統(tǒng)，設(shè)計了一種基于液壓動力鉗結(jié)構(gòu)的新型液壓控制系統(tǒng)，采用雙電機(jī)控制，即繞繩電機(jī)和拉繩電機(jī)。（4）利用AMESim仿真分析軟件，分別對鉗主液壓系統(tǒng)和鉗背提升液壓系統(tǒng)兩個部分進(jìn)行了動態(tài)仿真分析，取得了相關(guān)數(shù)據(jù)，了解了不同工況下液壓系統(tǒng)及各液壓元件的工作安全性和可靠性，為液壓系統(tǒng)的設(shè)計和各元件的選型提供了一定的參考。本論文在液壓動力鉗的研究和設(shè)計方面取得了一些成果，但也存在一些不足之處，還需要進(jìn)一步拓展和完善。（1）由于傳統(tǒng)的液壓動力鉗結(jié)構(gòu)的影響，目前本設(shè)計還不能增加更多的使用功能，設(shè)計思路也有局限性。（2）如果能夠?qū)⒋笾睆揭簤簞恿︺Q的優(yōu)化設(shè)計與參數(shù)化設(shè)計結(jié)合起來，則會更好。（3）由于理論設(shè)計沒有得到實際驗證，可能會出現(xiàn)不合理之處，因此需要對動力鉗進(jìn)行更深入的研究。參考文獻(xiàn)[1]李國清,房建梅,陳丹.液壓鉗盤式制動器在帶式輸送機(jī)上的應(yīng)用與分析[J].煤礦機(jī)械,2020,41(10):142-144.[2]付俊,張贏斌,李鵬,等.基于AMESim的海底基盤用液壓鉗的應(yīng)用研究[J].機(jī)械工程師,2019(07):79-81.[3]徐飛.關(guān)于伺服電機(jī)控制高壓大流量雙泵液壓動力系統(tǒng)的分析[J].南方農(nóng)機(jī),2019(15).[4]李穎,石路晶,鄒炳燕,曹寶文.不銹鋼水槽拉伸壓力機(jī)液壓及控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)床與液壓,2020,