雙折疊臂管柱排放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)研究

◇中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司 安 杰

本文主要介紹了一種典型的雙臂折疊式管柱排放系統(tǒng)，主要包括直線行走機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、折疊臂以及機(jī)械手等結(jié)構(gòu)部分，結(jié)構(gòu)緊湊，折疊臂能夠在較小的回轉(zhuǎn)半徑內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大的末端位移，保證機(jī)械手抓實(shí)現(xiàn)鉆桿在二層臺(tái)（立根排放區(qū)）與井口之間靈活抓取與擺放的功能，適用于陸地鉆井平臺(tái)。

鉆井過程中，鉆桿立根不斷從二層臺(tái)（立根區(qū)）向井口轉(zhuǎn)移接單根，施工者勞動(dòng)強(qiáng)度大，操作風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高。動(dòng)作重復(fù)并且效率低下[1-2]。隨著人們對(duì)鉆井效率和安全作業(yè)意識(shí)的不斷提高，鉆采工人對(duì)裝備的要求日益苛刻，管柱排放系統(tǒng)自動(dòng)化是石油鉆機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。國外美國 NOV公司和挪威的 MH公司的管柱自動(dòng)排放系統(tǒng)相當(dāng)成熟，自動(dòng)化與智能化程度高，基本實(shí)現(xiàn)管柱排放無人化作業(yè)；國內(nèi)石油裝備公司與不少科研機(jī)構(gòu)都有所研究但推廣較慢，其中江蘇誠創(chuàng)、四川宏華、寶石機(jī)械、沈陽新松、煙臺(tái)杰瑞等已具備相當(dāng)實(shí)力，但與國外產(chǎn)品相比功能上仍有差距。因此，研發(fā)自動(dòng)化管柱處理系統(tǒng)，逐步完成石油鉆機(jī)井口機(jī)械化到半自動(dòng)化、自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)模仿到領(lǐng)先國外的跨越發(fā)展，具有重要的意義。

1 總體方案研究

1.1 方案設(shè)計(jì)

鉆機(jī)管排架結(jié)構(gòu)大多為X-Y型（見圖1），二層臺(tái)排管區(qū)域在兩側(cè)矩形指梁范圍內(nèi)，框架中間布置走道與翻轉(zhuǎn)舌臺(tái)，井口中心距離最近的走道邊沿也有相當(dāng)距離。二層臺(tái)機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)鉆桿在立根排放區(qū)或者大小鼠洞之間的靈活抓取與擺放，就必須確保系統(tǒng)能夠整體縱向平移與360°旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手臂展跨距要保證能延伸到指梁根部鉆桿處以及井口中心、大小鼠洞位置。并且，機(jī)械手具有夾持與放松、提升與下放鉆桿等動(dòng)作，各種動(dòng)作相互獨(dú)立。由于鉆桿較長(zhǎng)，通常采用上部夾持下部扶正的雙機(jī)械臂協(xié)同控制，通過指梁上的傳感器對(duì)立根的存放位置與數(shù)量了如指掌，確保控制系統(tǒng)規(guī)劃的鉆桿運(yùn)動(dòng)路徑有效。

圖1 管柱與機(jī)器人布局圖

1.2 工作原理

圖2 管柱機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

雙臂折疊式管柱排放系統(tǒng)主要包括直線行走機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、折疊臂以及機(jī)械手（見圖2），以實(shí)現(xiàn)管柱的夾持、伸縮與旋轉(zhuǎn)功能。管柱排放系統(tǒng)安裝在二層臺(tái)中間走道下方，直線行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人沿中間走道主梁縱向平移，方便機(jī)械手將鉆桿從指梁間輸送到井口中心或者大小鼠洞。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能夠360°旋轉(zhuǎn)，確保機(jī)械手能夠抓取兩側(cè)任意指梁上的鉆桿。折疊臂起推扶機(jī)械手的作用，確保機(jī)械臂在最小的回轉(zhuǎn)半徑最大范圍內(nèi)抓取鉆桿。機(jī)械手的功能是抓取鉆桿，通過傳感器數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)識(shí)別鉆桿的具體位置以及智能尋找井口與鼠洞的位置。

2 關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)研究

2.1 直線行走機(jī)構(gòu)

直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以直接由液缸（氣缸）的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，也可以由齒輪齒條機(jī)構(gòu)或者滾珠絲杠螺母得旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換得來。液缸主要靠調(diào)節(jié)液壓油的流動(dòng)方向與流量來控制運(yùn)動(dòng)方向和速度，變節(jié)流閥憋壓鎖定位置，活塞與缸筒之間配合精密，制造與維修成本較高在沖擊作業(yè)環(huán)境下首先排除。滾珠絲杠傳動(dòng)過程受滾動(dòng)摩擦，響應(yīng)速度快，傳動(dòng)效率較高；但長(zhǎng)距離負(fù)載的直線運(yùn)動(dòng)絲杠可能因強(qiáng)度不夠出現(xiàn)抖動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)彎曲變形甚至斷裂。而齒輪齒條可以在無限長(zhǎng)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)下不影響精度，傳遞動(dòng)力大，壽命長(zhǎng)，工作平穩(wěn)，可靠性高，能保證恒定的傳動(dòng)比，能傳遞任意夾角兩軸間的運(yùn)動(dòng)，因此優(yōu)先選擇齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)直線驅(qū)動(dòng)的功能。由于行走機(jī)構(gòu)安裝在二層臺(tái)走道下方，行走過程不能與走道大梁的連接橫梁干涉，這就決定了齒輪齒條機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置必須倒置。行走機(jī)構(gòu)通過滑塊與直線導(dǎo)軌連接，導(dǎo)軌固定在走道兩側(cè)的大梁，起承載與導(dǎo)向的作用。

2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

通常電機(jī)、氣缸與回轉(zhuǎn)油缸都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。氣缸通常運(yùn)用在負(fù)載小精度要求不高的場(chǎng)合；回轉(zhuǎn)油缸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本過高，本身存在漏油的致命缺點(diǎn)。因此，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)優(yōu)選電機(jī)驅(qū)動(dòng)，配合渦輪蝸桿傳動(dòng)，較高的傳動(dòng)比能把較高的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為較低的轉(zhuǎn)速，并且獲得較大的力矩。更重要的是渦輪蝸桿能夠?qū)崿F(xiàn)反向自鎖，即負(fù)載旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的慣性力不能帶動(dòng)渦輪慣性旋轉(zhuǎn)。減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所引起的轉(zhuǎn)角誤差和對(duì)電動(dòng)馬達(dá)的沖擊，省去類似棘輪的剎車機(jī)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)選型過程中，優(yōu)先選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪渦輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)功能。

2.3 折疊臂

折疊臂采用雙平行四桿機(jī)構(gòu)[3]，文獻(xiàn)中描述雙平行四桿機(jī)構(gòu)通過等比齒輪連接，這樣末端運(yùn)輸軌跡始終在同一水平面上，缺少了夾緊鉆桿后的上提動(dòng)作。可以在該基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，雙平行四邊形通過ABCD固定板連接，動(dòng)力輸出由單電缸控制，兩個(gè)平行四邊形之間的動(dòng)力通過連接桿e傳輸（見圖3)，末端軌跡是弧線，并且可以通過連桿位置與長(zhǎng)度優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)電缸短行程控制機(jī)械手爪的長(zhǎng)跨距，足以伸展到指梁根部的鉆桿，并且通過末端的機(jī)械手爪將鉆桿輸送到井口中心；折疊臂收縮后桿件abcd大致處于豎直狀態(tài)，回轉(zhuǎn)半徑小，旋轉(zhuǎn)過程不與兩側(cè)鉆桿立柱干涉；雙平行四邊形機(jī)夠能保證機(jī)械臂末端兩鉸接點(diǎn)的無相對(duì)滑動(dòng)，保證了安裝的機(jī)械手鉗口不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 單油缸控制折疊臂運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

根據(jù)平面自由度計(jì)算公式[4]

式中F為機(jī)構(gòu)自由度數(shù)；n為活動(dòng)桿件數(shù)；PL為 低副數(shù)量，PH為 高副數(shù)量。n=7，PL=10,PH=0。機(jī)構(gòu)自由度為1，具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可由1個(gè)電缸驅(qū)動(dòng)或者在鉸支座處用電機(jī)給予旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，便可控制末端的運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.4 機(jī)械手

常見的機(jī)械手爪根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可分為平行連桿式、齒輪齒條式、雙齒輪驅(qū)動(dòng)式、斜鍥杠桿式、槽輪滑動(dòng)式。齒輪結(jié)構(gòu)與槽輪滑動(dòng)式相對(duì)復(fù)雜，斜鍥式體積過大適應(yīng)性差，通常選用平行連桿式。此雙平行四邊形為九連桿機(jī)構(gòu)，整個(gè)夾爪通過三角形固定架與折疊臂連接，缸體固定在三角架上，與兩側(cè)四個(gè)連桿鉸接，推桿在固定導(dǎo)軌上作直線運(yùn)動(dòng)，可轉(zhuǎn)換為兩側(cè)的平行四邊形夾爪的張開與閉合（見圖4）。夾爪上應(yīng)變傳感器適時(shí)將力反饋到數(shù)據(jù)中心以判斷鉆桿是否抓牢。

圖4 機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)圖

3 技術(shù)特點(diǎn)

（1）機(jī)器人的動(dòng)作是直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與伸縮折疊等運(yùn)動(dòng)形式的結(jié)合。直線運(yùn)動(dòng)與往復(fù)運(yùn)動(dòng)由電機(jī)控制，折疊臂與機(jī)械手爪動(dòng)力源是電缸，符合綠色發(fā)展的理念。

（2）直線行走結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力系統(tǒng)集成在中間走道主梁下側(cè)的安裝板上。模塊化后結(jié)構(gòu)緊湊，有利于機(jī)械手的動(dòng)力防護(hù)與保養(yǎng)維修。

（3）齒輪齒條機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)倒置在二層臺(tái)下方，機(jī)器人在行走的整個(gè)過程中始終不會(huì)與臺(tái)面物體干涉，也避免了井架或天車頂?shù)倪z落物砸壞和雨水淋濕。

（4）機(jī)械臂采用雙平行四邊形的折疊機(jī)構(gòu)，雙平行四邊形通過連桿連接。具有較小的回轉(zhuǎn)半徑，并且可以利用較小的電缸行程實(shí)現(xiàn)折疊臂末端機(jī)械手爪較大的水平位移。

4 結(jié)語

本文主要分析了二層臺(tái)管柱處理系統(tǒng)包括直線行走機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、折疊臂以及機(jī)械手的選型方案，并根據(jù)設(shè)計(jì)理念總結(jié)出二層臺(tái)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)模型，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器代人的愿望。后續(xù)仍需對(duì)此機(jī)構(gòu)展開進(jìn)一步工作：控制系統(tǒng)作為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的大腦亟待開發(fā)，例如運(yùn)動(dòng)過程中上下機(jī)械手爪的協(xié)同作用，傳感器信號(hào)反饋的及時(shí)性與有效性確保設(shè)備運(yùn)行安全；機(jī)械結(jié)構(gòu)仍需優(yōu)化，在機(jī)械手臂展有效、強(qiáng)度足夠的情況下，確保四桿機(jī)構(gòu)的體重最輕，回轉(zhuǎn)半徑最小，末端手爪的軌跡最優(yōu)；動(dòng)力匹配也優(yōu)化，最大可能地減少不必要的能源損失。相信在不久的將來，該系統(tǒng)將成為各種陸地鉆機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配備。