小型陸地鉆機新型鉆具排放機械臂設計方案

馬小石，張成功

（1.西南石油大學，四川成都610500；2.中國石化勝利石油管理局勝利采油廠，山東東營257051）

小型陸地鉆機新型鉆具排放機械臂設計方案

馬小石*1，張成功2

（1.西南石油大學，四川成都610500；2.中國石化勝利石油管理局勝利采油廠，山東東營257051）

鉆具排放機械臂是鉆機自動化的關(guān)鍵技術(shù)設備，過去主要集中在海洋鉆機和大型陸地鉆機上進行研究與應用，而在陸地小型鉆機上所做的研究工作很少。在研究以往鉆具排放設備基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)代機械設計理論和UG三維設計軟件設計了一種可用于陸地小型鉆機的鉆具排放機械臂，并應用動力學分析軟件ADAMS和有限元分析軟件ANSYS對其進行了強度分析，保證機械臂的安全穩(wěn)定工作。機械臂主要由四連桿結(jié)構(gòu)的臂架、回轉(zhuǎn)機構(gòu)及末端的機械手組成，其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，用鉆臺氣動絞車即可吊起，安裝拆卸方便。機械臂配合鉆臺起吊設備，可以實現(xiàn)鉆臺立根的排放、接方鉆桿、完鉆甩單根等作業(yè)，通過更換手爪，還可進行下套管作業(yè)。

小型；自動化；機械臂；UG；ADAMS；ANSYS

鉆臺管具的機械化處理是鉆機自動化的重要組成部分［1］，隨著鉆機自動化的發(fā)展，近年來國內(nèi)也陸續(xù)出現(xiàn)了多種鉆臺管具的機械化處理設備，并推廣應用取得了良好的效果。如四川宏華石油設備有限公司的PRM-100型排管裝置［2］；李進付等人設計的鉆臺自動化機械手裝置［3］；以及白丙建等人研制的TJG93/4-10二層臺自動井架工［4］等。這些鉆具排放設備主要都是針對環(huán)境比較惡劣的海洋鉆井平臺或是鉆臺空間比較大的陸地鉆機而開發(fā)的，而對于小型陸地鉆機，以往的排放設備由于體積及結(jié)構(gòu)等原因并不適用。國內(nèi)小型陸地鉆機種類多、數(shù)量大，如寶雞石油機械公司生產(chǎn)的ZJ30/1700和ZJ20/1350ZDB鉆機，勝利油田在用的F-320鉆機，以及在大慶-Ⅱ型鉆機等，都需要裝備鉆具排放機械臂來進一步實現(xiàn)機械化自動化。和國磊等人針對可抬頭式全液壓鉆機設計了一種BG型鉆桿排放機械手設備［5］，能夠很好的配合全液壓車載鉆機進行鉆桿排放作業(yè)，為在小型鉆機上開發(fā)鉆具排放機械臂提供了借鑒。為適應小陸地式鉆機鉆具排放自動化技術(shù)發(fā)展的需要，采用現(xiàn)代機械設計理論和UG三維設計軟件，以大慶-Ⅱ鉆機為研究對象，設計了一種新型的陸地鉆機鉆具排放機械臂機構(gòu)。

1　機械臂機構(gòu)設計

1.1整體結(jié)構(gòu)及鉆臺布局

機械臂整體結(jié)構(gòu)由底座、回轉(zhuǎn)支承、大臂、前伸臂、連桿、變幅液壓缸、末端機械手等機構(gòu)組成。底座采用4顆M24的螺栓與螺母固定在鉆臺面上，機械臂上方連接軸處裝有起吊環(huán)，用于機械臂的吊裝。底座旁裝有液壓油泵，為整個裝置的液壓系統(tǒng)提供動力。變幅液壓缸可以帶動前伸臂向前伸出或向后縮回，回轉(zhuǎn)大齒輪在液壓馬達的帶動下可以進行360°的旋轉(zhuǎn)運動，以實現(xiàn)不同方向的作業(yè)要求。末端機械手處的液壓缸可以控制機械手的開合，從而實現(xiàn)對鉆具的夾持和松開。圖1是機構(gòu)的運動簡圖。

分析機械臂處的四連桿機構(gòu)，由自由度公式F=3n-2pl-ph可知，此四連桿含有3個可自由運動的構(gòu)件前臂、后臂及上方的擺空連桿，并含有4個轉(zhuǎn)動副，無高副，故此四連桿機構(gòu)的自由度為1，因此，只需添加一個原動件就可使此四連桿機構(gòu)在平面內(nèi)有確定的運動［6-7］。

1.2工作流程

以起鉆時鉆桿從井口移送至排放架為例，來對機械臂的工作原理進行說明。起鉆時，游車通過吊卡將一柱鉆桿提出井口，將卡瓦坐好并卸扣以后，機械臂向前伸至井口位置后，末端機械手夾持立柱。待末端機械手夾持立柱后，機械臂反方向縮回。此時，液壓馬達帶動回轉(zhuǎn)齒輪轉(zhuǎn)動至排放架方向，機械臂再次伸出至排放架位置，末端機械手松開，立柱即可被放置于指定位置。至此，排放一根立柱的操作過程結(jié)束，機械臂再次伸至井口，重復以上動作，即可完成起鉆時鉆桿的排放作業(yè)。依此類推，同樣可以完成下鉆作業(yè)。

1.3主要技術(shù)參數(shù)

機械臂高度：2.6m；

底座面積：0.25m2；

適用的鉆具直徑范圍：60.3～177.8mm；

機械臂向前設計最大推力：4000N；

機械臂完全伸展后水平延伸距離：3m；

設計旋轉(zhuǎn)最大扭矩：4kN·m。

1.4機械臂主要特點

（1）此機械臂由于采用了鉸鏈四連桿結(jié)構(gòu)設計，運動副都為轉(zhuǎn)動副，承受壓力小，不易磨損。

（2）組成機構(gòu)多為桿，造型簡單，易于后期加工獲得較高的精度。

（3）占據(jù)平臺空間小，不會妨礙其他作業(yè)。

（4）由于體積小，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，使得它安裝拆卸比較方便，整個裝置只需4個地腳螺栓就可固定在鉆臺面上，方便井隊吊裝和搬運。

圖1　機械臂機構(gòu)運動圖

2　機械臂強度分析

鉆具排放機械臂在工作中除需要達到穩(wěn)定運動，實現(xiàn)預定的動作外，還需要保證裝置在工作中滿足強度要求。本小節(jié)將在前面對機械臂關(guān)鍵零部件強度分析的基礎(chǔ)上，通過ADAMS軟件計算各鉸鏈孔的受力情況，并運用有限元分析軟件ANSYS，分析它們在靜力學狀態(tài)下的應力狀況，以保證機械臂在工作過程中的安全穩(wěn)定性。

將機械臂模型導入ADAMS中建立的動力分析模型及并進行模型檢驗，為保證機械臂安全工作，以機械臂從最大工作行程3m處拉取7″鉆鋌立柱為例進行分析。機械臂水平拉取鉆具3m，立柱長按28.5m計算，7″鉆鋌米重為163kg/m，可知機械手處所需拉力為4890N，將此拉力加至機械手處，模擬時間為8s，由軟件計算處各零件處所受的支反力，根據(jù)支反力的大小可進行模型的有限元強度校核。

2.1前臂強度分析

在adams軟件中將前臂受力情況輸出，可知前臂3個鉸鏈孔處的最大受力分別為16146N、4584N、18207N，將前臂模型導入ansys軟件中并施加約束載荷，即可得到前伸臂的應力變化情況。

前臂材質(zhì)選取20#鋼，其屈服極限為245MPa，由ansys分析結(jié)果可知，前臂工作時的各部分應力都較小，前臂上最大應力為32.5MPa，遠小于材質(zhì)的屈服極限，結(jié)構(gòu)強度有較大的余量，因此，后臂的結(jié)構(gòu)設計是安全的。

2.2后臂強度分析

在adams軟件中將后臂受力情況輸出，可知前臂3個鉸鏈孔處的最大受力分別為8136N、18349N、16146N，將后臂模型導入ansys軟件中并施加約束載荷，得到后臂的應力變化情況如。

后臂材質(zhì)選取20#鋼，其屈服極限為245MPa，由ansys分析結(jié)果可知，后臂工作時的各部分應力都較小，后臂上最大應力為93.6MPa，遠小于材質(zhì)的屈服極限，結(jié)構(gòu)強度有較大的余量，因此，后臂的結(jié)構(gòu)設計是安全的。

2.3機械手強度分析

由對末端機械手的受力分析可知，機械臂工作時作用在機械手指上的最大壓力為將鉆具拉至最遠處3m時正向壓在手指末端時產(chǎn)生，大小為4350N，將此載荷施加于模型上得到機械手應力變化情況。

機械手指材質(zhì)選取20#鋼，其屈服極限為245MPa，由圖19可知，機械手工作時的各部分應力都較小，最大應力出現(xiàn)在手指端部，為80MPa，遠小于材質(zhì)的屈服極限，結(jié)構(gòu)強度有較大的余量，因此，機械手指結(jié)構(gòu)設計是安全的。

3　結(jié)論

（1）設計了適用于小型陸地鉆機的鉆具排放機械臂，配合起吊設備可以實現(xiàn)起下鉆時立根的排放，鉆進時接單根，完鉆甩鉆桿等作業(yè)。

（2）機械臂結(jié)構(gòu)設計簡單，體積小，機械臂工作時的最小回轉(zhuǎn)半徑只有300mm，質(zhì)量輕，整個裝置重量不到1噸，用鉆臺氣動絞車即可吊起，安裝拆卸便捷。

（3）機械臂的強度分析結(jié)果表明，機械臂在工作時，主要零部件的應力變化都遠小于材質(zhì)的屈服極限，安全可靠，可以滿足工作需求。

［1］M.D.Dunn，P.Archey，E.A.Opstad，etc，Design，Specification，and. Construction of a Light，Automated Drilling System（LADS）［R］. SPE 74451，2002

［2］朱吉良.鉆桿自動傳送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計與仿真分析［D］.長春：吉林大學碩士學位論文，2012.

［3］李進付，安慶寶，董懷榮.鉆臺自動化機械手裝置的研制［J］.石油械，2010，38（11）：80-81.

［4］白丙建，賈濤，高明.TJG93/4-10自動井架工的研制［J］.石油機械，2014，42（11）：46-48.

［5］和國磊，許本沖，秦如雷.BG型鉆桿排放設備的設計與應用［J］.探礦工程，2014，41（4）：42-45.

［6］李威，王小群.機械設計基礎(chǔ)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

［7］張曉玲.實用機構(gòu)設計與分析［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2010.

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A

1004-5716（2016）03-0064-03

2015-03-20

2015-03-20

馬小石（1983-），男（回族），山東東營人，西南石油大學石油與天然氣工程學院在讀碩士研究生，研究方向：石油鉆井工程機械。