無鉆機鉆探機器人推靠支撐機構設計與分析

摘要：基于新型無鉆機鉆探機器人，設計一種推靠支撐機構，對其進行結構設計和工作模型分析。該機構結構上采用兩對軸向交錯排布的液壓缸，既增加了推靠支撐的行程，又增強了徑向支撐強度；同時前后支撐機構和牽引機構協調配合，實現井下鉆探機器人的徑向偏置和軸向導向姿態調整。對關鍵環節進行力學分析和設計參數校核，保障機構的穩定性。樣機的液壓系統在30 MPa壓力下穩定溢流，為機器人的最大推靠支撐力達到40 kN提供了現實依據。

關鍵詞：鉆探機器人；推靠支撐；無鉆機鉆探

中圖分類號：TE928" 文獻標志碼：A" 文章編號：1671-0797（2023）07-0019-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.07.005

0" " 引言

井下機器人是加強油氣開發勘探的有力工具，具有成本低、風險低、環境友好、全自動和遠程監控等特點，是未來智能油氣鉆探的發展方向[1-3]，可在深井、超深井、大斜度井和大位移水平井中進行作業儀器的輸送和其他輔助作業[4-5]，如測井機器人、排水采氣機器人[6]、鉆孔機器人[7]、液壓牽引機器人[8]和連續油管鉆井機器人[9-10]。

輪式、伸縮式和獾式機器人是油氣井下機器人的主要類型[4-5]，均由支撐機構、能源供給、控制和驅動系統組成，其中支撐行走是基礎[11]，主要提供一個對井壁或套管的正壓力，以獲得摩擦力實現牽引爬行。支撐機構有自鎖滑塊、液壓活塞、齒輪、蝸輪蝸桿、絲杠和凸輪等。

國外的Sondex輪式牽引機器人[12]、刀片式三連桿井下牽引機器人[13]及伸縮式井下牽引機器人[14]均采用雙向鎖止，但推靠支撐的每個機構只有一對支撐，機器人軀體容易產生偏移，且提供的牽引支撐力較小。國內的伸縮式雙向鎖止機構能提供較大的牽引力，但易發生自鎖，產生井下卡堵[15]。Badger Explorer獾式鉆探器[16]無須鉆井平臺，減少了工作程序和人力耗費，但鉆速較慢，井孔被巖屑填充，無法進行鉆井液錄井和取心作業，支撐機構則需要提供更大的牽引支撐力。伸縮式鉆探機器人通過牽引缸和支撐缸軸向布置[7]，優化支撐機構和鉆井液流道，以提供所需鉆壓，實現牽引及動態破巖[9-10]。

基于新型往復蠕動式無鉆機鉆探機器人[17]，本文提出一種液壓缸徑向布置的推靠支撐機構，通過輔助支撐傳遞較大牽引力，通過軀體位置和姿態調整減少牽引時軀體與井壁的摩擦，以適應井下復雜環境。

1" " 推靠支撐機構與工作機理

1.1" " 推靠支撐機構設計

無鉆機鉆探機器人推靠支撐機構的總體布局如圖1所示，主要由鉆頭、前/后推靠支撐機構、前/后牽引機構、敦實機構和控制系統等組成，且前/后支撐、牽引的機械結構相同，共同協調運轉完成支撐和爬行動作。

單個推靠支撐機械結構如圖2所示，液壓缸采用中心對稱的方式，軸向呈十字支撐。雙作用液壓缸通過柱塞桿上的活塞分隔進油腔和回油腔，進油腔進油，柱塞桿穩定推出，回油腔進油，柱塞桿回收復位。

液壓驅動的結構如圖3所示，運行路徑為伺服電機—減速機—柱塞泵，接著泵（輸出壓力油）—單向閥—溢流閥—電磁控制閥（4只）—液壓缸，完成缸體控制。液壓控制系統通過反饋信號（MPU-6050實時計算輔助支撐臂擺動姿態）實現柱塞桿伸出距離的定位并維持壓力的恒定輸出。

1.2" " 推靠支撐原理

推靠支撐機構采用直動導桿滑塊運動方式，如圖4所示。柱塞桿W為動力桿，推動支撐板滑軌V同時上移和左移，輔助支撐臂U引導滑軌V保持水平狀態與井壁平行。

1.3" " 液壓系統

液壓系統能夠提供較大的驅動力，但是其結構和元器件較為復雜，密封要求高。其四缸油路運行路徑如圖5所示。

1.4" " 推靠支撐運動模態

前/后推靠支撐機構通過八個液壓缸與牽引機構協調配合，完成無鉆機鉆探機器人的三種運動模態：鉆進或回退、徑向偏置調整、軸向姿態導向。

機器人的鉆進動作通過推靠機構的支撐與伸縮來實現，狀態a為初始狀態，前/后推靠支撐板全部推出，并與井壁緊固支撐機器人軀體，其他各狀態如圖6所示，鉆進時相應運動過程如下：

（1）狀態a到狀態b：前牽引機構緩慢伸出，推動鉆頭鉆進至最大距離后，前推靠支撐機構柱塞桿收回，后推靠支撐機構保持穩定支撐。

（2）狀態b到狀態c：后牽引機構緩慢伸出，前牽引機構配合后牽引機構進行收縮，前推靠支撐機構向前伸出至最大距離后支撐板全部推出。

（3）狀態c到狀態d：后推靠支撐機構的支撐板全部收回，敦實機構配合后牽引機構緩慢收縮。

（4）狀態d到狀態e：后牽引機構收縮至最小位置，后推靠支撐機構全部推出支撐，整體恢復至初始狀態a，周期動作完成，機器人獲得一定的鉆進深度。

機器人回退動作與鉆進相反，不再贅述。

機器人的徑向偏置調整過程如圖7所示，狀態1中，X1柱塞桿與X2柱塞桿、Y1柱塞桿與Y2柱塞桿均徑向中心對稱排布，沿軸向十字支撐。當兩對柱塞桿在行程上協調同步收縮至狀態2，X1與Y1柱塞桿收縮，X2與Y2柱塞桿伸出時，則可實現徑向偏置。

機器人的軸向姿態導向過程如圖8所示，當X1與X4柱塞桿收縮、X2與X3柱塞桿伸出，另外的兩對支撐協調伸縮，則機器人軀體軸線與井孔軸線傾斜一個角度α，同時牽引機構帶動鉆頭按照其軀體姿態緩慢鉆進，長距離累積后，可實現導向鉆進。

2" " 推靠支撐機構力學分析

2.1" " 機構承載力與支撐臂角度關系

推靠支撐機構的承載力（以下簡稱“機構承載力”）是指由機器人伸縮機構支持部分軀體伸縮前進時作用于支撐機構上的力（圖6中狀態a至b時，前推靠支撐機構需提供鉆頭鉆進的鉆壓）。由于推靠支撐機構中心對稱，受力基本對稱，以圖9中一對推靠支撐板為例進行受力分析。

左側輔助支撐臂②為二力桿，F21與F23是作用力與反作用力，大小相等，方向相反，作用在同一條直線上，分解出的Fx與Fx′大小相等，方向相反，Fy與Fy′亦同。綜合受力分析得出機構承載力大小公式：

式中：FC為推靠支撐機構的承載力（N）；μ為井壁的摩擦系數；FN為柱塞桿推出力（正壓力）（N）；γ為反作用力F21與承載力方向上所夾的銳角（°）。

可知機構承載力取決于三個要素——FN、μ和γ，其中FN≤40 kN，μ取值范圍為0.1～0.4，γ的大小關聯輔助支撐臂和柱塞桿的伸出長度，影響推靠支撐機構的最大結構承載力。那么，FN取40 kN時，可以得出機構承載力與支撐角度、摩擦系數的關系，如表1所示。

當γ為75°、摩擦系數較大時，機構承載力通過輔助支撐臂施加在支撐板的摩擦角內，支撐機構形成自鎖，無論多大的力均無法使支撐板相對井壁滑動。實際運行中需避免機構自鎖且提供較大牽引力，γ在45°～60°時，在地下鉆進的封閉空間內，支撐板與井壁摩擦系數大于0.2，則兩對推靠支撐結構的牽引力將大于40 kN，前/后推靠支撐機構也將提供超過40 kN的鉆壓。

2.2" " 液壓缸缸壁厚度δ分析

液壓缸主要部件包括缸蓋、柱塞桿和缸體。機器人外徑為170 mm，其內置的巖屑管道直徑為25 mm，設計的液壓缸缸體內徑D=40 mm，柱塞桿桿徑d=0.7D，柱塞桿總長為140 mm，缸體材料為42CrMo合金。根據表2所示的缸體材料力學性能，柱塞桿推出力FN=40 kN時，缸內壓強約為32 MPa，為中高壓系統，同等壓強下柱塞收縮力約為20 kN。

對于中高壓系統，或者D/δlt;3.2，液壓缸的缸筒厚度按照厚壁筒計算。綜合塑性材料和脆性材料的許用應力計算，分別采用第四和第二強度理論，得到液壓缸缸壁厚度δ≥4.17 mm，符合32 MPa的壓強要求。

2.3" " 柱塞桿活塞密封分析

柱塞桿上的活塞厚度一般為其活塞直徑的0.6～1.0倍，活塞處外徑為40 mm，為了增大行程，取活塞厚度≥24 mm，擬定選取h=30 mm。同時進行薄弱點以及安全系數分析，避免活塞密封失效，其中活塞處的等效應力分析如圖10所示。

選用與42CrMo合金相近屈服強度的材料，并通過夾具顧問模擬固定柱塞，通過外部載荷顧問輸入軸向力總數為40 kN，劃分網格并進行運算。得到最大等效應力為1.489×108 N/m2，小于屈服力（1.07×109 N/m2），安全系數如圖11所示，薄弱點為7.185，遠大于安全系數標準，柱塞桿活塞強度滿足設計要求。

柱塞桿活塞的受力變形位移分析如圖12所示，可見柱塞主要受力部位徑向的變形位移量為2.461×10-3 mm，兩側膨脹位移最大約為0.005 mm，在柱塞桿加工及密封圈配合誤差的范圍內。

綜合活塞的等效應力和位移分析，可知柱塞桿活塞高壓密封穩定。

2.4" " 柱塞桿桿徑d校核分析

柱塞桿是液壓缸傳遞力的主要零件，其桿徑一般為活塞直徑的0.7D，即d=28 mm。

（1）根據強度要求來計算柱塞桿桿徑d。柱塞桿在穩定狀態下要滿足：

式中：F為柱塞桿受到的作用力（與推力一致）（N）；[σ]為柱塞桿材料的許用應力（MPa）。

根據F=FN=40 kN，[σ]=σb/n，求得d≥15.35 mm，d=28 mm符合條件。

（2）根據保證柱塞桿不產生縱向彎曲要求計算，即柱塞桿臨界載荷要比實際承受載荷大3.5～6（安全系數）倍。

參照非等截面法查形狀系數表，得極限載荷Fk≈575 171.9 N，Fk/F=575 171.9/40 000≈14.38，遠大于安全系數，柱塞桿可保持穩定。

3" " 推靠支撐機構樣機

推靠支撐機構動力裝置如圖13所示，伺服電機為80法蘭1 kW直流，扭矩為3 N·m，減速機減速比為3，降速增扭達9 N·m；1.25MCY14-1B的軸向柱塞泵壓力為31.5 MPa，最高轉速1 500 r/min；6 mm通徑的單向閥，40 MPa可調溢流閥以及O型三位四通電磁閥；輸油管道為8～12 mm無縫鋼管，接頭為卡套式接頭。

樣機采用了一對推靠支撐進行試制，試制材料為45號鋼（抗拉強度600 MPa、屈服強度355 MPa），總長度約為1.7 m，其推出狀態如圖14所示。運行狀態能夠實現單獨伸縮以及同時伸縮，最大伸出推靠直徑為300 mm，單個缸體伸出最大距離約為65 mm，單個伸縮時間可控制在15 s以內，輸油管道中溢流閥在30 MPa及以內可穩定溢流。

4" " 結論

（1）本文提出了一種液壓缸徑向布置的井下無鉆機鉆探機器人推靠支撐機構，采用雙作用液壓缸簡化推靠支撐結構的伸縮控制，通過正壓力提高支撐板與井壁摩擦力的方式提供足夠的牽引力。

（2）建立徑向布局的液壓支撐十字交錯結構，各液壓缸獨立控制，能夠有效調整機器人徑向偏置和軸向姿態導向。

（3）對推靠支撐結構進行應力分析，驗證了設計結構的可行性和穩定性，可提供足夠的牽引力和鉆壓。

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收稿日期：2022-12-14

作者簡介：姬賽（1995—），男，江蘇人，在讀碩士研究生，研究方向：地球物理儀器。

通信作者：程為彬（1970—），男，安徽人，博士，教授，研究方向：油氣井下智能測控技術、石油儀器及其智能化。