石油井下牽引機(jī)器人驅(qū)動單元優(yōu)化設(shè)計

劉娜娜，吳 偉，李 博

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

目前，油氣井開采主要通過鉆水平井增加油層泄油面積來提高開采率。在油井生產(chǎn)運行過程中，需要對油井執(zhí)行測井或修井作業(yè)，將檢測工具送入井下，傳統(tǒng)的連續(xù)油管、管柱等送進(jìn)方式，需要耗費較大的人力物力，利用牽引機(jī)器人將測井、修井儀器輸送至需要進(jìn)行監(jiān)測的目的段，完成油氣井內(nèi)的動態(tài)監(jiān)測，有效地改善了傳統(tǒng)送進(jìn)方式，極大提升測井工作效率[1-2]。

常見的牽引機(jī)器人按其運行方式不同，可分為：輪式牽引機(jī)器人、伸縮式牽引機(jī)器人以及履帶式牽引機(jī)器人。這里以較為常見的輪式牽引機(jī)器人為研究對象，作為井下作業(yè)的主要設(shè)備，它主要由執(zhí)行部分和控制部分組成，其中執(zhí)行部分是整個機(jī)器人的關(guān)鍵部分。由于牽引機(jī)器人在管內(nèi)爬行，所以其結(jié)構(gòu)緊湊、外徑尺寸較小，造成在井下牽引能力、越障能力及對井眼的適應(yīng)能力等方面存在一定的不足[3-4]。牽引性能作為牽引機(jī)器人的一個重要指標(biāo)，受到多個因素的影響，本研究旨在以牽引機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)構(gòu)的簡化模型為基礎(chǔ)，通過優(yōu)化分析，使?fàn)恳龣C(jī)器人的牽引性能得到進(jìn)一步改善[6]。

圖1 牽引機(jī)器人系統(tǒng)總成

1 輪式牽引機(jī)器人

1.1 總體結(jié)構(gòu)

輪式牽引機(jī)器人主要包括3大部分：地面控制單元、電纜收放裝置以及牽引機(jī)器人本體，如圖1所示。地面控制單元通過電纜將地面指令信號和電能傳送到牽引機(jī)器人本體，以及對井下儀器發(fā)送的控制指令和采集的信號進(jìn)行處理，達(dá)到實時監(jiān)測的目的。電纜收放裝置主要負(fù)責(zé)牽引機(jī)器人送進(jìn)過程中電纜的下放，以及測井完成牽引機(jī)器人纜線的回收。牽引機(jī)器人本體由井下執(zhí)行部分和井下控制部分。井下控制部分接受來自地面的指令，控制電機(jī)、離合器等的運行，其中井下執(zhí)行部分是研究的重點，通過井下控制部分的作用，來完成驅(qū)動臂的張開、收合，最終實現(xiàn)機(jī)器人的移動[7-8]。

1.2 工作原理

在牽引機(jī)器人到達(dá)水平段時，通過電機(jī)帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，推動絲杠螺母前進(jìn)，壓縮彈簧元件的同時推桿繞連接點轉(zhuǎn)動，帶動驅(qū)動臂轉(zhuǎn)動，將爬行輪緊壓在油管壁上，使得驅(qū)動臂、推桿、驅(qū)動單元主體之間產(chǎn)生1個封閉力，在封閉力的作用下，牽引機(jī)器人的爬行輪與管壁間產(chǎn)生1個正壓力，爬行輪與管壁之間的摩擦力足夠大時，爬行輪開始轉(zhuǎn)動，即牽引機(jī)器人前后移動。

2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

2.1 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型

優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵是建立數(shù)學(xué)模型（設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計約束）。驅(qū)動機(jī)構(gòu)是牽引機(jī)器人實現(xiàn)移動功能的核心單元，對其進(jìn)行分析研究有助于實現(xiàn)牽引機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計。因為牽引機(jī)器人的井下執(zhí)行部分相對復(fù)雜，所以對其進(jìn)行了相應(yīng)的簡化，簡化后的模型如圖2所示。

圖2 驅(qū)動單元簡化模型

圖中：L1為驅(qū)動臂臂座到輪心長度；L2為輪心到驅(qū)動臂端點長度；L3為推桿長度；D為管道內(nèi)徑；h為偏心距；α、β分別為驅(qū)動臂、推桿與x軸的夾角，α、β∈[0,70°]；N為單個爬行輪正壓力；F2為牽引力；F1為彈簧力；S1為推桿座到臂座的水平距離；S2為輪心到臂座的垂直距離。

牽引機(jī)器人所能產(chǎn)生的最大牽引力主要由管壁與輪之間的摩擦力決定。因此對驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，可得到彈簧力與正壓力的力學(xué)模型。

根據(jù)圖2的幾何關(guān)系，可得：

正壓力與彈簧力之間的相互關(guān)系有F1?dS1=2N?dS2，牽引力與正壓力F2=2μN(yùn)，可得彈簧力與驅(qū)動力的關(guān)系：

2.2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的優(yōu)化過程

2.2.1 爬行輪輪徑優(yōu)化

在圖2所示的驅(qū)動機(jī)構(gòu)中，在推桿與絲杠螺母之間的彈簧，需要吸收運動過程中產(chǎn)生的振動，減少沖擊，因此彈簧力越小，從電機(jī)傳遞過來的力被吸收的越少，傳遞效率越高。同時為了得到足夠大的正壓力，需要較大的正壓力，而正壓力的大小由彈簧力決定。所以，在實際工作中，應(yīng)保證在滿足牽引力條件下，所需彈簧力最小。因此，設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)為彈簧力最小。

在正壓力給定的條件下，取不同規(guī)格的套管，利用MATLAB進(jìn)行優(yōu)化計算，給出了不同爬行輪直徑情況下，彈簧力的大小。

圖3為根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)果，給出的彈簧力與爬行輪直徑間的關(guān)系曲線圖。由圖3可知，每條曲線都有1個轉(zhuǎn)折點，在轉(zhuǎn)折點之前，彈簧力隨爬行輪直徑的變化比較平緩，轉(zhuǎn)折點后，曲線斜率逐漸增大，彈簧力迅速增加，由圖中3條曲線分析可知，在正壓力給定的情況下，當(dāng)d輪=D/2時，彈簧力最小，驅(qū)動效率高。

圖3 彈簧力與爬行輪直徑間的關(guān)系曲線

2.2.2 驅(qū)動臂尺寸優(yōu)化

驅(qū)動機(jī)構(gòu)是1個連桿-滑塊機(jī)構(gòu)，彈簧力F1通過滑塊作用于驅(qū)動臂上，爬行輪受到正壓力N由轉(zhuǎn)動副作用于支撐臂上，兩者相互作用使系統(tǒng)平衡。

圖4 驅(qū)動單元受力分析

如圖4所示，為驅(qū)動機(jī)構(gòu)的受力分析，可知

驅(qū)動力的力矩M1為

正壓力N的力矩M2為

由力矩平衡可知

當(dāng)正壓力與彈簧力未知時，取K=F1/N，k的值越小，表示動作電機(jī)用較小的扭矩能產(chǎn)生更大的正壓力，從而得到足夠大的牽引力。由表1中的L1、L2、L3、h的取值規(guī)律可知，在牽引力大小、套管尺寸給定的情況下，在彈簧力隨爬行輪直徑變化的過程中，L3、h的取值是固定的，只有L1、L2的值在變化。取 D=164 mm，d=82 mm，L3=110 mm，h=10 mm，利用MATLAB程序中的fmincon（x）進(jìn)行優(yōu)化求解，確定目標(biāo)函數(shù)為最小Min（k）。仿真結(jié)果如表1所示。

表1 牽引機(jī)器人驅(qū)動單元的尺寸優(yōu)化參數(shù)

2.3 驅(qū)動機(jī)構(gòu)優(yōu)化后力學(xué)分析

在驅(qū)動機(jī)構(gòu)各參數(shù)值確定后，計算得kmin=0.213。對于優(yōu)化后的驅(qū)動單元，計算不同管徑情況下的k值，并利用MATLAB中的cftool工具箱，對其進(jìn)行擬合，擬合后的結(jié)果如圖5所示。

圖5 多項式曲線擬合結(jié)果

擬合度為99.67%，F(xiàn)1/N與管徑的函數(shù)表達(dá)式為

則爬行輪彈簧力與正壓力之間的關(guān)系可表示為

3 優(yōu)化可行性驗證

為了獲得足夠大的牽引力，牽引機(jī)器人多采用固定數(shù)量的爬行輪，通過提高爬行輪與管壁間的正壓力，使得爬行輪與油管內(nèi)壁間產(chǎn)生足夠大的摩擦力，多組驅(qū)動短節(jié)按一定方式組合，可以使載荷分配到多個爬行輪上，達(dá)到使機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加緊湊的目的。輪式牽引機(jī)器人，在正式進(jìn)行井下作業(yè)時，根據(jù)需要攜帶的儀器串重量，通過增加驅(qū)動短節(jié)的方式，達(dá)到攜帶要求。

為了驗證對驅(qū)動機(jī)構(gòu)優(yōu)化的可靠性，通過計算隨著驅(qū)動短節(jié)數(shù)量的增加，彈簧力、牽引力、驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的數(shù)值變化。取套管內(nèi)徑為164 mm，爬行輪直徑為d=82 mm，單只爬行輪受到的正壓力N=625 N時，牽引機(jī)器人的牽引力與模塊數(shù)量的關(guān)系如表2所示。

表2 驅(qū)動短節(jié)數(shù)量與牽引力的關(guān)系

取μ=1.04，絲杠所需轉(zhuǎn)矩為M=FP/（2π）。其中P為絲杠螺距，取P=5 mm；F為絲杠螺母所受的軸向力。由表2可知，通過優(yōu)化設(shè)計后，牽引力從1 300 N增加到3 900 N，絲杠的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩增加了0.459 N·m，可見優(yōu)化后的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，可有效提高驅(qū)動效率。

4 結(jié)束語

依據(jù)牽引機(jī)器人驅(qū)動機(jī)構(gòu)，提出了驅(qū)動機(jī)構(gòu)的簡化力學(xué)模型，通過優(yōu)化設(shè)計，得到爬行輪直徑d輪=D/2時，所需彈簧力最小，驅(qū)動效率最高；根據(jù)彈簧力與正壓力的比值最小，確定高傳遞效率下驅(qū)動機(jī)構(gòu)L1、L2的值；通過給出了彈簧力與正壓力之間的函數(shù)關(guān)系，大大簡化了驅(qū)動結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析與計算；最后驗證了在絲杠驅(qū)動轉(zhuǎn)矩變化較小情況下，通過增加驅(qū)動短節(jié)，可成倍提高牽引機(jī)器人的牽引力。