折疊式油管扶正機(jī)械手的設(shè)計(jì)與分析*

符仁杰 郭登明 張建軍 張鵬宇 梁晨 鄧康

(1. 長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 2. 江蘇賽瑞機(jī)器人裝備有限公司3. 中國石油新疆油田分公司 4. 中國石油長(zhǎng)慶油田分公司第十采油廠)

0 引 言

隨著油氣田的不斷開發(fā)，為了保證油氣井的正常開采，需要進(jìn)行大量的日常維護(hù)工作，因此，修井作業(yè)的工作量大大增加。修井作業(yè)類型主要是小修作業(yè)，用于起下油管的小修作業(yè)時(shí)間占據(jù)了修井作業(yè)時(shí)間的70%以上[1]；修井作業(yè)環(huán)境條件比較苛刻，且機(jī)動(dòng)性要求較高，安全風(fēng)險(xiǎn)也較大。為了減輕油田工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高操作的安全性，近年來，智能小修一體機(jī)的使用越來越廣泛，只需少量遠(yuǎn)程操控人員即可代替井口高強(qiáng)度工作的工人。

焦偉剛等[2]研制出一種修井機(jī)臺(tái)面扶管機(jī)械手，由前后四個(gè)臂架組成了兩組平行四邊形結(jié)構(gòu)，其移動(dòng)操作只需一個(gè)液壓缸即可完成驅(qū)動(dòng)；唐倩雯等[3]研制了一種機(jī)械化修井作業(yè)油管扶正裝置，其油管的對(duì)中操作通過液壓缸驅(qū)動(dòng)扶正臂和輔助扶正臂來完成；張喜慶等[4]研制了一種推管器，可以將起出的油管在其卸扣之后，推送到油管輸送裝置貓道上。

目前，大多數(shù)學(xué)者對(duì)油管扶正裝置的研究均是為了解決待下井油管從油管移送裝置上通過游動(dòng)吊卡抓放以及油管對(duì)中等一系列動(dòng)作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的問題[5-7]。但是，目前這些油管扶正裝置都存在體積較大、安裝調(diào)試不方便等缺點(diǎn)。為了符合自動(dòng)化修井機(jī)高集成度和模塊化的設(shè)計(jì)理念，減小油管扶正機(jī)械手的安裝體積，筆者設(shè)計(jì)了新型折疊式油管扶正機(jī)械手。該裝置作為模塊化組件，集成在桅桿式液壓自動(dòng)修井機(jī)的桅桿式井架上，既保留了油管扶正裝置對(duì)中精準(zhǔn)、省時(shí)省力的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又滿足自動(dòng)化修井機(jī)高度集成和方便運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

1 技術(shù)分析

1.1 總體結(jié)構(gòu)

新型折疊式油管扶正機(jī)械手安裝在桅桿式液壓自動(dòng)修井機(jī)的靜桅桿上，主要由三大部分組成，分別是最前端的油管抓手、中間的自動(dòng)定位機(jī)械臂及尾端的折疊機(jī)械臂。其三維結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

1—?jiǎng)游U；2—靜桅桿；3—折疊機(jī)械臂；4—定位機(jī)械臂；5—油管抓手。

1.2 油管抓手

下管時(shí)油管抓手在接管位抓取油管，并移動(dòng)到井口粗對(duì)中位，待精對(duì)中裝置完成精對(duì)中操作后，放開油管，由液壓動(dòng)力鉗完成上扣操作，完成接管工作；相反，起管時(shí)油管抓手在粗對(duì)中位抓取油管，并往送管機(jī)方向移動(dòng)，當(dāng)油管底部到達(dá)送管機(jī)小車時(shí)松開抓手，完成送管工作。油管抓手三維模型如圖2所示，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖2 油管抓手三維模型

整個(gè)抓手部分通過焊接的方式固定在自動(dòng)定位機(jī)械臂的前端中部，并在抓手底座的兩側(cè)焊有兩塊擋板以增強(qiáng)整體的強(qiáng)度。抓手前端的擋板在焊接加強(qiáng)筋之后，具有較高的強(qiáng)度，可以抵擋住油管的沖擊，保護(hù)抓手，以免其受到破壞，這大大延長(zhǎng)了油管抓手的使用壽命；同時(shí)，外八字狀的擋板也是一個(gè)簡(jiǎn)單的油管組定位裝置，在接管過程中引導(dǎo)油管進(jìn)入抓手可以抓到的位置[8]，大大提高了扶正機(jī)械手的接管效率。

油管抓手的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4所示。薄型油缸活塞缸、連接桿和抓手組成了一個(gè)滑塊四連桿機(jī)構(gòu)，活塞桿推出，抓手實(shí)現(xiàn)閉合操作，反之，活塞桿縮回，抓手實(shí)現(xiàn)打開操作。

圖4 油管抓手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

薄型油缸具有體積小和易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)抓手所需的推力要求較小，所以選用薄型油缸滿足設(shè)計(jì)要求。在抓手上還設(shè)計(jì)了可替換式抓手牙板，通過更換不同尺寸的牙板，來滿足不同油管管徑的需求，適用管徑規(guī)格為60.3～88.9 mm。

1.3 油管定位機(jī)械臂

油管定位機(jī)械臂[9]是完成油管在井口對(duì)中任務(wù)的關(guān)鍵部件，同時(shí)也是連接油管抓手和折疊臂的關(guān)鍵部件，這樣就能控制油管抓手在Home位(見圖5)、井口對(duì)中位(見圖6)和接(送)管位(見圖7)之間移動(dòng)，完成接管送管任務(wù)。

圖5 機(jī)械手Home位示意圖

圖6 機(jī)械手對(duì)中位置示意圖

圖7 機(jī)械手接管位置示意圖

油管扶正機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖8所示。油管定位機(jī)械臂設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 600 mm，最大伸長(zhǎng)超井口1 m，以保證起管作業(yè)時(shí)，機(jī)械手前端的油管抓手把油管外螺紋端推送至送管機(jī)的小車內(nèi)。由于油管頂部接箍端被修井機(jī)游動(dòng)吊卡吊起，機(jī)械臂只需在水平方向上推拉油管，所以對(duì)機(jī)械臂的推拉力要求較低，經(jīng)計(jì)算，只需300～500 N即可。

1—底座；2—支撐液壓缸；3—油缸架；4—定位液壓缸；5—連接架；6、7、8、9—連接架固定裝置；10—彎板架；11—油管抓手；12—軸；13—支撐液壓缸固定板；14—摩擦輪固定底；15—摩擦輪固定裝置；16—抓手加強(qiáng)板；17—軸擋板；18—螺栓；19—銷軸；20—摩擦輪；21—位移傳感器。

當(dāng)修井機(jī)在修井現(xiàn)場(chǎng)就位后，桅桿升起，油管扶正機(jī)械手折疊臂的支撐液缸活塞缸縮回，機(jī)械手由Home位(見圖5)進(jìn)入待校對(duì)狀態(tài)(見圖1)。修井機(jī)就位后，在此次作業(yè)中位置不會(huì)隨意發(fā)生改動(dòng)，所以油管抓手Home位置相對(duì)于井口中心位置的距離確定，井口中心位置到油管抓手接管位的距離也會(huì)確定。此次作業(yè)首次起油管時(shí)，需對(duì)井口對(duì)中位(見圖6)和接管位(見圖7)進(jìn)行校對(duì)和記憶。首先控制定位液壓缸活塞桿伸出，調(diào)節(jié)油管抓手中心與井口中心近乎重疊后，在總控面板中油管扶正機(jī)械手副面板里按下鎖定按鈕，油管抓手位置鎖定，系統(tǒng)自動(dòng)讀取位移傳感器數(shù)據(jù)并記錄，井口對(duì)中位置完成校正。在作業(yè)中，油管抓手在定位液壓缸的驅(qū)動(dòng)下不斷移動(dòng)，此時(shí)通過位移傳感器不斷地對(duì)定位液壓缸進(jìn)行檢測(cè)，并把檢測(cè)信號(hào)傳遞給總控系統(tǒng)，總控系統(tǒng)將此信號(hào)與之前校正記錄的信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，一旦檢測(cè)信號(hào)與記錄信號(hào)一致，即油管抓手到達(dá)預(yù)定的井口對(duì)中位，總控系統(tǒng)立即對(duì)定位液壓缸發(fā)出停止移動(dòng)的指令，油管抓手立即停止移動(dòng)，這樣就完成了油管在井口的對(duì)中任務(wù)。同理，接管位用同樣的方法進(jìn)行校對(duì)，工作原理也相同。當(dāng)下次作業(yè)時(shí)，井場(chǎng)發(fā)生變化，井口對(duì)中位與接管位需要重新校對(duì)，只需在總控系統(tǒng)里按下重置，即可對(duì)這兩個(gè)位置參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定。

油管定位機(jī)械臂的自動(dòng)定位功能有效避免了人工對(duì)中的失誤，節(jié)約了作業(yè)時(shí)間，大大提高了修井作業(yè)效率。

1.4 工作流程

油管扶正機(jī)械手起油管的完整工作流程如下：

(1)修井機(jī)就位后，總控系統(tǒng)控制桅桿升起，待修井機(jī)完全進(jìn)入工作狀態(tài)后，控制機(jī)械手支撐液壓缸活塞桿縮回，使油管定位機(jī)械臂與桅桿呈垂直狀態(tài)，即機(jī)械手由Home位進(jìn)入待校對(duì)狀態(tài)。

(2)根據(jù)實(shí)際情況，在井口、修井機(jī)和送管機(jī)位置確定后，完成井口對(duì)中位與接管位的校正與記錄。

(3)完成校對(duì)后，控制定位液壓缸活塞桿縮回，同時(shí)控制折疊機(jī)械臂的支撐液壓缸活塞桿推出，使油管抓手回到Home位，讓出位置。

(4)控制游動(dòng)吊卡下行，當(dāng)游動(dòng)吊卡下方接觸到油管外螺紋端下方的管體時(shí)，利用吊環(huán)與游動(dòng)吊卡之間的柔性連接關(guān)系，游動(dòng)吊卡月牙口下緣支在油管上，自動(dòng)向內(nèi)(朝井口方向)翻轉(zhuǎn)，使游動(dòng)吊卡月牙扣住油管[10]。此時(shí)控制井口的液壓卡瓦打開，游動(dòng)吊卡上行，油管上提，當(dāng)油管接箍到達(dá)井口油管液壓鉗卸扣位置時(shí)，控制游動(dòng)吊卡停止運(yùn)行，并關(guān)閉液壓卡瓦。

(5)控制液壓鉗龍門架推出，使液壓鉗到達(dá)井口對(duì)中位置，開始卸扣，完成卸扣后，控制龍門架縮回，讓出空間[11]。

(6)游動(dòng)吊卡稍提，控制油管抓手微型液壓缸活塞桿縮回，油管抓手完全打開，控制定位液壓缸活塞桿推出，使油管抓手達(dá)到預(yù)設(shè)的井口對(duì)中位(見圖6)，油管完全進(jìn)入抓手的包裹范圍內(nèi)，控制油管抓手微型液壓缸活塞桿推出，抓手完全閉合。

(7)控制定位液壓缸活塞桿繼續(xù)推出，使得油管抓手運(yùn)動(dòng)到預(yù)設(shè)的接管位(見圖7)，此時(shí)，油管內(nèi)螺紋端到達(dá)送管機(jī)的小車內(nèi)，控制油管抓手微型液壓缸活塞桿縮回，油管抓手完全打開，控制定位液壓缸活塞桿縮回，同時(shí)控制折疊機(jī)械臂的支撐液壓缸活塞桿推出，使油管抓手回到Home位，讓出位置。

(8)控制游動(dòng)吊卡繼續(xù)下行，配合送管機(jī)小車后移，使油管完全放倒在送管機(jī)上，游動(dòng)吊卡打開并回位。

(9)油管經(jīng)送管機(jī)和排管機(jī)排放整齊，等待修理。

至此，1根油管的起井作業(yè)結(jié)束。回到步驟(4)，即可進(jìn)行下一根油管的起井作業(yè)。循環(huán)往復(fù)，可將井下的油管一根根從井下起到地面。下油管的過程與起油管過程相反。若是在該工況首次進(jìn)行油管的起下作業(yè)，則需從步驟(1)開始進(jìn)行。

1.5 主要技術(shù)參數(shù)

扶正機(jī)械手外形尺寸3 205 mm×1 294 mm×516 mm，工作油壓10 MPa，適用油管外徑60.3～88.9 mm (2～3in)，機(jī)械臂水平行程1 000 mm，油管扶正和推送時(shí)間<10 s。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液壓缸選取

折疊式油管扶正機(jī)械手整體材料為Q345號(hào)鋼，可計(jì)算出其質(zhì)量，再根據(jù)其質(zhì)量查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，為折疊裝置選取HSG型工程液壓缸，缸徑63.0 mm。根據(jù)液壓缸安裝尺寸以及折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸，設(shè)計(jì)最大行程為530 mm；油管定位機(jī)械臂液壓缸，同樣選用HSG型工程液壓缸，由于該液壓缸所要的推力需求不大，選用缸徑為50.0 mm的液壓缸，為滿足接(送)管的需求，設(shè)計(jì)最大行程為1 000 mm。

2.2 液壓回路設(shè)計(jì)

折疊式油管扶正機(jī)械手液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理如圖9所示。液壓系統(tǒng)由折疊機(jī)械臂支撐缸、定位液壓缸、油管抓手微型液壓缸、溢流閥、換向閥、同步分流閥以及單向液壓鎖等組成。

圖9 機(jī)械手液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理示意圖

該機(jī)械手的機(jī)械臂液壓缸與定位液壓缸成對(duì)組合工作，為其設(shè)計(jì)了同步分流單向閥鎖緊液壓回路[12]，目的是為了控制兩個(gè)液壓缸在工作中保持相同的運(yùn)動(dòng)速度，并在指定的目標(biāo)位置鎖緊。由于裝置有一定的自重，所以兩缸均受負(fù)載，但是其所受負(fù)載不會(huì)絲毫不差地均分到兩個(gè)液壓缸上，再加上液壓缸在制造上存在的微小誤差，會(huì)對(duì)兩個(gè)液壓缸同步工作產(chǎn)生影響，導(dǎo)致液壓缸不能在指定的目標(biāo)位置停下并鎖緊，所以需要同步分流單向閥鎖緊液壓回路來消除這些影響，從而確保機(jī)械手井口對(duì)中的精準(zhǔn)度[13]。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

折疊式油管扶正機(jī)械手隨ZXG-675液壓自動(dòng)修井機(jī)于2018年7月在江蘇油田現(xiàn)場(chǎng)投入使用，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況如圖10所示。

圖10 機(jī)械手現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：①折疊式油管扶正機(jī)械手的抓放、推送、扶正以及井口對(duì)中等操作均可在遠(yuǎn)程控制條件下完成；②設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，配套液壓修井機(jī)平均起下油管速度為每小時(shí)35根；③該機(jī)械手集成在修井機(jī)桅桿上，無需拆裝，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)安裝步驟，并降低了運(yùn)輸成本。④該機(jī)械手液壓系統(tǒng)直接接入修井機(jī)液壓站，方便且高效。

4 結(jié) 論

(1)該小修作業(yè)油管扶正機(jī)械手滿足桅桿式修井機(jī)的結(jié)構(gòu)特征要求，作為組件安裝在修井機(jī)井架上，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)安裝步驟，并降低了運(yùn)輸成本。

(2)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，該裝置在遠(yuǎn)程控制條件下，成功實(shí)現(xiàn)了油管的抓放、推送、扶正和井口對(duì)中等功能，不僅減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也提高了安全性；

(3)該裝置使用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，直接接入修井機(jī)液壓站，配合位移傳感器，作業(yè)時(shí)對(duì)中精準(zhǔn)、快速、穩(wěn)定。

(4)油管扶正機(jī)械手組件的成功應(yīng)用為自動(dòng)化、智能化修井機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。