小型陸地鉆機(jī)新型鉆具排放機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案

馬小石，張成功

（1.西南石油大學(xué)，四川成都610500；2.中國(guó)石化勝利石油管理局勝利采油廠，山東東營(yíng)257051）

小型陸地鉆機(jī)新型鉆具排放機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案

馬小石*1，張成功2

（1.西南石油大學(xué)，四川成都610500；2.中國(guó)石化勝利石油管理局勝利采油廠，山東東營(yíng)257051）

鉆具排放機(jī)械臂是鉆機(jī)自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備，過(guò)去主要集中在海洋鉆機(jī)和大型陸地鉆機(jī)上進(jìn)行研究與應(yīng)用，而在陸地小型鉆機(jī)上所做的研究工作很少。在研究以往鉆具排放設(shè)備基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論和UG三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)了一種可用于陸地小型鉆機(jī)的鉆具排放機(jī)械臂，并應(yīng)用動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS和有限元分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度分析，保證機(jī)械臂的安全穩(wěn)定工作。機(jī)械臂主要由四連桿結(jié)構(gòu)的臂架、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及末端的機(jī)械手組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，用鉆臺(tái)氣動(dòng)絞車(chē)即可吊起，安裝拆卸方便。機(jī)械臂配合鉆臺(tái)起吊設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)鉆臺(tái)立根的排放、接方鉆桿、完鉆甩單根等作業(yè)，通過(guò)更換手爪，還可進(jìn)行下套管作業(yè)。

小型；自動(dòng)化；機(jī)械臂；UG；ADAMS；ANSYS

鉆臺(tái)管具的機(jī)械化處理是鉆機(jī)自動(dòng)化的重要組成部分［1］，隨著鉆機(jī)自動(dòng)化的發(fā)展，近年來(lái)國(guó)內(nèi)也陸續(xù)出現(xiàn)了多種鉆臺(tái)管具的機(jī)械化處理設(shè)備，并推廣應(yīng)用取得了良好的效果。如四川宏華石油設(shè)備有限公司的PRM-100型排管裝置［2］；李進(jìn)付等人設(shè)計(jì)的鉆臺(tái)自動(dòng)化機(jī)械手裝置［3］；以及白丙建等人研制的TJG93/4-10二層臺(tái)自動(dòng)井架工［4］等。這些鉆具排放設(shè)備主要都是針對(duì)環(huán)境比較惡劣的海洋鉆井平臺(tái)或是鉆臺(tái)空間比較大的陸地鉆機(jī)而開(kāi)發(fā)的，而對(duì)于小型陸地鉆機(jī)，以往的排放設(shè)備由于體積及結(jié)構(gòu)等原因并不適用。國(guó)內(nèi)小型陸地鉆機(jī)種類(lèi)多、數(shù)量大，如寶雞石油機(jī)械公司生產(chǎn)的ZJ30/1700和ZJ20/1350ZDB鉆機(jī)，勝利油田在用的F-320鉆機(jī)，以及在大慶-Ⅱ型鉆機(jī)等，都需要裝備鉆具排放機(jī)械臂來(lái)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)化。和國(guó)磊等人針對(duì)可抬頭式全液壓鉆機(jī)設(shè)計(jì)了一種BG型鉆桿排放機(jī)械手設(shè)備［5］，能夠很好的配合全液壓車(chē)載鉆機(jī)進(jìn)行鉆桿排放作業(yè)，為在小型鉆機(jī)上開(kāi)發(fā)鉆具排放機(jī)械臂提供了借鑒。為適應(yīng)小陸地式鉆機(jī)鉆具排放自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的需要，采用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論和UG三維設(shè)計(jì)軟件，以大慶-Ⅱ鉆機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種新型的陸地鉆機(jī)鉆具排放機(jī)械臂機(jī)構(gòu)。

1　機(jī)械臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1整體結(jié)構(gòu)及鉆臺(tái)布局

機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)由底座、回轉(zhuǎn)支承、大臂、前伸臂、連桿、變幅液壓缸、末端機(jī)械手等機(jī)構(gòu)組成。底座采用4顆M24的螺栓與螺母固定在鉆臺(tái)面上，機(jī)械臂上方連接軸處裝有起吊環(huán)，用于機(jī)械臂的吊裝。底座旁裝有液壓油泵，為整個(gè)裝置的液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。變幅液壓缸可以帶動(dòng)前伸臂向前伸出或向后縮回，回轉(zhuǎn)大齒輪在液壓馬達(dá)的帶動(dòng)下可以進(jìn)行360°的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)不同方向的作業(yè)要求。末端機(jī)械手處的液壓缸可以控制機(jī)械手的開(kāi)合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆具的夾持和松開(kāi)。圖1是機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。

分析機(jī)械臂處的四連桿機(jī)構(gòu)，由自由度公式F=3n-2pl-ph可知，此四連桿含有3個(gè)可自由運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件前臂、后臂及上方的擺空連桿，并含有4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，無(wú)高副，故此四連桿機(jī)構(gòu)的自由度為1，因此，只需添加一個(gè)原動(dòng)件就可使此四連桿機(jī)構(gòu)在平面內(nèi)有確定的運(yùn)動(dòng)［6-7］。

1.2工作流程

以起鉆時(shí)鉆桿從井口移送至排放架為例，來(lái)對(duì)機(jī)械臂的工作原理進(jìn)行說(shuō)明。起鉆時(shí)，游車(chē)通過(guò)吊卡將一柱鉆桿提出井口，將卡瓦坐好并卸扣以后，機(jī)械臂向前伸至井口位置后，末端機(jī)械手夾持立柱。待末端機(jī)械手夾持立柱后，機(jī)械臂反方向縮回。此時(shí)，液壓馬達(dá)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)至排放架方向，機(jī)械臂再次伸出至排放架位置，末端機(jī)械手松開(kāi)，立柱即可被放置于指定位置。至此，排放一根立柱的操作過(guò)程結(jié)束，機(jī)械臂再次伸至井口，重復(fù)以上動(dòng)作，即可完成起鉆時(shí)鉆桿的排放作業(yè)。依此類(lèi)推，同樣可以完成下鉆作業(yè)。

1.3主要技術(shù)參數(shù)

機(jī)械臂高度：2.6m；

底座面積：0.25m2；

適用的鉆具直徑范圍：60.3～177.8mm；

機(jī)械臂向前設(shè)計(jì)最大推力：4000N；

機(jī)械臂完全伸展后水平延伸距離：3m；

設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)最大扭矩：4kN·m。

1.4機(jī)械臂主要特點(diǎn)

（1）此機(jī)械臂由于采用了鉸鏈四連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)副都為轉(zhuǎn)動(dòng)副，承受壓力小，不易磨損。

（2）組成機(jī)構(gòu)多為桿，造型簡(jiǎn)單，易于后期加工獲得較高的精度。

（3）占據(jù)平臺(tái)空間小，不會(huì)妨礙其他作業(yè)。

（4）由于體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，使得它安裝拆卸比較方便，整個(gè)裝置只需4個(gè)地腳螺栓就可固定在鉆臺(tái)面上，方便井隊(duì)吊裝和搬運(yùn)。

圖1　機(jī)械臂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)圖

2　機(jī)械臂強(qiáng)度分析

鉆具排放機(jī)械臂在工作中除需要達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的動(dòng)作外，還需要保證裝置在工作中滿足強(qiáng)度要求。本小節(jié)將在前面對(duì)機(jī)械臂關(guān)鍵零部件強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)ADAMS軟件計(jì)算各鉸鏈孔的受力情況，并運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS，分析它們?cè)陟o力學(xué)狀態(tài)下的應(yīng)力狀況，以保證機(jī)械臂在工作過(guò)程中的安全穩(wěn)定性。

將機(jī)械臂模型導(dǎo)入ADAMS中建立的動(dòng)力分析模型及并進(jìn)行模型檢驗(yàn)，為保證機(jī)械臂安全工作，以機(jī)械臂從最大工作行程3m處拉取7″鉆鋌立柱為例進(jìn)行分析。機(jī)械臂水平拉取鉆具3m，立柱長(zhǎng)按28.5m計(jì)算，7″鉆鋌米重為163kg/m，可知機(jī)械手處所需拉力為4890N，將此拉力加至機(jī)械手處，模擬時(shí)間為8s，由軟件計(jì)算處各零件處所受的支反力，根據(jù)支反力的大小可進(jìn)行模型的有限元強(qiáng)度校核。

2.1前臂強(qiáng)度分析

在adams軟件中將前臂受力情況輸出，可知前臂3個(gè)鉸鏈孔處的最大受力分別為16146N、4584N、18207N，將前臂模型導(dǎo)入ansys軟件中并施加約束載荷，即可得到前伸臂的應(yīng)力變化情況。

前臂材質(zhì)選取20#鋼，其屈服極限為245MPa，由ansys分析結(jié)果可知，前臂工作時(shí)的各部分應(yīng)力都較小，前臂上最大應(yīng)力為32.5MPa，遠(yuǎn)小于材質(zhì)的屈服極限，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有較大的余量，因此，后臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是安全的。

2.2后臂強(qiáng)度分析

在adams軟件中將后臂受力情況輸出，可知前臂3個(gè)鉸鏈孔處的最大受力分別為8136N、18349N、16146N，將后臂模型導(dǎo)入ansys軟件中并施加約束載荷，得到后臂的應(yīng)力變化情況如。

后臂材質(zhì)選取20#鋼，其屈服極限為245MPa，由ansys分析結(jié)果可知，后臂工作時(shí)的各部分應(yīng)力都較小，后臂上最大應(yīng)力為93.6MPa，遠(yuǎn)小于材質(zhì)的屈服極限，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有較大的余量，因此，后臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是安全的。

2.3機(jī)械手強(qiáng)度分析

由對(duì)末端機(jī)械手的受力分析可知，機(jī)械臂工作時(shí)作用在機(jī)械手指上的最大壓力為將鉆具拉至最遠(yuǎn)處3m時(shí)正向壓在手指末端時(shí)產(chǎn)生，大小為4350N，將此載荷施加于模型上得到機(jī)械手應(yīng)力變化情況。

機(jī)械手指材質(zhì)選取20#鋼，其屈服極限為245MPa，由圖19可知，機(jī)械手工作時(shí)的各部分應(yīng)力都較小，最大應(yīng)力出現(xiàn)在手指端部，為80MPa，遠(yuǎn)小于材質(zhì)的屈服極限，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有較大的余量，因此，機(jī)械手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是安全的。

3　結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了適用于小型陸地鉆機(jī)的鉆具排放機(jī)械臂，配合起吊設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)起下鉆時(shí)立根的排放，鉆進(jìn)時(shí)接單根，完鉆甩鉆桿等作業(yè)。

（2）機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，體積小，機(jī)械臂工作時(shí)的最小回轉(zhuǎn)半徑只有300mm，質(zhì)量輕，整個(gè)裝置重量不到1噸，用鉆臺(tái)氣動(dòng)絞車(chē)即可吊起，安裝拆卸便捷。

（3）機(jī)械臂的強(qiáng)度分析結(jié)果表明，機(jī)械臂在工作時(shí)，主要零部件的應(yīng)力變化都遠(yuǎn)小于材質(zhì)的屈服極限，安全可靠，可以滿足工作需求。

［1］M.D.Dunn，P.Archey，E.A.Opstad，etc，Design，Specification，and. Construction of a Light，Automated Drilling System（LADS）［R］. SPE 74451，2002

［2］朱吉良.鉆桿自動(dòng)傳送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

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A

1004-5716（2016）03-0064-03

2015-03-20

2015-03-20

馬小石（1983-），男（回族），山東東營(yíng)人，西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：石油鉆井工程機(jī)械。