石油鉆機管具運移裝置自適應機械手設計研究

王 琛 董方杰

勝利油田利豐石油設備制造有限公司（257000）

海洋鉆井平臺很早以前就開始采用鉆桿排放裝置，但由于嚴重的波浪、惡劣的工作條件、安全問題和高昂的鉆井成本，因此目前研究定位都放在加快施工鉆井速度和縮短鉆井周期方面。針對這種現象，很多國家開始研發自動化機械裝置，利用自動化機械設備代替手動操作，從而實現人與鉆桿分離，鉆桿自動發射。 除了鉆孔操作之外，還可以通過遠程控制、自動變速器和鉆桿自動排放等操作節省大量鉆孔時間。

1 排管機夾持機械手概況

國外有一種自動化程度很高的鉆機，采用了一種可以將平臺下的鉆桿直接輸送到井口的裝置，這種裝置使用了機械手。鉆井平臺上的鉆桿垂直排水系統使用DEU 技術， 機械手采用液壓驅動方式作業。 機械手由分布在四個位置、結構相同的夾緊臂組成，通過四個夾緊臂保持穩定的夾持作業。

目前，大部分鉆井平臺采用立桿連接方式鉆井，鉆桿布置在平臺根部箱上方，排管機械手的規模相對較小。如圖1 所示的Iron Derrickman 排管機夾持機械手，其組成結構比較小，可以很容易地從排管機的底箱中取出目標立桿，最多可容納5.443 公斤的鉆桿。

圖1 Iron Derrickman 排管機夾持機械手

2 夾持機械手的設計要求

2.1 工程概況

本工程采用排管機械手，旨在為萬米大陸科學鉆探工程提供設備，科學鉆探工藝采用上驅動鉆機與轉臺交替的工藝，鉆探工藝采用連接立桿工藝，立桿存儲在立桿箱中，需要排管機垂直排出的桿和鉆孔柱較多。 因此，機械手必須經常進行夾持作業，以滿足萬米大陸科學鉆探的管道器具處理要求。

文章采用的是SPKZ-1 型鉆機的三維模型，兩層鉆機的指梁框架之間的間距很小。 當所有的直立桿放置在指梁框架中時，直立桿被垂直排出(傳統的手動排出是直立桿的傾斜排出)，直立桿與直立桿之間的間距很小。 為了從直立桿簇中夾緊和取出目標直立桿，排管機的操縱器必須結構緊湊，并且不能干擾其它直立桿。 另外，目前鐵鉆工在連接立桿時需要頂驅和后夾的配合，動作多，消耗的時間也很多。 因此，在本設計方案中，也要將排管機機械手的旋轉自由度考慮進來，只有這樣才可以與鐵鉆工配合完成立桿動作。

2.2 機械手設計的主要難點和需要滿足的要求

①工作環境惡劣，通常是在野外，有強風；②機械手結構小巧，可以便捷地安裝在排管機上；③設備的鉆桿重且長；④工作條件惡劣，鉆桿被泥漿和油覆蓋，這進一步增加了鉆桿的重量和表面平滑程度；⑤機械手必須能夠夾持萬米科學鉆探項目中使用的所有鉆桿和鉆頭；⑥為配合鐵鉆工的運動需求，需要采用自由旋轉工藝；⑦由于鉆桿自動排放系統是全自動裝置，要求機械手動作準確、反應靈敏。 從以上情況可以看出，這種鉆桿夾具對強度和穩定性的要求比普通夾具更高，鉆桿夾緊鉗的研制是實現鉆桿排放全自動化的關鍵一步。

2.3 排管機機械手具有的優勢

①結構設計相對合理，能夠完成基本的夾緊和站立動作；②夾桿動作穩定，對桿的損傷小；③夾緊架的轉動自由度較高，可與鐵鉆工配合完成連接和斷開支架操作；④系統各部分連接準確，機具匹配度高；⑤系統部件易于拆卸和更換；⑥通過壓力傳感器和感應式接近開關，壓力液控可以自動判斷機械手和鉆桿的相對位置，自動控制夾緊動作。

在機械手的設計過程中，除了上述設計難點以外，還必須考慮將機械手作為一個部件安裝在排管機上，機械手的設計也取決于排管的功能設計。 機械手的參數選擇還應考慮輔助操作中排管的工藝過程。

3 排管機夾持機械手的設計方案

3.1 排管機設計注意事項

①操縱器和排管系統各部件之間的相對運動和相對位置；②機械手的外形尺寸、長度、寬度和高度以及各部分的外形尺寸；③所有部件的連接、協調和相關位置尺寸。 如兩層平臺指梁和排管架桅桿部分之間的間距以及表面尺寸等。

3.2 排管機夾持機械手的設計

采用橢圓活塞氣缸，使機械手的結構更小。 當活塞桿向前移動的時候，兩個夾爪的下端沿凸輪桿的弧面移動，使夾爪鎖定。 在現有結構中，當液壓缸的活塞桿返回時，兩個夾爪不能打開。 為了連接鉗口，有兩種設計方法:一種是在夾爪之間設置一個彈簧，這樣兩個夾爪下端的滾輪就能始終固定在凸輪桿的弧面上，彈簧主要是在回程時起作用；另一種是設計兩個連接板，分別連接夾爪和凸輪桿。 如果設置彈簧，則在夾緊大型鉆柱并使其立于基礎上時，會經常使用夾緊動作，并且容易引起彈簧疲勞；如果彈簧損壞了，那就更危險了；如果為彈簧提供保護套，機械手的整體尺寸將會增加。 如果設置連接板，連接板太薄不能提供足夠的回復力，太厚將增加機械手的整體尺寸。 此外，夾爪上的滾輪安裝方法會降低夾爪上滾輪安裝位置的強度。

3.3 排管機夾緊機械手零件的布置

機械手三個夾緊位置的軸上分別安裝有軸套，使機械手具有轉動的自由度，并能配合鐵鉆工的動作。 應對軸套表面進行處理，以提高其與鉆柱的摩擦力。 通常，摩擦力可以通過滾花套筒表面來改善。然而，在鉆井過程中，鉆桿被泥漿和油覆蓋，這進一步增加了鉆桿的重量，使表面更加光滑。 摩擦力的減小將導致鉆桿在夾緊過程中掉落， 甚至導致事故，尤其是在鉆柱旋轉過程中。 因此，應提出增加摩擦力的處理方法。

鐵鉆工具有多種動能，并且屬于一種安全高效的鉆具擰緊裝置。 主要完成鉆桿接頭螺紋的裝卸、千斤頂的裝卸、鉆桿的投擲、井下工具的移動等功能。 為了使排管機與鐵鉆工配合進行連接和斷開鉆桿的操作，這種設計增加了機械手的旋轉自由度。彈性墊片、鉗子或滾輪通常用在機械手的夾具中，以提供機械手夾持鉆桿所需的閥座擦拭力。 為了提供旋轉自由度，機械手的夾持器有兩種設計方案，一種是使用滾輪和軸承座，另一種是使用固定軸和軸套的組合。 一般來說，當使用滾子和軸承座時，設計轉速較高，而當在鐵鉆工中進行旋擰或擰下時，設計轉速為80 r/min (吉林大學建筑工程研究所設計的單扣鐵鉆工），因此采用固定軸加軸套的方式來增加摩檫力。

3.4 機械手的工作過程

排管機配有兩個結構相同的機械手， 同步夾緊。 機械手有兩個夾爪與一個定位塊，夾爪和定位塊上分別安裝有夾塊，油缸的活塞桿分別與夾爪和定位塊連接。 定位塊和兩個夾爪通過兩個相同的連接板連接，油缸的活塞桿向外伸出，帶動兩個夾爪和定位塊， 使三個夾塊徑向向內移動相同的距離，夾緊立桿時具有較好的定心。 并且這部分的夾緊塊是固定在兩個夾爪和定位塊的軸上的滾花軸套，這樣在夾緊立桿時可以保持旋轉自由度，從而與鐵鉆工配合完成立桿的連接和斷開動作。 該系統采用負載敏感型的液壓系統，可根據立桿的重量來自動調節夾緊力，避免夾緊力過大對鉆桿表面造成的損壞。

4 結語

排管機夾持機械手可以提高工作效率，減少工作耗時。 但由于排管機夾緊機械手的工作頻率高，易疲勞損壞，夾具應可快速更換；如果夾緊力過大，鉆桿表面會磨損。 如果這些問題得不到解決，將無法充分發揮排管機的優勢，甚至使鉆桿在夾緊狀態下產生更大的磨損和變形，從而影響鉆桿的壽命。因此，可以采用文章的設計方案來增加摩擦力并減少鉆桿的磨損，從而將排管機的性能發揮到最大。