石油鉆機(jī)管具運(yùn)移裝置自適應(yīng)機(jī)械手設(shè)計(jì)研究

王 琛 董方杰

勝利油田利豐石油設(shè)備制造有限公司（257000）

海洋鉆井平臺(tái)很早以前就開始采用鉆桿排放裝置，但由于嚴(yán)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(duì)這種現(xiàn)象，很多國(guó)家開始研發(fā)自動(dòng)化機(jī)械裝置，利用自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備代替手動(dòng)操作，從而實(shí)現(xiàn)人與鉆桿分離，鉆桿自動(dòng)發(fā)射。 除了鉆孔操作之外，還可以通過遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)變速器和鉆桿自動(dòng)排放等操作節(jié)省大量鉆孔時(shí)間。

1 排管機(jī)夾持機(jī)械手概況

國(guó)外有一種自動(dòng)化程度很高的鉆機(jī)，采用了一種可以將平臺(tái)下的鉆桿直接輸送到井口的裝置，這種裝置使用了機(jī)械手。鉆井平臺(tái)上的鉆桿垂直排水系統(tǒng)使用DEU 技術(shù)， 機(jī)械手采用液壓驅(qū)動(dòng)方式作業(yè)。 機(jī)械手由分布在四個(gè)位置、結(jié)構(gòu)相同的夾緊臂組成，通過四個(gè)夾緊臂保持穩(wěn)定的夾持作業(yè)。

目前，大部分鉆井平臺(tái)采用立桿連接方式鉆井，鉆桿布置在平臺(tái)根部箱上方，排管機(jī)械手的規(guī)模相對(duì)較小。如圖1 所示的Iron Derrickman 排管機(jī)夾持機(jī)械手，其組成結(jié)構(gòu)比較小，可以很容易地從排管機(jī)的底箱中取出目標(biāo)立桿，最多可容納5.443 公斤的鉆桿。

圖1 Iron Derrickman 排管機(jī)夾持機(jī)械手

2 夾持機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求

2.1 工程概況

本工程采用排管機(jī)械手，旨在為萬米大陸科學(xué)鉆探工程提供設(shè)備，科學(xué)鉆探工藝采用上驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)與轉(zhuǎn)臺(tái)交替的工藝，鉆探工藝采用連接立桿工藝，立桿存儲(chǔ)在立桿箱中，需要排管機(jī)垂直排出的桿和鉆孔柱較多。 因此，機(jī)械手必須經(jīng)常進(jìn)行夾持作業(yè)，以滿足萬米大陸科學(xué)鉆探的管道器具處理要求。

文章采用的是SPKZ-1 型鉆機(jī)的三維模型，兩層鉆機(jī)的指梁框架之間的間距很小。 當(dāng)所有的直立桿放置在指梁框架中時(shí)，直立桿被垂直排出(傳統(tǒng)的手動(dòng)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(biāo)直立桿，排管機(jī)的操縱器必須結(jié)構(gòu)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(shí)需要頂驅(qū)和后夾的配合，動(dòng)作多，消耗的時(shí)間也很多。 因此，在本設(shè)計(jì)方案中，也要將排管機(jī)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)自由度考慮進(jìn)來，只有這樣才可以與鐵鉆工配合完成立桿動(dòng)作。

2.2 機(jī)械手設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)和需要滿足的要求

①工作環(huán)境惡劣，通常是在野外，有強(qiáng)風(fēng)；②機(jī)械手結(jié)構(gòu)小巧，可以便捷地安裝在排管機(jī)上；③設(shè)備的鉆桿重且長(zhǎng)；④工作條件惡劣，鉆桿被泥漿和油覆蓋，這進(jìn)一步增加了鉆桿的重量和表面平滑程度；⑤機(jī)械手必須能夠夾持萬米科學(xué)鉆探項(xiàng)目中使用的所有鉆桿和鉆頭；⑥為配合鐵鉆工的運(yùn)動(dòng)需求，需要采用自由旋轉(zhuǎn)工藝；⑦由于鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)是全自動(dòng)裝置，要求機(jī)械手動(dòng)作準(zhǔn)確、反應(yīng)靈敏。 從以上情況可以看出，這種鉆桿夾具對(duì)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求比普通夾具更高，鉆桿夾緊鉗的研制是實(shí)現(xiàn)鉆桿排放全自動(dòng)化的關(guān)鍵一步。

2.3 排管機(jī)機(jī)械手具有的優(yōu)勢(shì)

①結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)合理，能夠完成基本的夾緊和站立動(dòng)作；②夾桿動(dòng)作穩(wěn)定，對(duì)桿的損傷小；③夾緊架的轉(zhuǎn)動(dòng)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(tǒng)各部分連接準(zhǔn)確，機(jī)具匹配度高；⑤系統(tǒng)部件易于拆卸和更換；⑥通過壓力傳感器和感應(yīng)式接近開關(guān)，壓力液控可以自動(dòng)判斷機(jī)械手和鉆桿的相對(duì)位置，自動(dòng)控制夾緊動(dòng)作。

在機(jī)械手的設(shè)計(jì)過程中，除了上述設(shè)計(jì)難點(diǎn)以外，還必須考慮將機(jī)械手作為一個(gè)部件安裝在排管機(jī)上，機(jī)械手的設(shè)計(jì)也取決于排管的功能設(shè)計(jì)。 機(jī)械手的參數(shù)選擇還應(yīng)考慮輔助操作中排管的工藝過程。

3 排管機(jī)夾持機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案

3.1 排管機(jī)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

①操縱器和排管系統(tǒng)各部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)位置；②機(jī)械手的外形尺寸、長(zhǎng)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(xié)調(diào)和相關(guān)位置尺寸。 如兩層平臺(tái)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(jī)夾持機(jī)械手的設(shè)計(jì)

采用橢圓活塞氣缸，使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)更小。 當(dāng)活塞桿向前移動(dòng)的時(shí)候，兩個(gè)夾爪的下端沿凸輪桿的弧面移動(dòng)，使夾爪鎖定。 在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中，當(dāng)液壓缸的活塞桿返回時(shí)，兩個(gè)夾爪不能打開。 為了連接鉗口，有兩種設(shè)計(jì)方法:一種是在夾爪之間設(shè)置一個(gè)彈簧，這樣兩個(gè)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(shí)起作用；另一種是設(shè)計(jì)兩個(gè)連接板，分別連接夾爪和凸輪桿。 如果設(shè)置彈簧，則在夾緊大型鉆柱并使其立于基礎(chǔ)上時(shí)，會(huì)經(jīng)常使用夾緊動(dòng)作，并且容易引起彈簧疲勞；如果彈簧損壞了，那就更危險(xiǎn)了；如果為彈簧提供保護(hù)套，機(jī)械手的整體尺寸將會(huì)增加。 如果設(shè)置連接板，連接板太薄不能提供足夠的回復(fù)力，太厚將增加機(jī)械手的整體尺寸。 此外，夾爪上的滾輪安裝方法會(huì)降低夾爪上滾輪安裝位置的強(qiáng)度。

3.3 排管機(jī)夾緊機(jī)械手零件的布置

機(jī)械手三個(gè)夾緊位置的軸上分別安裝有軸套，使機(jī)械手具有轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，并能配合鐵鉆工的動(dòng)作。 應(yīng)對(duì)軸套表面進(jìn)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(jìn)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(dǎo)致鉆桿在夾緊過程中掉落， 甚至導(dǎo)致事故，尤其是在鉆柱旋轉(zhuǎn)過程中。 因此，應(yīng)提出增加摩擦力的處理方法。

鐵鉆工具有多種動(dòng)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?shù)难b卸、鉆桿的投擲、井下工具的移動(dòng)等功能。 為了使排管機(jī)與鐵鉆工配合進(jìn)行連接和斷開鉆桿的操作，這種設(shè)計(jì)增加了機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)自由度。彈性墊片、鉗子或滾輪通常用在機(jī)械手的夾具中，以提供機(jī)械手夾持鉆桿所需的閥座擦拭力。 為了提供旋轉(zhuǎn)自由度，機(jī)械手的夾持器有兩種設(shè)計(jì)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(dāng)使用滾子和軸承座時(shí)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速較高，而當(dāng)在鐵鉆工中進(jìn)行旋擰或擰下時(shí)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為80 r/min (吉林大學(xué)建筑工程研究所設(shè)計(jì)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(jī)械手的工作過程

排管機(jī)配有兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的機(jī)械手， 同步夾緊。 機(jī)械手有兩個(gè)夾爪與一個(gè)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(gè)夾爪通過兩個(gè)相同的連接板連接，油缸的活塞桿向外伸出，帶動(dòng)兩個(gè)夾爪和定位塊， 使三個(gè)夾塊徑向向內(nèi)移動(dòng)相同的距離，夾緊立桿時(shí)具有較好的定心。 并且這部分的夾緊塊是固定在兩個(gè)夾爪和定位塊的軸上的滾花軸套，這樣在夾緊立桿時(shí)可以保持旋轉(zhuǎn)自由度，從而與鐵鉆工配合完成立桿的連接和斷開動(dòng)作。 該系統(tǒng)采用負(fù)載敏感型的液壓系統(tǒng)，可根據(jù)立桿的重量來自動(dòng)調(diào)節(jié)夾緊力，避免夾緊力過大對(duì)鉆桿表面造成的損壞。

4 結(jié)語

排管機(jī)夾持機(jī)械手可以提高工作效率，減少工作耗時(shí)。 但由于排管機(jī)夾緊機(jī)械手的工作頻率高，易疲勞損壞，夾具應(yīng)可快速更換；如果夾緊力過大，鉆桿表面會(huì)磨損。 如果這些問題得不到解決，將無法充分發(fā)揮排管機(jī)的優(yōu)勢(shì)，甚至使鉆桿在夾緊狀態(tài)下產(chǎn)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(shè)計(jì)方案來增加摩擦力并減少鉆桿的磨損，從而將排管機(jī)的性能發(fā)揮到最大。