井架排管機(jī)器人研制

蔣壯強(qiáng)，崔　凱，張　勇，郝麗軍，張　昶（.南陽(yáng)二機(jī)石油裝備（集團(tuán)）有限公司，河南　南陽(yáng)473006；.中國(guó)石油技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，北京0008）

井架排管機(jī)器人研制

蔣壯強(qiáng)1，崔凱2，張勇1，郝麗軍2，張昶1
（1.南陽(yáng)二機(jī)石油裝備（集團(tuán)）有限公司，河南南陽(yáng)473006；2.中國(guó)石油技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，北京100028）

排管機(jī)器人用于在二層臺(tái)排放架與井口之間抓取與排放鉆桿，是鉆井平臺(tái)鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)中最為繁忙的裝置，在提高鉆井安全性及經(jīng)濟(jì)性方面發(fā)揮著重要的作用。介紹了井架排管機(jī)器人的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)、液壓控制原理。本設(shè)備適合于X-Y型排管架結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作靈活可靠、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、操作空間大等優(yōu)勢(shì)，適合于陸地橇裝鉆機(jī)平臺(tái)、海洋鉆機(jī)平臺(tái)立根自動(dòng)排放操作。

排管機(jī)器人；陸地鉆機(jī)；海洋鉆機(jī)

隨著對(duì)鉆井效率及安全性要求的不斷提高，鉆機(jī)自動(dòng)化已成為石油鉆機(jī)未來(lái)發(fā)展的方向。井口的機(jī)械化裝置是其自動(dòng)化鉆機(jī)的關(guān)鍵部分，而實(shí)現(xiàn)石油鉆機(jī)井口機(jī)械化、自動(dòng)化的關(guān)鍵則是鉆桿排放系統(tǒng)［1］。

井架排管機(jī)器人是針對(duì)陸地、海洋鉆井作業(yè)中的起下鉆排管作業(yè)而研制的自動(dòng)化專(zhuān)用鉆機(jī)配套設(shè)備，它能夠?qū)⒅噶簝?nèi)的立根移運(yùn)到井口設(shè)定位置并交給頂驅(qū)，或者將頂驅(qū)上的立根按要求排進(jìn)指梁內(nèi)，為鉆機(jī)的排管作業(yè)安全性提供了可靠的保證，消除了起下鉆作業(yè)對(duì)二層臺(tái)井架工的依賴(lài)。在起下鉆作業(yè)過(guò)程中，該裝置承擔(dān)對(duì)鉆桿夾持、提升、下放、平移和回轉(zhuǎn)等操作，實(shí)現(xiàn)鉆具在鉆臺(tái)與二層臺(tái)之間的自動(dòng)輸送、排放、儲(chǔ)運(yùn)等；還可與動(dòng)力輔助鼠洞、鐵鉆工配合完成單根接成立根操作，不再需要人工直接參與，從而讓鉆井工遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域。自動(dòng)排管裝置減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度、降低了井架工的操作風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提高了鉆桿排放的自動(dòng)化水平和工作效率，是實(shí)現(xiàn)安全、健康鉆井和提高鉆井效率的有效途徑［2-3］。

國(guó)內(nèi)對(duì)鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)的研究起步較晚，只有少數(shù)單位做過(guò)一些技術(shù)上的研究和設(shè)計(jì)。到目前為止，國(guó)內(nèi)研發(fā)的鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)還沒(méi)有形成工業(yè)性產(chǎn)品，因此，國(guó)內(nèi)絕大部分陸地鉆機(jī)以及海洋鉆機(jī)的鉆桿排放還是采用傳統(tǒng)的人工操作方式。

南陽(yáng)二機(jī)石油裝備（集團(tuán)）有限公司經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)攻關(guān)，提出了一種安裝在二層臺(tái)中間走道下方的排管機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，并已制作出樣機(jī)。

1　總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

1.1技術(shù)參數(shù)

液壓系統(tǒng)工作壓力8MPa

機(jī)械臂水平伸展距離3m

滑移系統(tǒng)最大速度300mm／s

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)最大旋轉(zhuǎn)速度30°／s

回轉(zhuǎn)角度0～180°

二層臺(tái)安裝高度24.5mm

適用管柱規(guī)格73.0～139.7mm

1.2總體結(jié)構(gòu)

排管機(jī)器人主要用于在井口與鉆臺(tái)排放架之間往返自動(dòng)移送鉆桿立根，還可與鉆桿自動(dòng)上下鉆臺(tái)系統(tǒng)、動(dòng)力輔助鼠洞、鐵鉆工配合完成離線(xiàn)單根接成立根操作，而不需要借助起升系統(tǒng)，不影響鉆進(jìn)。XY型排放架內(nèi)可以存放較大數(shù)量的鉆桿，移動(dòng)鉆桿方便，排放架指梁可以調(diào)節(jié)，可以滿(mǎn)足不同直徑管柱的要求，故海洋／陸地鉆井平臺(tái)廣泛采用XY型排放架。本文設(shè)計(jì)方案適合X-Y型排管架結(jié)構(gòu)。

排管機(jī)器人主要由滑移旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂總成、移動(dòng)導(dǎo)軌等部分組成，如圖1所示，整個(gè)裝置放置在二層臺(tái)中間走道下面?；菩D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是鐵架工的核心承載模塊，設(shè)計(jì)有移動(dòng)小車(chē)及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。工作時(shí)，移動(dòng)小車(chē)可帶動(dòng)整個(gè)裝置在中間走臺(tái)下面往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以便在不同的排放架位置進(jìn)行取放鉆桿立根操作；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可使連桿機(jī)構(gòu)及機(jī)械手模塊繞回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)180°，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的朝向在井口、左排放架、右排放架間的轉(zhuǎn)換。機(jī)械手面向井口時(shí)，允許機(jī)械手在井口進(jìn)行立根操作；面向排放架時(shí)，允許機(jī)械手在指梁內(nèi)取放立根。

圖1　排管機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

1.3滑移旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

滑移旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的功能是實(shí)現(xiàn)裝置的整體平移及連桿機(jī)構(gòu)與機(jī)械手模塊的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。

滑車(chē)架是滑移旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的保護(hù)外殼，內(nèi)部設(shè)有驅(qū)動(dòng)輪總成、從動(dòng)輪總成、液壓馬達(dá)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)缸、齒輪機(jī)構(gòu)。液缸馬達(dá)為滑動(dòng)小車(chē)提供移動(dòng)的動(dòng)力，回轉(zhuǎn)缸為機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)提供轉(zhuǎn)矩［4］。

圖2　滑移旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

1.4機(jī)械臂總成

機(jī)械臂總成主要由旋轉(zhuǎn)座、主動(dòng)桿Ⅰ、主動(dòng)桿Ⅱ、從動(dòng)桿Ⅰ、從動(dòng)桿Ⅱ、伸縮液壓缸、連桿座、驅(qū)動(dòng)快、機(jī)械手總成組成，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的伸出與收回等動(dòng)作，如圖3所示。

該總成頂部是旋轉(zhuǎn)座，通過(guò)銷(xiāo)軸與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及連桿相連，是機(jī)械臂動(dòng)作的傳力者。當(dāng)液壓缸伸長(zhǎng)時(shí)，推動(dòng)主動(dòng)桿Ⅱ向前擺動(dòng)，在連桿座及驅(qū)動(dòng)塊的作用下，主動(dòng)桿Ⅰ、從動(dòng)桿Ⅰ、從動(dòng)桿Ⅱ及機(jī)械手同步向前移動(dòng)?；剞D(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，回轉(zhuǎn)軸將扭轉(zhuǎn)力矩傳遞給機(jī)械臂總成，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂總成0～180°旋轉(zhuǎn)。

此機(jī)械臂結(jié)構(gòu)僅用一個(gè)液壓缸，便可實(shí)現(xiàn)4根連桿的聯(lián)動(dòng)，且液壓缸較小的行程可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手較大的水平位移；連桿機(jī)構(gòu)的平行四邊形結(jié)構(gòu)保證了機(jī)械手始終處于水平狀態(tài)。

圖3　機(jī)械臂總成結(jié)構(gòu)

1.5機(jī)械手總成

機(jī)械手總成主要由盒體、液壓缸、彈簧座、彈簧、連桿、擋塊等部件組成，如圖4所示。液壓缸縮回時(shí)，彈簧作用于彈簧座及連桿，使擋塊處于關(guān)閉狀態(tài)，立根被限定在機(jī)械手前段的U形槽內(nèi)。當(dāng)機(jī)械手端部的液壓缸伸出時(shí)，推動(dòng)彈簧座及連桿，使擋塊向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)，擋塊打開(kāi)，立根可以與機(jī)械手脫離。

圖4　機(jī)械手總成結(jié)構(gòu)

2　液壓系統(tǒng)及控制原理

液壓系統(tǒng)及控制原理如圖5所示，液壓系統(tǒng)工作壓力8 MPa，采用開(kāi)式循環(huán)結(jié)構(gòu)。各個(gè)液壓元件順序動(dòng)作，由PLC控制電磁閥來(lái)控制液壓缸液壓馬達(dá)的動(dòng)作，同時(shí)由行程開(kāi)關(guān)以及傳感器把信號(hào)反饋給PLC來(lái)控制機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位置。

為防止重力超速，在伸縮臂運(yùn)動(dòng)回路上安裝限速閥，小車(chē)移動(dòng)回路安裝位移傳感器及緩速閥。

通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控可視系統(tǒng)，操作人員可在司鉆房?jī)?nèi)對(duì)取放立根進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，不僅提高了工作效率，而且降低了鉆井工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖5　液壓系統(tǒng)原理

3　創(chuàng)新點(diǎn)

井架排管機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、動(dòng)作穩(wěn)定可靠、安裝方便等特點(diǎn)。創(chuàng)新點(diǎn)如下：

1）滑移旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用獨(dú)特的箱式結(jié)構(gòu)，將移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)兩個(gè)功能集成在一個(gè)箱體內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便。此結(jié)構(gòu)已申請(qǐng)實(shí)用新型專(zhuān)利［5］。

2）機(jī)械臂總成采用全新的連桿結(jié)構(gòu)，較小的液壓缸行程便可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手較大的位移。

4　結(jié)論

1）通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)，排管機(jī)器人的動(dòng)作穩(wěn)定可靠，符合設(shè)計(jì)要求。

2）滑移旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用獨(dú)特的箱式結(jié)構(gòu)，將移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)兩個(gè)功能集成在一個(gè)箱體內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便。全新的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，使連桿運(yùn)動(dòng)輕便靈活。

3）在進(jìn)行液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，未過(guò)多考慮執(zhí)行件的速度控制問(wèn)題。

4）排管機(jī)器人對(duì)提高鉆井自動(dòng)化、安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面具有重要意義，可以推廣應(yīng)用于陸地鉆機(jī)、海洋鉆井平臺(tái)。

5）在機(jī)械手夾持方式及液壓回路控制方面應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行研究，提高機(jī)械手夾持鉆桿的性能，并實(shí)現(xiàn)執(zhí)行件速度的動(dòng)態(tài)控制。

［1］張先余.自動(dòng)化鉆機(jī)二層臺(tái)鉆桿排放技術(shù)的研究［D］.東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)，2012.

［2］劉文慶，崔學(xué)政，張富強(qiáng).鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)的發(fā)展及典型結(jié)構(gòu)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（11）：74-77.

［3］崔學(xué)政，劉文慶，肖文生，等.海洋鉆井平臺(tái)立柱式排管機(jī)設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（1）：45-49.

［4］中國(guó)有色工程設(shè)計(jì)研究總院.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：3卷［K］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［5］蔣壯強(qiáng)，王德余.新型滑移旋轉(zhuǎn)小車(chē)：中國(guó)，CN204457498U ［P］.2015-07-08.

Research and Manufacture of Mast Handling Robot

JIANG Zhuangqiang1，CUI Kai2，ZHANG Yong1，HAO Lijun2，ZHANG Chang1
（1．RG Petro-Machinery（Group）Co．，Ltd．，Nanyang 473006，China；2．China Petroleum Technology&Development Corporation，Beijing 100028，China）

Handing robot plays a very important role in improving safety and cost cutting of drill-ing rig，which is used for handling drilling pipes between the well center and set back area.Pipe-racking on drill floor is the most frequent procedure in automated pipe racking operation of drill-ing platform.In this paper，the general design of mast handing robot is provided，main parameter s of the mechanisms are introduced，hydraulic system chart and control mode of the mechanisms are presented.The device introduced in this paper is fits for X-Y type racking platform，which has many advantages like simple structure，simple and reliable operation，working stability，larger working range.The device can be used on land drilling rig and sea drilling rig for pipe racking op-eration.

handing robot；land drilling rig；sea drilling rig

TE928

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.014

1001-3482（2015）12-0055-04

2015-08-05

河南省重大科技專(zhuān)項(xiàng)“智能化斜直井鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”（141100210700）；“自升式海洋鉆井平臺(tái)鉆機(jī)的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”（111100210500）

蔣壯強(qiáng)（1983-），男，河南南陽(yáng)人，工程師，碩士，現(xiàn)從事石油鉆井設(shè)備的研究開(kāi)發(fā)工作，Email：jzhuangqiang2014 ＠163.com。