一种连续管钻机注入头恒定载荷夹持装置及其设计方法与流程

本发明属于机械装置夹持领域，尤其涉及一种连续管钻机注入头恒定载荷夹持装置及其设计方法。

背景技术：

1、注入头主要由机架、液压马达、计数齿轮、连续管卡瓦、牵引链条、张紧装置、压紧装置、惰轮、载荷传感器等部件组成。机架的主要功能是安装固定注入头上的链轮、液压马达、压紧装置等附件；液压马达为驱动链条及连续管输送提供动力来源；张紧装置和压紧装置主要起张紧链条和驱使卡瓦抱紧连续管的作用；计数齿轮用于测量连续管的下入长度；载荷传感器主要起测量钻压的作用。通常，链条外侧的卡瓦内径与连续管外径相匹配，用于夹持连续管并随驱动链条一起拖动连续管做上、下移动。

2、国外在连续管装备上发展较早，技术水平较成熟和先进。国外生产连续管注入头的公司主要有nov hydra rig公司，双s(stewart&stevenson)公司、asep公司等，双s公司的d系列注入头拥有特殊设计的“浮式”张紧系统，自动张紧，可实现超低速度，所适用连续管尺寸从直径25.4mm(1英寸)达到直径114.3mm(4.5英寸)，asep公司研发的363kn四驱k-coilquad-head80h型注入头体积只有同类产品体积的一半，该注入头采用四链条驱动式设计，能增大注入头提升力并大幅度降低注入头夹痕对连续管的伤害。

3、但是，传统采用液压缸为注入头实现夹持功能的方案结构复杂，且要求注入头对油缸实施额外的控制才能确保连续管被稳定地夹持，作业过程中存在一定失效的风险。

技术实现思路

1、本申请实施例的目的在于提供一种连续管钻机注入头恒定载荷夹持装置及其设计方法，旨在解决传统采用液压缸为注入头实现夹持功能的方案结构复杂，且要求注入头对油缸实施额外的控制才能确保连续管被稳定地夹持，作业过程中存在一定失效的风险。

2、本申请实施例是这样实现的，一种连续管钻机注入头恒定载荷夹持装置，所述装置包括：

3、薄片-索结构，所述薄片-索结构的两端连接有第一连接件和第二连接件；

4、所述薄片-索结构中对称设置第一薄片和第二薄片，所述第一薄片和所述第二薄片平行设置，所述第一薄片和所述第二薄片之间设置有一根索，所述第一薄片的一端，所述第二薄片的一端以及所述索的一端都固定在所述第一连接件的第一固定位置，所述第一薄片的另一端，所述第二薄片的另一端以及所述索的另一端都固定在所述第二连接件的第二固定位置。

5、本申请实施例的另一目的在于一种连续管钻机注入头恒定载荷夹持装置设计方法，所述方法包括以下步骤：

6、建立夹持装置的动力学模型；

7、基于所述动力学模型得到所述动力学模型的广义坐标向量，以及所述模型的总动能和总势能；

8、计算广义坐标向量的广义力，通过拉格朗日乘子和约束条件对广义坐标向量的梯度，得到约束条件贡献广义力；

9、基于所述广义力，所述约束条件贡献广义力，以及所述广义坐标向量的约束条件，得到所述模型的动力学方程组；

10、引入记号，将所述动力学方程组写成一般形式的微分代数方程；

11、根据向后差分法，对所述微分代数方程进行迭代求解，得到夹持装置的运动轨迹和变形状态信息。

12、本申请实施例提供的一种连续管钻机注入头恒定载荷夹持装置，采用参数化精确描述的动力学模型时域仿真评估装置的性能指标，并结合信赖域约束算法实现装置的动力学设计，使得该装置具有优秀的动态性能，且符合注入头总体设计要求。通过简单的“薄片-索”结构实现可靠的恒力夹持，避免连续管因载荷过大而损坏。此外，由于该装置具有高静低动的特性，可起到隔振效果，以提高注入头的使用寿命。

技术特征：

1.一种连续管钻机注入头恒定载荷夹持装置，其特征在于，所述装置包括：

2.根据权利要求1所述的一种连续管钻机注入头恒定载荷夹持装置，其特征在于，所述第一连接件和第二连接件平行设置，多组所述薄片-索结构相互平行安装在所述第一连接件和第二连接件之间，所述薄片-索结构分别与所述第一连接件和第二连接件垂直。

3.根据权利要求1所述的一种连续管钻机注入头恒定载荷夹持装置，其特征在于，所述第一薄片和第二薄片初始处于屈曲状态，所述索仅承受拉应力。

4.一种连续管钻机注入头恒定载荷夹持装置设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种连续管钻机注入头恒定载荷夹持装置设计方法，其特征在于，所述夹持装置的动力学模型具体为：

6.根据权利要求4所述的一种连续管钻机注入头恒定载荷夹持装置设计方法，其特征在于，所述夹持装置的动力学模型的设计参数包括：

7.根据权利要求4所述的一种连续管钻机注入头恒定载荷夹持装置设计方法，其特征在于，所述微分代数方程进行迭代求解的步骤包括：

8.根据权利要求4所述的一种连续管钻机注入头恒定载荷夹持装置设计方法，其特征在于，所述设计参数的目标函数如下：

9.根据权利要求2所述的一种连续管钻机注入头恒定载荷夹持装置，其特征在于，所述夹持装置为双层并联安装。

技术总结
本发明适用于机械装置夹持领域，一种连续管钻机注入头恒定载荷夹持装置，其特征在于，所述装置包括：薄片‑索结构，所述薄片‑索结构的两端连接有第一连接件和第二连接件；所述薄片‑索结构中对称设置第一薄片和第二薄片，所述第一薄片和所述第二薄片平行设置，所述第一薄片和所述第二薄片之间设置有一根索，所述第一薄片的一端，所述第二薄片的一端以及所述索的一端都固定在所述第一连接件的第一固定位置，所述第一薄片的另一端，所述第二薄片的另一端以及所述索的另一端都固定在所述第二连接件的第二固定位置；薄片‑索结构使得夹持装置同时具备高静低动的特性，具备较好的隔振特性。

技术研发人员：陈家琦,石岩峰,曹小明
受保护的技术使用者：北京国钻技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19