海洋钻井平台自动抓管吊机机械臂的方案设计

【摘 要】 以海洋钻井平台自动抓管吊机为研究对象,根据它的实际受力,建立了其静力学模型,并考虑其抗倾覆稳定性,确定六种机械臂的实际设计方案.运用有限元分析得到自动抓管吊机在静力学分析中的各项参数,比较得出结果,确定海洋平台钻机自动抓管吊机的机械臂的设计方案.

【关 键 词 】 海洋钻井平台 自动抓管吊机 机械臂 有限元分析

1.前言

不断增加的油气资源需求量,使石油工业将注意力转向海洋,同时也包括海洋钻井平台自动化操作系统.自动抓管吊机（Automatic Grabbing Crane）是针对钻台以下、平台以上的钻杆进行自动化处理[1],实现钻杆在钻杆盒和动力猫道之间的传送.

2.AGC机构简化模型描述

自动抓管吊机如图1所示.

该机构由基座、内臂、中间臂、外臂和末端的机械手组成.AGC工作时由液压缸将内臂、中间臂和外臂依次撑开,旋转基座将机械手移动到钻杆盒位置,然后由液压缸控制机械手抓取钻杆；再旋转基座,液压缸控制机械臂和机械手将钻杆释放于动力猫道上.同时也可进行反向操作,将钻杆从动力猫道上抓取,回放于钻杆盒中[3].

AGC的基座需要考虑其抗倾覆稳定性,即机构整体在自重和外载荷作用下抵抗翻到的能力.目前共有三种校核方法：力矩法、稳定系数法和按临界倾覆载荷标定额定起重量.

a.力矩法：基本原则是作用于起重机上包括自重在内的各项载荷对危险倾覆边的力矩代数和必须大于或至少等于零,即.

b.稳定系数法：AGC所受的各种外力对倾覆边产生的稳定力矩与倾覆力矩的比值为稳定系数.稳定系数不小于规定值：工作状态考虑附加载荷的载重稳定系数为1.15；工作状态不考虑附加载荷的载重稳定系数为1.4；自重稳定系数为1.15.

c.按临界倾覆载荷标定额定起重量：临界倾覆载荷即通过实验或计算,得出的抓管机在不同幅度下达到倾覆临界状态时的起升载荷.将其打一折扣后,作为额定起升载荷.折扣越大,抗倾覆稳定性裕度越大,英、德、日、美折扣数分别为：66%,75%,78%,85%.

3.自动抓管吊机的机械臂方案设计

由于海洋平台承重能力有限,所以AGC的结构在满足其受力及强度要求的同时应尽量使其自重减到最小状态.首先对内外臂进行受力分析[2]（如图2,3）.

确定机械臂的方案如表1.

针对以上六种方案分别进行有限元分析[2].

4.方案分析

计算结果如图4所示.

从结果图中可以看到,方案三的应力和位移都比较小,在六个方案中貌似比较理想,但是,方案三的结果和方案一相比较就呈现出错误的趋势.因为,方案一和方案三的结果不合理,以方案三的结构来说应该比方案一的应力要高,所以摒弃方案一和方案三.在剩下的四个方案中综合最大综合应力、最大综合位移和最大垂直位移的数据分析,只有方案六最为理想,故海洋平台钻机自动抓管吊机的的机械臂设计应遵循方案六.

5.结语

对海洋平台钻机自动抓管吊机的机械臂进行了静力学受力分析,根据其最大受力位置受力状态确定六种机械臂方案,再对这六种方案进行有限元分析,最后得出综合应力和综合位移等相关数据,确定了在满足其强度和寿命的情况下的机械臂方案,即从200×200到300×250,再从300×250到250×200壁厚左右板16,上下板20的机械臂.