摘要
针对HCW-90型全液压自动猫道钻杆翻越档销进入V型槽的动作进行研究，涉及钻杆翻越档销、钻杆沿翻板滚动以及钻杆稳定在V型槽内等3个动态过程。操纵翻板机构的液压缸动作的控制信号是影响管体运移快速性和平稳性的主要因素，翻板动作的同步性则决定了管体运移的空间姿态和定位精度。本文主要采用机液联合仿真的方法，对HCW-90型全液压自动猫道的翻板机构进行模拟测试，分析机构的动态性能，研究确保钻杆稳定运移且能提高快速性的具体措施。
全液压自动猫道是一种可取代深井钻机常规猫道实现地面与钻井台间管具自动输送的辅助作业装置，用以解决常规管柱输送作业效率低、操作人员劳动强度大、设备及人员的安全性差等问
吉林大学建设工程学院依托国家深部探测仪器装备研制专项子课题（SinoProbe-09-05）“深部大陆科学钻探装备研制”项目设计了HCW-90型全液压自动猫
本文以HCW-90型全液压自动猫道的钻具翻板机构为研究对象，建立其RecurDyn多体动力学模型及AMEsim液压系统模型，并进行联合仿真，提出合适的液压系统控制策略，测试全液压自动动猫道翻板机构的优化措施。
全液压自动猫道它包括多个子系统，各系统之间通过协调动作共同完成管具在地面和钻台面之间的自动输运工
HCW-90型全液压自动猫道如
图1 HCW-9型全液压自动猫道
1—钻杆支腿；2—翻板机构；3—起升机构；4—推送机构；5—防坠落机构；6—翻出机构；7—猫道平台；8—坡道
如
图2 翻板结构示意
1—翻板；2—缸筒耳座；3—翻板底座；4—翻入液压缸；5—液压缸翻出；6—翻入活塞杆；7—翻出活塞杆；8—液压缸限位板
翻板机构驱动管具翻出的动作较为简单，而管具翻入则依次完成翻板起升带动其越过档销、沿翻板滚动、进入举升滑道V型槽并稳定停留等动作过程，钻具翻入V型槽过程中，翻板机构内侧液压缸处在停止状态，外侧液压缸活塞杆伸出，于是翻板机构可简化为单边驱动的四连杆机构，如
图3 翻板结构简图
L—液压缸与缸筒耳座间铰点的距离，同样为活塞杆与翻板间铰点的距离；H—翻出液压缸与缸筒耳座间铰点到翻出活塞杆与翻板间铰点的距离，翻入液压缸与缸筒耳座间铰点到翻入液压缸与翻入活塞杆与翻板间铰点的距离为H+x(t)；x(t)—活塞杆位移行程，以活塞杆伸出液压缸的方向为正；θ1—翻板与水平面夹角，以逆时针方向为正；θ2—翻入液压缸轴向与竖直方向的夹角，以逆时针方向为正
根据余弦定理，该四连杆机构满足：
该四连杆机构中，翻出活塞杆行程函数x（t）与翻板倾角θ1关系方程：
翻出活塞杆行程速率v与翻板倾角θ1关系方程：
其中：，。
本文基于韩国FunctionBay公司开发的RecurDyn软件构建HCW-90型全液压自动猫道钻具翻板机构的多体动力学模型。
翻板机构多体动力学模型如
图4 翻板机构RecurDyn多体动力学模型
翻板机构工作过程中的参考部件构建一个统一的实体，并与大地固定约束。缸筒耳座通过固定约束与大地固连，液压缸通过旋转副约束与缸筒耳座铰接，液压缸与活塞杆间采用圆柱副约束，活塞杆与翻板采用旋转副约束。翻出液压缸受到液压缸限位板的限制作用，分析钻具翻入V型槽的过程时，设置其与大地固定约束。
本文以Ø127 mm钻杆作为管具范例，也是分析过程中的具体研究对象，单根钻杆质量为277.79 kg，包括接头在内的钻杆总长9.96 m。钻杆为细长管体结构，由3组翻板驱动运移。钻杆初始位置设定在平台档销外侧，沿平台纵向位置钻杆质心距离中间翻板机构的中间对称面的距离为190 mm。为确保仿真结果的准确性，钻杆模型等分为3段实体，分别设置各段与其相应的翻板的接触约束。此外，钻杆与V型槽以及猫道平台支承面之间的接触约束也采用的同样的方法处理。翻入液压缸与翻入活塞杆间建立轴向力。翻板机构在RecurDyn软件中的各个实体、约束、载荷等相关设置参见
本文为该钻具翻板机构设计了新的液压控制系统，该系统为开式系统并采用闭环控制。如
图5 钻具翻板机构液压原理
1—定量泵；2—溢流阀；3、16—三位四通阀；4、8、12、17、21、25—电液比例阀；5、6、9、10、13、14、18、19、22、23、26、27—平衡阀；7、11、15—翻入液压缸；20、24、28—翻出液压缸
该回路右侧为翻入支路，用于控制钻具翻入V型槽的动作，左侧为翻出支路，用于控制钻具翻入钻具支腿的动作。每处液压缸采用电液比例阀控制，通过预先设定的电信号以及活塞杆反馈的位移信号自动调节比例阀开度，自动控制液压缸行程。
本文采用AMEsim软件构建钻具翻板机构的液压控制系统，如
系统压力：15 MPa；流量：45 L/min。每条支路的液压缸由相同的电液比例阀控制，阀的最大开度输入电信号值为1 mA，固有频率为200 Hz，阻尼比为0.99。液压缸设置：行程为0.5 m，初始位移为0.1 m，液压缸内径80 mm，活塞杆直径50 mm。该系统采用闭环控制，引入PID控制器，比例系数取10，积分系数取0.5，微分系数取0.1，一阶时间常数取0.01。
图6 翻板机构AMEsim液压控制回路模型
单一的多体动力学软件分析无法真实反映机构的实际工作状态。本文采用RecurDyn与AMEsim联合仿真方式分析钻具翻板机构的翻入动作，由AMEsim输入液压缸轴向力，再由RecurDyn反馈活塞杆的行程位移及速度。
RecurDyn与AMEsim通过FMI（Functional Mock-up Interface）标准进行联合仿真。FMI是一种工具或者独立的标准，通过利用 xml 文件和编译好的 C 代码程序，提供动态模型的数据交换和联合仿
在AMEsim中创建FMI类型的接口功能块，设置3处数据输出端口F1、F2、F3，分别对应RecurDyn模型中的3处轴向力，以及6处数据输入端口D1、V1、D2、V2、D3、V3，分别对应RecurDyn模型中液压缸与活塞杆间的相对位移以及相对速率。
在完成编译后利用C++编译器生成FMU文件。
在RecurDyn中添加3处数据输入端口与6处数据输出端口。其中，轴向力函数设为GPIN（1），对应数据输入端口，表示从AMEsim输入值。由于RecurDyn与AMEsim软件默认的单位制差异，数据输出端口函数取0.001倍值。
FMI版本设置为2.0，再导入FMU文件构建联合仿真环境后进行联合仿真计算。
本文为HCW-90型全液压自动猫道钻具翻板机构在AMEsim中调定了3组控制信号，信号曲线为线性曲线，信号值为翻入活塞杆的设定位移行程函数。
分析钻具翻入V型槽的过程可知，为实现钻具入V型槽即可自行稳定，钻具翻板机构需尽可能地降低钻具滚入V型槽前的动能，通过调整钻具翻板机构的动作增加碰撞、沿程损失可以起到减速的效果。
阶段1：时间0~8 s，信号值0~0.042；阶段2：时间8~8.5 s，信号值0.042~0.042；阶段3：时间8.5~9.5 s，信号值0.042~-0.03；阶段4：时间9.5~20 s，信号值-0.03~-0.03。
仿真时长20 s，计算步数2000，计算结果如图
该信号控制翻板抬升钻杆越过档销，钻杆继续沿翻板滚动，同时翻板外侧快速下行，至其内侧上翘一定高度，钻杆脱离翻板后于猫道平台面滚动一定距离，再沿翻板斜面滚动，钻杆在脱离翻板后与猫道发生碰撞，滚入V型槽中后逐渐稳定。
根据
图7 信号1液压缸推力
图8 信号1活塞杆位移行程
图9 信号1钻杆绕空间x、y、z轴翻转速率
图10 信号1钻杆与翻板间接触力
图11 信号1钻杆与猫道平台间接触力
图12 信号1钻杆与质心运动迹线
阶段1：时间0~9 s，信号值0~0.043；阶段2：时间9~9.5 s，信号值0.043~0；阶段3：时间9.5~20 s，信号值0~0。
仿真时长20 s，计算步数2000，计算结果如图
该信号首先控制翻板抬升钻杆，在钻杆翻越档销时，翻板的右端快速下行，钻杆翻过档销后与翻板产生较大的碰撞，在钻杆沿翻板滚至猫道平台后，钻杆基本沿水平方向滚入V型槽中，并最终稳定。
根据
图13 信号2液压缸推力
图14 信号2活塞杆位移行程
图15 信号2钻杆绕空间x、y、z轴翻转速率
图16 信号2钻杆与翻板间接触力
图17 信号2钻杆与猫道平台间接触力
图18 信号2钻杆与质心运动迹线
阶段1：时间0~9 s，信号值0~0.043；阶段2：时间9~9.3 s，信号值0.043~0.04；阶段3：时间9.3~10.3 s，信号值0.04~-0.05；阶段4：时间10.3~10.8 s，信号值-0.05~0；阶段5：时间10.8~18.3 s，信号值0~0。
仿真时长18.3 s，计算步数1830，计算结果如图
该信号控制钻具翻板机构抬升钻杆越过档销，钻杆沿翻板滚入猫道平台面，与此同时，翻入活塞杆快速下行至翻板左端上翘，钻杆再次沿翻板上行的同时翻板复位，钻杆回落猫道平台后缓缓滚入V型槽中并最终稳定。
根据
图19 信号3液压缸推力
图20 信号3活塞杆位移行程
图21 信号3钻杆绕空间x、y、z轴翻转速率
图22 信号3钻杆与翻板间接触力
图23 信号3钻杆与猫道平台间接触力
图24 信号3钻杆与质心运动迹线
由于电液比例阀价格高昂，为降低使用成本，翻板机构液压控制系统设计采用一片电液比例阀辅以分流阀控制，其余设置不变，Amesim模型如
HCW-90型全液压自动猫道的翻板机构实际采用一片电液比例阀与分流阀控制，其中，流量通过1：2分流阀分为1/3与2/3流量，2/3流量再经过1：1分流阀分为两路。根据以上结果可知，通过分流阀与电液比例阀控制翻板机构存在明显的同步性差异。
翻板机构的同步性情况如
图25 成本优化型液压控制系统
图26 成本优化型活塞杆位移行程
图27 成本优化型钻杆质心运动轨迹
本文基于RecurDyn和Amesim软件对HCW-90型全液压自动猫道钻具翻板机构进行了仿真分析，模拟了将Ø127 mm钻杆翻入V型槽的过程，采用联合仿真分析的方法能够准确地反映翻板机构机械传动系统、液压控制系统以及电控信号之间的耦合关系，具有技术上的先进性。
为翻板机构获得良好的运移和定位特性，钻具在进入V型槽前应尽量减小其动能，具体措施包括采用平滑过渡的控制信号延长翻板液压缸运动时间、优化运动轨迹以及控制液压控制回路压力变化等。本文基于上述措施的综合影响因素提出三种控制信号。图
此外，各缸分别采用独立的电液比例阀进行控制，导致研制成本高昂，本文亦提出针对一侧三组翻板机构液压缸仅采用一片电液比例阀操纵、辅以分流阀进行同步控制的方案，经联合仿真分析，采用该方案时翻板机构的同步性与控制精度将有所降低，但依旧能满足翻转功能的需求。
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