水平井机械轮式牵引器的驱动臂设计及电动机选型.pdf

锄石油 化I 通用机械 l6 V 函P P 水平井机械轮式牵引器的 驱动臂设计及电动机选型 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津3 0 0 4 5 1 张玺亮张凤辉马认琦史红娟 摘要 利用M a t la b 软件优化了水平井机械轮式 牵引器驱动系统中的驱动臂长度 并针对驱动臂在该长 度下的弹簧力与正压力间的关系问题 提出了一种数据 等效替代的拟合方法 之后 在保证牵引器产生的牵引 力为lO k N 的情况下 得到驱动电动机的选型 并利用 曲线函数得到驱动电动机功率与弹簧力间的关系 进而 求得弹簧力的变化范围 关键词 水平井牵引器 驱动臂 弹簧力 正 压力曲线拟合 一 前言 水平井牵引器是一种在石油水平井管道中作业的 机器人 从运动方式上主要可分为轮式和抓靠臂式 轮 式水平井牵引器的工作原理是通过可张开和收起的支撑 臂 将驱动轮撑到管壁上 再由驱动轮转动产生牵引力 来带动牵引器向前或向后移动 该运动方式的牵引器以 w E L L T E c公司与s 0 N D E x 公司生产的牵引器为代表 国外水平井牵引器的研究已经相对成熟 我国对此方面 的研究起步较晚 但发展较为迅速 水平井牵引器正朝大功率 大牵引力 高牵引速 度的方向发展 在高温高压的水平井石油管道环境限制 下 制造大功率与大牵引力的水平井牵引器面临诸多困 难 即使单从设计角度上 也存在诸多限制 其中最大 的限制在于驱动系统 合适的驱动电动机与配套的减 3 8 然嚣牌 嘶年绷 速器较少 大功率的驱动电动机尺寸过大 而尺寸合适 的驱动电动机与之配套的减速器很少 故不能产生较大 的牵引力 白相林探讨了牵引力与弹簧力之间的关系 之后优化设计了调节机构 并在保证一定牵引力的条 件下分析了驱动系统 简要分析了所需驱动电动机的组 数 这对于设计多段驱动系统的水平井牵引器提供了理 论依据 曾华军基于复合形法设计了一种水平井牵引器 的驱动臂 同时较为透彻地分析了牵引力与正压力的关 系 但给出牵引力与正压力间的数学关系仍较为复杂 计算数值时存在不便 于淼对水平井牵引器的牵引力进 行了简单的数值分析 本文在前人工作的基础上 首先优化设计了一种 大牵引力 大功率的机械轮式驱动牵引器的驱动臂 得 到弹簧力与正压力间的数学关系 之后通过数据拟合的 方法 得到较为简单又能等效替代弹簧力与正压力二者 关系的数学表达式 并在理论分析的基础上定量分析 得到驱动电动机的选型 进而利用该数学表达式得到了 驱动电动机功率与弹簧力之间的数学关系 二 水平井牵引器机械轮式驱动机构各 部件 水平井牵引器机械轮式驱动机构各部件如图1 所 示 驱动系统主要包括动作单元与驱动单元 当牵引器 作业时 由动作单元打开和收起支持臂 牵引单元利用 传动系统完成对驱动轮的驱动 整个驱动系统由两组单 向放置的电动机共同驱动 图1 水平井牵引器机械轮式驱动机构各部件示意 1 大锥齿轮2 链轮3 J 锥齿轮4 齿形链5 链轮6 推杆 7 推杆座8 传动轴9 动作套筒1 0 丝杠螺母1 1 动作电动机 1 2 滚珠丝杠1 3 弹簧1 4 驱动电动机1 5 弹簧1 6 中心轮 其中 动作单元采取了利用前后弹簧来消化管径 变化时驱动臂的动作 以此避免了动作电动机的频繁起 动 而且也不至于让牵引器工作过程中出现大的振动 三 驱动机构浅析 1 弹簧力与正压力分析 驱动臂机构是一个连杆一滑块机构 弹簧力E 通过 滑块作用于驱动臂 驱动轮受到正压力 由转动副作用 于支持臂上 两者共同作用使此系统平衡 正压力 的 取值与弹簧力F 有关 正压力越大 则牵引器所能产生 的牵引力越大 驱动力机构受力分析如图2 所示 由于 这两个值均未知 故常采用求弹簧力与正压力的比值6 为最小值来优化设计驱动臂 之后将得到的驱动臂数据 带回不同直径的石油管道从而求出6 在不同管径下的数 值 进而通过数据拟合得到6 曲线 驱动臂轴向力屿滑块弹簧力E 平衡 则有 r F 1 co s 芦 1 驱动臂的力臂为 厶co s 9 0 一 1 8 0 一口一 厶s in 口 卢 2 正压力 自勺力臂为 厶co s 口 3 根据力矩平衡 有 r L 2 s in 口 卢 L 3 co s 口 4 根据式 1 式 4 可推出 6 V 可 厶 尺 r D d L 1 5 雨 n7 州 图2 驱动机构受力分析 其中 d 为支持臂与推杆间高度差 丁 为驱动臂 轴向力 对式 5 求解最小值 从而可以得到驱动臂的优 化设计 根据设计参数 确定牵引器的适用范围为直 径1 4 0 2 3 0 m m 的石油管道 为保证牵引器驱动臂与 石油管壁能够接触产生正压力 故D 要取最大值 即 2 3 0 m m 同时按照设计图样 取R 4 0 m m 拈5 m m 5 m m 同时要求口 7 0 卢 7 0 2 弹簧力与正压力模型求解 根据设计需要 驱动臂的初始设计范围为 8 0 1 3 0 m m 利用M a t la b 软件自带的f m in co n 函数 进行求解 设定初值x 1 2 0 1 2 0 求解可得 L l 1 2 4 8 1 m m L 2 1 1 9 4 9 m m 实际上取L l 1 2 5 m L 2 1 2 0 m m 解得此情况下6 的最小值 即6m in F v 0 0 5 25 3 数据拟合 同时由图2 可知 两臂的间距L 为L 厶s in L 2 co s 口 因此可以得到不同油井管径下的相应 数值 见表1 曾华军在文献中也曾分析过弹簧力与正压力的关 系 但是局限于管道直径取值为离散点时二者的关系 嘶年籼黜 3 9 2 叭6 年第4 期 w w e 蜘x co mU J 嗵晰剑胁税 黑通 纪讹施肿万W 石油 化I 通甬机械 表1不同油井管径下的相应数据 聊删雷髓裙一 朝I lE H 一 3 0l551 75 3 l 72 3 5 1 3 51 751 91 03 3 592 3 26 1 4 01 95 2 1 403 5 762 2 98 1 4 5 2 l52 3 3 7 552 2 67 1 5 02 352 53 3 8 952 2 32 1 5 5 i1 2 7 3 9 931 I95 竺L 兰 E 1 8 53 9 34 0 40 3 6 24 1 8 8 1 1 9 04 1 84 3 00 3 4 0l1 8 1 2 1 9 54 4 44 5 40 3 1 341 7 3 5 2 0 04 7 24 8 20 2 8 271 6 5 2 2 0 5 5 0 O5 0 9O 2 4 8 51 5 5 9 2 1 05 3 15 4 o0 2 ll31 4 5 7 2 1 55 6 45 7 10 1 7 181 3 4 2 2 2 06 0 O6 0 8O 1 3 121 2 lD 2 2 56 4 1 70 0 9 071 0 5 8 2 3 06 8 96 9 40 0 5 258 7 1 本文利用M a t la b 软件自带的cf t o o l函数对油井管道直径D 和弹簧力与正压力间关系6 进行拟合 试验结果显示 选用傅里叶曲线 F o u r ie r 拟合或正弦曲线拟合 s u m o fs in e 效果较好 能够利用单一变量等效替代这二者 的关系 试验结果如图3 图4 所示 伽甚用柚 w w e 蜘x co n l 2 0 1 6 年第4 期 h v H 1 b f t m 1 v l u o A 由 I c h l b l s ln 6 浙 口c n t 盯蛆d cI l 臣巫西三 J r 一 1 J 一 L t 气 1 4 05 01 6 7 8 01 9 02 0 0 2 lO 2 2 02 3 图3 傅里叶曲线拟合结果 S o fS h b f t I l哪t 川 lh m I 一 n c姐t 矗at c 1 图4 正弦曲线拟合结果 图3 是傅里叶曲线拟合结果 该曲线函数可以解释 9 9 9 7 的数据 图4 是正弦曲线拟合结果 该曲线函数 也可以解释9 9 9 7 的数据 两条曲线反映的数据差距 几乎没有 故都可以用来反映油井管道直径D 和弹簧力 与正压力间关系6 的关系 但傅里叶曲线的表达式形式 上较为复杂 正弦曲线的表达式形式上较为简单 故采 用正弦曲线来表示二者的关系 则有 6 0 4 0 6 5 s in 0 0 2 1 6 D 4 3 3 7 1 3 0 D 2 3 0 6 这样 就可以将弹簧力与正压力间关系6 用石油 管道直径D 来等效替代 从而可以计算已知管道直径 D 时 弹簧力与正压力间关系6 的值 其中1 3 0 D 2 3 0 同时 弹簧力与正压力间的关系又可表示为 F l 0 4 0 6 5 s in 0 0 2 1 6 D 3 3 7 1 3 0 D 2 3 0 7 m 一 螂 1 一 2 2 4 电动机选型与最大弹簧力 驱动力是由两组电动机两对驱动轮所产生的 两 对驱动轮成9 0 布置 图5 是驱动轮的受力分析简图 驱动电动机输出的转矩经传动装置传到驱动轮上 作 用于驱动轮上的转矩L 驱动轮对石油管壁产生圆周力 F 3 管壁对驱动轮产生反作用力 即驱动力F 同时 根据设计需要 牵引器要产生1 0 k N 的拖动力 牵引器 在石油管道中运行达到系统平衡 其中 伪牵引器受 到的阻力 为轮子所受的压力 其大小与动作电动机 的产生的弹簧力有关 滑动摩擦因数 与齿顶角大小和 修正系数有关 当修正系数为1 4 0 时 1 0 4 这里 取此值 图5 驱动轮受力分析简图 则驱动力与弹簧力之间的关系可表示为 F l 0 钧6 5 s in O 0 2 1 缸H 4 3 3 7 F 2 1 3 0 D 2 3 0 8 而驱动力如的计算方法则如下 R 7 冰 9 5 5 0 7P 九月 9 5 5 0 7 2 P 甩尺 9 式中瓦 作用于驱动车轮的转矩 其大小由驱动电 动机决定 卜驱动轮半径 P 一电动机功率 九 驱动轮转速 与设计的牵引速度有关 设 计标准为3 5 8 r m inl 7 电动机输出功率的效率 设计标准为0 8 代人数值 得出 P r R 2 9 5 5 0n 1 0 3 0 9 k w 1 0 即每组需要1 0 3 0 9 k w 的电动机 在此情况下 理 论上能够产生lO k N 的牵引力 另外 当选定的驱动电 动机与管径直径为1 6 2 8 m m 时 根据式 9 最大弹 簧力为45 8 7 8 N 当管道直径为2 3 0 m m 时 最小弹簧力 5 4 8 2 N 由上述结果 反映出弹簧力的变化范围很大 故在实际中 针对不同的直径管道 驱动臂通常需要更 换 从而保证驱动系统正常工作 四 结语 本文优化设计了水平井牵引器的驱动臂 拟合了 石油管径和弹簧力与正压力比值间的函数关系 给出电 动机功率与驱动力间的关系 并利用该函数 有效地求 解出电动机功率与弹簧力间的关系 结果表明 利用 该拟合曲线 能够等效替代弹簧力与正压力间的关系 从而改变传统计算时需要查表的现状 降低计算的复杂 程度 为计算提供便利性 最大程度地增大牵引器牵引 力 有效解决了国内在设计大牵引力水平井牵引器上的 技术瓶颈 希望能够为国内页岩油气 致密砂岩油气和 煤层气等矿产开采等井型的开发 提供一种设计大牵引 力水平井牵引器的思路 参考文献 l 曾华军 水平井牵引器驱动系统关键技术研究 D 哈 尔滨 哈尔滨工业大学 2 0 1 0 2 刘猛 高进伟 水平井井下仪器送进技术的现状及发 展建议 J 石油矿场机械 2 0 0 4 3 3 6 1 6 1 8 3 白相林 油田水平井牵引机器人驱动单元的设计 J 吉 林大