伺服電動缸在石油鉆臺機械手上的應用研究

嚴亮 ，張波 ，梁維剛 ，王耀華 ，張洪 ，趙亮亮 ，殷克平

（1.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002；2.寶石機械自動化設備分公司，陜西 寶雞 721002；3.川慶鉆探工程有限公司，成都 610051）

0 引言

在石油鉆機中，鉆臺機械手[1]是一種鉆臺面立根排放設備，安裝在鉆臺面兩立根盒中間，可完成鉆桿立根、鉆鋌立根排放，以及貓道輸送鉆具的緩沖和遞送作業，可以解放勞動力，降低工人勞動強度，是管柱自動化處理系統[2-3]的重要組成部分。目前鉆機上使用最多的是液壓驅動鉆臺機械手，而液控機械手存在管路線路復雜、冬季溫度過低時響應時間長等問題。為解決液控機械手的問題，研發了伺服電動缸驅動式電動鉆臺機械手。本文主要介紹伺服電動缸在鉆臺機械手上的應用分析及發展前景。

1 伺服電動缸原理

伺服電動缸[4-5]是將伺服電動機與滾珠或滾柱絲杠一體化設計的模塊化產品，將伺服電動機的旋轉運動轉換成直線運動，同時將伺服電動機的精確轉速控制、精確轉數控制、精確轉矩控制等優點轉變成精確速度控制、精確位置控制、精確推力控制；實現高精度直線運動系列的全新革命性產品。

2 伺服電動缸的特點

1）采用伺服電動機控制，利用伺服的閉環控制特性，實現對推力、速度、位置的精密控制。

2）相比傳統液壓缸，電動缸具備更可靠的響應性、精密的穩定性及控制性等。

3）使用壽命長，可頻繁啟停，具備優異的環境適應性。

伺服電動機與電動缸組合成的伺服電動缸可實現更環保、更節能、更干凈的優點，很容易與PLC等控制系統連接，實現高精密運動控制。

3 伺服電缸的結構

伺服電動機與電動缸結構形式有兩種，如圖1所示。一種是串聯式，即電動機與電動缸直接安裝，又叫直線式結構，如圖2所示；另一種是并聯式，即電動機通過高強度同步帶與電動缸體并列安裝，也叫平行式結構或折返式結構，如圖3所示。不同的安裝結構形式，可更大范圍地滿足現場安裝空間需求。

圖1 伺服電缸的結構形式

圖2 串聯式（直連式）結構

圖3 并聯式（平行式）結構

4 伺服電缸在石油鉆機鉆臺機械手上的應用

4.1 伺服電動缸的選型研究

伺服電動缸的選型參數主要包括電缸負載、電缸壽命、循環次數、運行距離和安裝空間等。

4.1.1 載荷

只有在盡可能準確地知道載荷的情況下，才能找到一個最經濟合理、可靠的電動缸解決方案。電動機輸出轉矩與電動缸輸出力的關系為

式中：F為電動缸輸出力，kN；T為電動機輸出轉矩，N·m；R為傳動比；L為絲桿導程，mm；η為機械效率，一般為85%～90%。

通過式（1）可初步確定電動缸的電動機，以滿足載荷需求。

除了應用中的最大力之外，隨行程變化的力也非常重要。通過在整個工作循環中隨行程變化的力可得出平均載荷，這個平均負載是計算使用壽命的基礎。

電動缸的平均負載計算公式為

圖4 電動缸負載和速度隨時間變化關系

4.1.2 壽命

電動缸的壽命一般指電動缸內部使用的絲桿壽命，可分為兩部分：一是絲桿的疲勞壽命，可以通過計算得出；另一個是使用壽命，取決于使用條件（如溫度、平均載荷、使用潤滑的種類和定期添加潤滑的頻率等因素）

使用壽命計算公式為

式中：L10為電動缸壽命；Ca為絲桿路面的基本額定動負荷，kN；Fm為電動缸承受的平均負載，kN；L為絲桿導程，mm。

4.1.3 循環次數

通過盡可能準確地給出執行元件的加速度和速度，或給出循環時間和所需距離，能夠選擇到最佳的電動缸。

圖5 電動缸速度隨時間變化關系

4.1.4 運行距離和安裝空間

電動缸的選型，與其工作的行程和安裝空間關系密切。電動缸在運行過程中，是不允許運行到機械終點的，所以必須在工作行程S工作的兩端分別加長一段安全行程S安全，其行程之和才是電動缸的運行距離S，即S=S工作+2S安全，如圖6所示。

圖6 電動缸的運行距離

可根據安裝空間需求，選擇串聯式或并聯式結構電動缸。

4.2 鉆臺機械手上伺服電缸的應用

鉆臺機械手主要由升降系統、偏移系統、回轉系統、主臂伸縮系統、鉗頭開合系統等五大系統組成，如圖7所示。下面主要以主臂伸縮系統、偏移系統為主介紹伺服電缸在石油鉆機鉆臺機械手上的應用。

圖7 鉆臺機械手示意圖

4.2.1 主臂伸縮系統

通過主油缸的伸縮控制主臂與副臂之間的夾角，進而調整副臂前端與鉆臺面之間的距離，此連桿機構在運行過程中始終可以保持鉗頭水平。

通過伺服電動缸代替液壓油缸的研究發現，利用伺服電動缸代替液缸驅動主臂伸縮，不但減少了油路管線，同時通過伺服電動機的精確轉速控制、精確轉數控制來實現鉆臺機械手伸縮臂的精確速度控制及精確位置控制功能，還達到了減少傳感器的目的。

主臂伸縮系統的伺服電動缸驅動結構示意圖如圖6所示。為節省空間，將伺服電動缸的伺服電動機與電動缸做成并聯式結構。

4.2.2 偏移系統

液壓驅動時偏移系統是通過偏移油缸的伸縮實現滑車的移動，滑車偏移過程中，會通過傳感器檢測滑車是否偏移到位。當用伺服電動缸代替油缸后，伺服電動缸通過電動機驅動電動缸，將回轉運動轉化為直線運動，同樣能實現滑車的偏移功能，同時通過伺服電動機的精確轉速控制實現精確的位置控制，可以減少位移傳感器，降低制造成本。

圖8 伺服電動缸應用在主臂伸縮系統

偏移系統的伺服電動缸驅動結構示意圖如圖10所示。為節省空間，將伺服電動缸的伺服電動機與電動缸做成并聯式結構。

圖10 伺服電動缸應用于偏移系統

通過表1對比發現，電動缸以其適應溫度廣、結構簡單、控制精度高、效率高等優點，使其更能滿足油田現場使用需求。

表1 液壓缸與電動缸的對比分析

5 伺服電動缸驅動式鉆臺機械手的前景

與鉆臺機械手上配套液壓驅動相比，運用伺服電動缸，具有更環保、更節能、更干凈的優點，并且很容易與PLC等控制系統連接，實現高精密運動控制，使得石油設備控制精密化。

伺服電動缸在復雜的環境下工作只需要定期加注脂潤滑，并無易損件需要維護更換，減少了大量的售后服務成本，減輕油田工人的工作強度，使得伺服電動缸驅動的設備得以推廣。

伺服電動缸以其結構簡單、控制精度高、傳動效率高、維護工作量小、環境污染小、工作環境適應廣等優點得到用戶的青睞。但由于電動缸、伺服電動機、伺服控制器等配套進口部件采購成本比液壓缸、控制閥組采購成本大，造成總的制造成本比液壓驅動的鉆臺機械手高，從而制約了鉆臺機械手的電動化發展。