0 引言
随着对深水及超深水海域的勘探开发，越来越多的深水钻机管柱处理系统逐步应用于半潜式钻井平台及钻井船[1]。在钻井船和半潜式平台等非固定平台上安装的折臂式抓管机长期在海上作业，作业环境恶劣，需要考虑多种外界环境载荷，如船舶、平台随波浪运动产生的垂直和水平方向上的加速度载荷、风载等[2]。折臂式抓管机是管柱处理系统中的关键设备，通常安装在海洋钻井平台甲板上，主要功能是用来实现各种钻井管柱从堆场到指定工作位置之间的抓持和吊运，属于自动化、智能化高端装备产品，其技术长期被欧、美等发达国家所垄断，而且国内不能生产，以进口为主[3]。目前我国折臂式抓管机仅处于起步阶段，要早日实现海洋强国战略，开发并研制出具有自主知识产权的折臂式抓管机是我国海洋装备发展的当务之急，这无论从掌握高端技术、提升我国油气重大设备的制造能力，还是从摆脱国外束缚、有效降低成本，积极参与世界油气能源开发竞争等多个方面来说，均有着非常重大的现实意义。
我国海洋重大装备国产化最大的障碍是没有相应的业绩或海试，再加上海洋钻井平台作业的高风险性和高日费，设备的可靠性要求苛刻。对工作在深水钻机的重大设备受到风浪作用，几乎不可能进行模拟海况试验。完成常规厂内试验后如何让作业者信任并使用在深水钻机，建立数字样机，并进行基于海洋工况的动力学分析非常必要。
对折臂式抓管机来说，作业者最关心的是吊爪的使用性能。吊爪作为折臂式抓管机的关键部件，其与抓管机吊臂端头通常采用自由悬垂式或固定连接。自由悬垂式连接的吊爪可随抓管机吊臂仰摆依靠自身重力始终与水平面平行，目前深水钻机折臂式抓管机全部采用这种连接结构。固定连接的吊爪在抓管机吊臂仰摆时通过液缸不断调节吊爪摆角，使吊爪与水平面平行。受到结构影响，固定连接的吊爪摆角调整范围较小，但能够适应倾斜放置的动力猫道，主要应用在工作半径较小的钻井船或陆地钻机抓管机上。
作业者可以运用ADAMS软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析[4]。该方法较手工计算或作图法效率高，精确，应用广泛[5]。笔者采用UG进行数字样机三维建模，采用ADAMS对吊爪在不同工作环境下进行数字样机仿真分析，从而找出影响自由悬垂式连接吊爪工作时较大晃动的原因及避免措施，以期为抓管机吊爪的改进设计、操作使用和模拟海试提供依据。
1 仿真模型 1.1 主要技术参数折臂式抓管机运动仿真参数根据设计参数计算，具体参数如下：工作半径6.97~35.00 m，主吊臂变幅液压缸伸出速度77.33 mm/s，副吊臂变幅液压缸伸出速度71.66 mm/s，额定载荷75 kN，静摩擦因数0.15，动摩擦因数0.10，吊爪自重20 kN，吊爪连接销轴至管柱中心线距离3 980 mm。
| 垂荡/m | 横摇/ (°) |
纵摇/ (°) |
风速/ (m·s-1) |
吊臂受风面积/m2 |
| 3.00 | 1.5 | 1.5 | 30 | 21.68 |
1.2 自由悬垂式连接吊爪工作特点
折臂式抓管机结构见图 1。自由悬垂式吊爪连接结构见图 2。吊爪随抓管机吊臂仰摆依靠自身重力回到原位，这样吊爪抓取管子时始终与水平面平行。即便吊爪重心未抓取管柱的重心，可通过吊爪调平缸对吊爪重心进行调整，从而使得吊爪重心与伸缩臂铰接孔连线始终处于铅垂。自由悬垂式连接吊爪可适应吊臂在任意角度的仰摆，目前掌握的深水钻机折臂式抓管机全部采用这种连接结构。
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| 图 1 折臂式抓管机结构 Fig.1 Structure of the knuckle boom pipe crane 1—主吊臂；2—控制室；3—电控系统；4—液压系统；5—台体；6—副吊臂；7—伸缩臂；8—基座；9—吊爪。 |
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| 图 2 吊爪连接结构 Fig.2 Connection and detailed structure of freedom overhanging gripper 1—伸缩臂；2—连接插销；3—液压回转装置；4—调平缸；5—限位块；6—活动钳爪。 |
自由悬垂式连接吊爪依靠自身重力调平，抓管机仰摆过程中吊爪不断进行自我调平，由于惯性作用，难免会出现吊爪摆动问题。
1.3 模型的建立机械系统动力学自动分析软件ADAMS是美国MDI公司开发的非常著名的虚拟样机分析软件。ADAMS对机械系统的静力学、运动学和动力学问题具有强大的分析能力，但其三维造型能力稍有不足，对于复杂的零部件和含有较多组件的装配体采用ADAMS/View不能很好地把其特征表达出来[7]。笔者应用功能强大的集CAD/CAM/CAE为一体的三维造型软件UG创建样机的实体模型[8]。
模型的建立和导入步骤如下：
(1) 在UG中对折臂式抓管机进行建模和装配，然后进入Motion模块。
(2) 在Motion模块中新建运动学/动力学解算方案，定义连杆。
(3) 输出ADAMS格式文件。选File—Export—ADM……，或直接在运动导航器中用鼠标右击运动场景，在弹出的菜单中选Export—ADM……。输出后会在仿真文件夹出现*.adm、*.cmd和*.xmt_txt格式的3个文件。
(4) UG仿真文件导入ADAMS。ADAMS环境下，打开File/import/ FileType(Adams/Solver(*.amd)导入模型文件*.adm。
将*.xmt_txt文件按照上面的方法导入ADAMS中。File Import对话框中Model Name必须与模型树中的名字保持一致，导入顺序不能反。
按照上面的方法将海况模型导入ADAMS中。
ADAMS 2013中多个模型的合并步骤如下：
(1) 在ADAMS环境中将折臂式抓管机和海况模型分别存储为数据库文件和命令流文件zhebi.bin、zhebi.cmd、motion.bin和motion.cmd;
(2) 新建数据库文件crane.bin, 用命令流形式分别导入zhebi.cmd和motion.cmd;
(3) 点击Tools/Merge Two Models，以crane.bin为基础再分别合并zhebi.cmd和motion.cmd;
(4) 将模型zhebi.cmd和motion.cmd进行连接，以实现对海况的模拟。
最终的ADAMS模型见图 3。
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| 图 3 折臂式抓管机仿真模型 Fig.3 Simulation model of the knuckle boom pipe crane |
2 固定钻井平台抓管机吊爪摆动分析
现场试验中，不同的操作人员以及操作熟练程度不同，吊爪摆动明显不同。操作不平稳时吊爪晃动非常明显；启停的速度对吊爪晃动影响较大，启停均匀平稳时吊爪摆动较小，启停过快时吊爪晃动非常明显。
在ADAMS环境中，对motion有关的驱动进行失效处理，对主臂和副臂仰摆缸启停设置5 s的加减速时间，对主臂和副臂缸采用速度函数驱动，速度函数分别如下：STEP(time, 0, 0, 5, -77.32)+STEP(time, 45, 0, 50, 77.32)+STEP(time, 50, 0, 55, 0.00)、STEP(time, 0, 0, 5, 71.66)+STEP(time, 45, 0, 50, -71.66)+STEP(time, 50, 0, 55, 0.00)。吊爪空载和带载75 kN时运动分析结果如图 4所示。
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| 图 4 空载/带载75 kN且启动时间为5 s时吊爪摆动曲线 Fig.4 freedom overhanging gripper swing curve under no-load/load 75 kN and the start time of 5 s |
从图 4可以看出，安装在固定钻井平台的抓管机，空载时吊爪的摆幅和频率明显大于带载75 kN时的摆幅和频率，但摆幅主要集中在100 mm左右，在可接受的范围内。
在ADAMS环境中，对主臂和副臂仰摆缸启停设置2 s的加减速时间，对主臂和副臂缸采用速度函数驱动，速度函数分别如下：STEP(time, 0, 0, 2, -77.32)+STEP(time, 48, 0, 50, 77.32)+STEP(time, 50, 0, 55, 0.00)、STEP(time, 0, 0, 2, 71.66)+STEP(time, 48, 0, 50, -71.66)+STEP(time, 50, 0, 55, 0.00)，在吊爪空载和带载75 kN时运动分析结果见图 5。
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| 图 5 空载/带载75 kN且启动时间为2 s时吊爪摆动曲线 Fig.5 The freedom overhanging gripper swing curve under no-load / load 75 kN and the start time of 2 s |
从图 5可以看出，安装在固定钻井平台的抓管机，加快启停速度后，空载和带载75 kN时吊爪的摆动频率与慢启停基本相同，但吊爪摆幅明显增大，摆幅主要集中在100 mm左右，要想平稳抓取管子难度较大。
3 浮式平台抓管机吊爪摆动分析风对折臂产生的作用力，按照下面方法计算。
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(1) |
式中：p为风压，Pa；v为风速，m/s。
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(2) |
式中：F为风力，N；A为折臂受力面积，m2。
根据式(1) 和式(2) 求出风对折臂产生的作用力为12 195 N。
由于风载的周期性变化，同时折臂的位置随着液压缸的伸出而在不停变化，所以作用于约束折臂上的力随着时间和风向的改变而改变。
主臂和副臂风载仿真参数如下。
IF(time:0, 12 159sin(2pi*time/3), 12 159sin(2pi*time/3))，表示折臂式抓管机在工作时间内受到周期3 s、按照正弦曲线变化的力的作用。
垂荡、横摇和横摇对折臂式抓管机仿真参数如下。垂荡：3 000sin(0.2pi*time)，表示折臂式抓管机安装的平台垂荡5 m, 周期为10 s；横摇：2dsin(0.2pi*time)，表示折臂式抓管机安装的平台横摇角度为2°, 周期为10 s；横摇：2dsin(0.2pi*time)，表示折臂式抓管机安装的平台纵摇角度为2°, 周期为10 s。
在ADAMS环境中，对主臂和副臂仰摆缸启停设置2 s的加减速时间，在吊爪空载和带载75 kN时运动分析结果如图 6所示。
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| 图 6 空载/带载75 kN且启动时间为2 s时吊爪摆动曲线 Fig.6 The freedom overhanging gripper swing curve under no-load/load 75 kN and the start time of 2 s |
从图 6可以看出，安装在浮式平台的抓管机，空载时吊爪的摆幅与带载75 kN时的摆幅基本相同，空载时受海况影响较大，摆幅不稳定，摆幅主要集中在200 mm左右，在可接受的范围内。
在ADAMS环境中，对主臂和副臂仰摆缸启停设置5 s的加减速时间，在吊爪空载和带载75 kN时运动分析结果如图 7所示。
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| 图 7 空载/带载75 kN且启动时间为5 s时吊爪摆动曲线 Fig.7 The freedom overhanging gripper swing curve under no-load/load 75 kN and the start time of 5 s |
从图 7可以看出，安装在浮式平台的抓管机减慢启停速度后，空载和带载75 kN时吊爪的摆动幅度明显减小，甚至比安装在固定平台上的抓管机吊爪摆幅还要小；吊爪的摆动频率也有所降低；吊爪摆幅主要集中在75 mm左右，而且摆动也慢了，抓取管子变得更容易了。
4 结论及建议(1) 抓管机操作启动越快，吊爪开始时摆幅越明显。经过2~3次振荡后，摆幅有所减小。抓管机操作启动越慢，吊爪操作时摆幅越小。
(2) 相比固定平台，抓管机在海况作用下的浮式平台操作时吊爪摆幅并没有增加，反而根据不同的作业海况可能会有所减小。
(3) 空载时吊爪的摆动频率明显高于带载。安装在固定平台的折臂式抓管机空载摆幅明显大于带载工作。
(4) 操作人员的熟练程度不同，也就是启停的快慢和平稳性不同，吊爪工作过程中摆动明显不同。因此操作人员应在操作过程中不断地熟悉并掌握操作规律，这样才能使设备达到较好的工作状态。
| [1] | 崔学政, 张富强, 肖文生, 等. 海洋钻井平台折臂起重机设计[J]. 石油矿场机械, 2009, 38(11): 28–31. DOI: 10.3969/j.issn.1001-3482.2009.11.008 |
| [2] | 王晟, 董达善. 海洋风浪载荷对7 500 t浮式起重机结构强度影响分析[J]. 起重运输机械, 2009(12): 50–54. DOI: 10.3969/j.issn.1001-0785.2009.12.018 |
| [3] | 岳吉祥, 綦耀光, 肖文生, 等. 深水半潜式钻井平台钻井材料输送系统配置与布局研究[J]. 船海工程, 2008, 37(4): 58–61. |
| [4] | 李增钢. ADAMS入门详解与实例[M]. 北京: 国防工业出版社, 2006. |
| [5] | 郑建荣. ADAMS——虚拟样机技术入门与提高[M]. 4版. 北京: 机械工业出版社, 2002. |
| [6] | API Spec 4F. 钻井和修井井架底座规范[S]. 北京: 石油工业标准化研究所, 2013. |
| [7] | 李文宇, 李运华. 基于UG和ADAMS的砂尘风洞转台系统的虚拟设计[J]. 制造业自动化, 2006, 28(5): 8–10. |
| [8] | 温效朔. 基于UG和ADAMS的装载机工作装置虚拟样机的运动仿真[J]. 机电产品开发与创新, 2006, 19(3): 105–106. |