钻杆矫直机电液比例方向阀液压系统设计.pdf

石 油机械 C H I N A P E 。‘ 。1 R O I E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 4年 第 4 2卷 第 3期 ●钻井技术与装备 钻杆 矫直机 电液 比例方 向阀液压 系统设计 高 凯 中石化胜利石油工程公 司钻 井工 艺研 究院 摘要 目前的钻杆矫直方式对人员的操作技 能有较高要求 ，不仅效率低 ，而且操控性能和矫 直精度也不高 通过对矫直技术展开研究，深入分析矫直机理，设计 了矫直机伺服 比例 方向阀液 压 系统。对矫直机 比例位置控制系统进行 了研究，设计 了矫直机液压 系统回路，建立 了比例方 向 阀、液压缸 、传感器和放大器的数学模 型 ．采用 奈奎斯特判据对系统的稳定性进行 了分析，并在 Ma t l a b下建立 P I D控制器 ，分别调节比例参数 、积分参数、微分参数 、调控 时间和稳态误差等指 标对 系统进行 了矫正，矫正后系统的总体误差约为2 ． 8 X 1 0 ～，满足矫直精度要求。 关键词 钻杆；矫直机 ；比例方向阀；液压 系统；比例位置控制；Ma t l a h 中图分类号 T E 9 2 1 文献标识码A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 0 3 ． 0 0 6 De s i g n o f t h e Hy d r a u l i c Sy s t e m f o r El e c t r o - h y dr a ul i c Pr o p o r t i o na l Di r e c t i o n a l Va l v e o n Dr i l l Pi p e St r a i g h t e n e r Ga o Ka i D r i l l i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e ， S I N O P E C S h e n g l i P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g C o m p a n y Abs t r a c t Cu rre n t l y dr i l l pi pe s t r a i g h t e n i n g mo de i mp o s e s a h i g h r e q u i r e me n t u p o n t h e o p e r a t i n g s ki l l o f wo r k e r s ． I t s e f fi c i e n c y i s l o w a nd i t s o p e r a t i n g p e r f o r ma n c e a n d s t r a i g h t e n i n g p r e c i s i o n a r e n o t h i g h． T he r e f o r e，r e s e a r c h O i l s t r a i g h t e ni ng t e c h n o l o g y wa s c o n du c t e d ． An i n d e p t h a n a l y s i s o f t h e s t r a i g ht e n i n g me c h a n i s m wa s c a r r i e d o ut ．T he s e r v o p r o p o r t i o n a l d i r e c t i o n a l v a l v e s y s t e m o f t h e s t r a i g h t e ne r wa s d e s i g n e d ． Re s e a r c h o n t h e p r o p o rti o n a l p o s i t i o n c o n t r o l s y s t e m o f t h e s t r a i g h t e ne r wa s c o n d u c t e d ．Th e h y d r a u l i c s y s t e m c i r c ui t o f t h e s t r a i g h t e n e r wa s d e s i g n e d ． Th e ma t h e ma t i c a l mo d e l o f p r o po r t i o n a l d i r e c t i o n a l v a l v e，h y d r a u l i c c y l i n d e r，s e n s o r a n d a mp l i fie r wa s e s t a bl i s h e d ．T h e Ny q u i s t e r i t e r i o n wa s a d o p t e d t o a n a l y z e t h e s t a bi l i t y o f t h e s y s t e m a n d t h e PI D c o n t r o l l e r wa s b ui l t o n t h e ba s i s o f t h e Ma t l a b，r e s p e c t i v e l y r e g u l a t i ng t he i n de x e s s u c h a s p r o po r t i o n a l pa r a me t e r，i n t e g r a l pa r a me t e r，di f - t r e n t i a l p a r a me t e r ，r e g u l a t i o n t i me a n d s t e a d y s t a t e e r r o r i n o r d e r t o c o r r e c t t h e s y s t e m． Th e o v e r a l l e rro r o f t h e c o r r e t t e d s y s t e m i s a b o u t 2 ． 8 X 1 0 ，s a t i s f y i n g t h e r e q u i r e me n t o f s t r a i g h t e n i n g pr e c i s i o n ． Ke y wo r d s d r i l l pi p e； s t r a i g h t e n e r ； p r o p o rti o na l d i r e c t i o n a l v a l v e； h y d r a ul i c s y s t e m ； p r o p o rti o n a l p o s i l i o n e o n t r o l Ma t l a b 钻井过程 巾由于摩擦 、碰撞或挤压等原 【大 J ，钻 杆易发生弯曲变形 ，在旋转钻进时产生偏移，造成 磨损加剧和井身结构变化 ，影响钻井质量。 目前 ， 常采用压力矫直机对石油钻杆进行矫正 ，操作人员 主要根据经验确定矫直下压行程 ，手动控制设备下 。这种矫直方式对操作者 的操作 技能有较高要 求 ，不仅矫直效率低 ，而且操控性能和矫直精度不 高 ～ 。由于缺乏高性能的矫直设备 ，钻杆的使用 质量难以保障。 为此 ，笔者通过对矫直技术展开研究 ，深人分 析矫直机理 ，设计了矫直机伺服 比例方向阀液压系 基金项 日胜 iJ T Pit 罔钻井院科研项 日 “ 钻柱 白动化处理关键技术研究与装备试制 ” 2 0 1 2 AA 0 9 A 2 0 3 c、 2 0 1 4年 第4 2卷 第 3期 高 凯 钻杆矫 直机 电液比例方向 阀液压 系统设计 ～ 2 5一 统，系统的下压行程通过伺服比例位置控制，并经 P I D控制器修正 ，响应时间短 ，提高 了钻杆矫直的 操控稳定性和矫直精度 。 1 石油钻杆矫直机理研 究 钻杆的弯 曲既有弹性弯 曲，又有塑性弯曲，当 发生塑性弯曲后 ，撤销载荷变形不会完全消失 。钻 杆的压力矫直是一个反弯曲过程 。以弹塑性并行理 论为基础 ，综合考虑弹性变形 、弹塑性变形 、回弹 变形 ，分析矫直过程中压力与钻杆挠度的关系，绘 制 F 一 6曲线 ，如图 1 所示 。 图 1 钻杆压 力矫 直时的 F 一 6曲线 F i g ． 1 F一 6 c u r v e o f d r i l l p i p e p r e s s u r e s t r a i g h t e n i n g 矫直加载后 ，O A段 为完全弹性变形阶段 ，弹 性挠度为 6 ，满足线性变化规律；继续施压产生弹 塑性变形 A B段 ，弹塑性挠度 为 ，变 化规律 为非线性 ；B点停止施压后 ，B C段为钻杆 回弹 阶 段 ，回弹挠度为 6 ，可看 作线性变 化规律。 由于 存在塑性变形 ，所 以回弹不完全只能到 C点，O C 段为整个矫直过程的残余挠度6 因此，对于初始 弯曲挠度 为 6 的钻杆 ，若矫直产 生 的下压量 为 6 6 6 ，则矫直过程 的残余挠度抵 消初始弯 曲挠度 ，钻杆被矫直 。 2 矫直机液压系统回路设计 液压 系统 回路设 计是液压 系统设计 的核心步 骤 ，设计结果影响着系统的性能和设计方案的合理 性 。设计时根据矫直 机 的动作和性 能要求 ，拟 定基本 回路 ，最后将各基本 回路集成完成液压 系统 总的回路设计 。 2 ． 1 液压 主 回路 设计 液压主回路设计要保证矫直机下压滑块正反方 向的无极 自动调速和精确 的位置控制 ，控制阀方案 的确定是其关键。 目前 ，应用于矫直机液压主回路 的控制阀方案主要有 2种 ，一是 电液伺服阀系统， 但电液伺 服阀成本较 高，对油液过滤精度 要求严 格 ，且对伺服油缸的精度和敏捷度要求也极高 ，大 大增加了系 统成本 ，使 用条件也 极为受 限 ；二 是 比例调速阀与电磁换向阀系统，该系统虽能降低 能耗和温升 ，但设计复杂 ，由于调速阀的原因，管 路和液压阀上 的压力损 失较大 ，泄漏 问题 较为严 重 7 1 。 为此 ，笔者设计 了电液 比例方 向阀液压系统。 该系统既能通过调节电流大小成 比例地控制 阀心的 流量 ，也能通过换 向来控制液压缸的运动方 向，回 路简洁 ，特点是利用大电流的比例 电磁铁作为电机 械转换器 ，降低了生产成本 ，具有伺服阀的各种特 性 ，而且对油液的清洁度要求较低 ，动态频响比一 般的比例阀高 ，可靠性也 比较高。图 2为矫直机液 压系统 主回路原理图。 1 一液压油源 ；2 一油箱 ；3 一 三位 四通 电液 比例 方 向 阀 ； 4 一 液 控单 向 阀 ； 5 一节 流 阀 ； 6 一 两位 两通 换 向 ； 7 一 顺 序 阀 ； 8 一 双 作用 液 压 缸 。 图2矫 直机 液压 系统主回路 原理 图 F i g ． 2 P r i n c i p l e d i a g r a m o f ma i n c i r c u i t o f s t r a i g h t e ne r ’ S h y d r a u l i c s y s t e m 2 ． 2 液压系统辅助回路设计 为避免矫直机的滑动行车架移动到导轨左右两 边的极限位置时发生事故 ，设计 了缓冲回路 ，如图 3 a 所示 。待矫 直钻杆放人工作 台后 ，需对其周 向 旋转并检测其圆周方 向的弯曲挠度。检测时 ，举升 装置将钻杆从支座上举起 ，链轮链 条带动滚筒旋 转 ，其与钻杆之间的摩擦力带动钻杆旋转 ，待旋转 到合适的位置举升装置液压缸柱塞回缩 ，钻杆重新 回到支座上。 基于液压系统 的安全性和清洁性考虑 ，为系统 设计了液压源辅助 回路 ，如图 3 b所示。在泵的出 口安装溢流阀调节输出压力，单向阀用于断电等异 常情况时系统的油液 回流。分别在泵 的压油处和回 油路上安装网式滤油器和线隙式滤油器 ，达到油液 石 油机械 2 0 1 4年第 4 2卷 第 3期 过滤 、避免污染物进入系统的目的。 干 [ _ _ L J a ． 缓 冲 回路 b 液压 源辅助 回路 1 、9 一两位两通换 向阀；2 、1 0 ～单 向阀；3 一 压 力表 ； 4 一蓄 能器 ； 5 ～ 缓冲液 缸 ； 6、 8 一溢 流 Iij{ I ； 7 一 变量 泵 ； 1 1 一 滤油器 ； 1 2 一 安全 阀 。 图 3 液 压 系统 辅 助 回路 原 理 图 F i g ． 3 Pr i n c i p l e d i a g r a m o f a ux i l i a r y c i r c u i t o f h y d r a u l i c s y s t e m 3 矫直机比例位置控制系统研究 3 ． 1 控制系统数学建模 矫直时，将位移传感器实时检测的压头下压量 信号与输入值 比较 ，并经放大器放大后输入电液比 例 ，通过改变控制电流改变阀心位移 ，从而调节 流量控制压头下压位移 ，这样会影响矫直精度 J 。 控制系统的优劣和控制功能的好坏取决于对被控对 象的了解程度 ，为此需依据具体问题建立系统数学 模 型 m J 。 3 ． 1 ． 1 比例 方向 阀 根据工程测试结果和实际情况 ，将高频响比例 阀看作二阶振荡环节 “ J ，其传递函数为 式中， 为比例方向阀流量一 电流增益 ，iT I ／ S A ；Q为比例方向阀的输入流量 ，I I 1 ／ s ； 为比例 方向阀的固有 频率；，为 比例方 向阀的输入 电流， A ； 为比例方向阀发热阻尼比， 取 0 ． 6 。 查阅比例阀的样本参数可知，当压降 却 1 MP a时，公称流量 q 3 5 0 L ／ m i n ；闭环 幅值频率特 性 曲线下降 3 d B时 ，频率 l厂1 8 H z ，于是 和 的计算式为 ∞ 2 1 l 3 ． 0 4 r a d ／ s 2 K ， 0 ． 2 9 n l s A。 。 3 1ma 带人数据计算得方向阀传递函数为 G s Q，_ 0 l1． 2 9 4 丽 3 ． 1 ． 2液 压 缸 设 系统的负载压 力为 P ， ． ，液 缸 内腔压 力为 P 。 ，忽略压头的自重和液压缸下腔的油压 ，则有 P p 。 。由流量公式可计算进入阀的流量为 q c 5 式中，P 为系统的供油压力 ，W为 比例 阀节流 口面 积梯度 ，P为液压 油密度 ，C 为流量系数 ， 为 进入比例 阀的流量 ， 为 比例阀阀心位移 。 对式 5 进行线性化处理得 g WN O x d pi K c P ， 6 ／ 2 P 一P L P 式 中，K 为比例阀流量增益 ，K 为比例阀流量- 压 力系数 。 从 比例 阀进入液压缸的系统流量为 Al Xp ， 7 式 中， 为活塞位移 ， 为液压缸 工作容积 ，C 为液压缸泄漏系数。 根据牛顿力学公式可得 P L A1p l A1 m2 i ， ，B f K x 十F L 8 式巾，m为压 头质量 ，B 为黏性 阻尼系数 ， 为 负载刚度 ， 为负载力 。 对式 6 、式 7 和式 8 进行拉 氏变换 可得 q s K 一K P s 9 q c P I“ I 5 p s A - s 0 PL A1 mS x l 1 B 3 x pK x Ff 1 1 本 系 统 近 似 有 q ． q s ，联 立 式 9 、式 1 0 、式 1 1 解得 比例 控缸 数学模 型为 K ,IA 一 K V I s F ～ K V f 箸 兰⋯ 3 s2 羔 1 2 南 Q 一 ， 、 S ／ G