單機(jī)械手夾持狀態(tài)下鉆桿運(yùn)移平穩(wěn)性分析

李昊軒，王清巖*，2，金贈(zèng)伍，李苓豪，郭乃銘

（1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026；2.復(fù)雜條件鉆采技術(shù)自然資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（吉林大學(xué)），吉林 長(zhǎng)春 130026）

0 引言

如今自動(dòng)排管機(jī)等自動(dòng)化裝備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鉆井工程領(lǐng)域。國外石油鉆探自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)二層臺(tái)鉆桿排放的自動(dòng)化操作。近些年來，國內(nèi)針對(duì)石油鉆井自動(dòng)化技術(shù)的研究突飛猛進(jìn)，已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了管具運(yùn)移裝置的自動(dòng)化［1-3］。

在地質(zhì)巖心鉆探領(lǐng)域，國外已經(jīng)完成巖心鉆機(jī)的自動(dòng)化和智能化升級(jí)，極大地提高了取心質(zhì)量和工作效率。而我國針對(duì)鉆探裝備自動(dòng)化的研制和應(yīng)用才剛剛起步，所用設(shè)備自動(dòng)化水平低，無法滿足發(fā)展需要。

鉆桿夾持機(jī)械手作為自動(dòng)排管機(jī)的重要組成部分，排管機(jī)工作時(shí)，通過其夾持并提升鉆具，再將鉆具于井口和指梁間進(jìn)行往返運(yùn)輸。其應(yīng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕等特點(diǎn)；同時(shí)確保鉆桿夾持的可靠性，尤其是在夾持鉆桿并運(yùn)移的過程中應(yīng)具有足夠的卡緊力?，F(xiàn)有石油鉆井常用的機(jī)械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大，且夾持鉆桿后，鉆桿自由度為零。當(dāng)鉆桿被運(yùn)移至井口后，機(jī)械手松開，頂驅(qū)帶動(dòng)鉆桿進(jìn)行對(duì)接，此時(shí)鉆桿下端處于懸空狀態(tài)，鉆桿旋轉(zhuǎn)時(shí)易發(fā)生偏軸［4-10］。

地質(zhì)巖心鉆探相對(duì)于石油鉆探所用鉆桿直徑和鉆塔尺寸都相對(duì)偏小，把石油鉆井機(jī)械手比例縮小無法保證其功能和強(qiáng)度滿足條件［11-13］。因此應(yīng)進(jìn)一步針對(duì)地質(zhì)巖心鉆探領(lǐng)域?qū)芫哌\(yùn)移裝置進(jìn)行創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出適用于地質(zhì)巖心鉆探的新型機(jī)械手。應(yīng)提高機(jī)械手自動(dòng)化程度；減小機(jī)械手尺寸和質(zhì)量，以適應(yīng)地質(zhì)鉆探施工環(huán)境；提高其停泵保壓性能，以滿足鉆桿運(yùn)移動(dòng)作；實(shí)現(xiàn)夾緊鉆桿時(shí)保留其旋轉(zhuǎn)自由度，提高鉆桿接卸時(shí)的穩(wěn)定性，以更好地滿足現(xiàn)代鉆探作業(yè)的需求。

1 主要研究?jī)?nèi)容

本文主要設(shè)計(jì)了一種新型機(jī)械手，并研究其夾緊運(yùn)移鉆桿時(shí)的平穩(wěn)性。該機(jī)械手結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，通過滾輪結(jié)構(gòu)夾持鉆桿，保留了鉆桿的旋轉(zhuǎn)自由度。由于存在泄漏，通過蓄能器維持液壓回路壓力，增強(qiáng)了回路停泵保壓性能。

設(shè)計(jì)的機(jī)械手屬于自動(dòng)排管機(jī)中的夾持機(jī)構(gòu)，配合翻轉(zhuǎn)和平移機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)起下鉆時(shí)的夾持及運(yùn)移功能。機(jī)械手整體動(dòng)作分為夾緊鉆桿動(dòng)作、翻轉(zhuǎn)鉆桿動(dòng)作和平移鉆桿動(dòng)作3 部分。為研究翻轉(zhuǎn)和平移期間機(jī)械手的夾緊效果，聯(lián)合機(jī)械手多體動(dòng)力學(xué)模型和配套的液壓回路模型進(jìn)行仿真。通過仿真得到針對(duì)不同直徑鉆桿，鉆桿夾緊力及鉆桿重心位移隨液壓系統(tǒng)壓力變化的曲線。最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析，確定液壓系統(tǒng)的許用壓力范圍，并驗(yàn)證了單機(jī)械手夾持狀態(tài)下鉆桿運(yùn)移平穩(wěn)性滿足要求。

2 機(jī)械手傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意見圖1。其工作原理為：液壓缸活塞桿向外伸出，活塞桿通過傳動(dòng)桿驅(qū)動(dòng)楔形推板移動(dòng)，進(jìn)而通過楔形推板兩側(cè)的曲面與后滾輪的接觸，帶動(dòng)機(jī)械手夾板繞長(zhǎng)銷軸旋轉(zhuǎn)，最終通過前、中滾輪夾緊鉆桿。曲面斜楔機(jī)構(gòu)使機(jī)械手夾持鉆桿的過程更加平穩(wěn)。

圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of the manipulator

該機(jī)構(gòu)活動(dòng)件由6 個(gè)，包括楔形推板、兩個(gè)機(jī)械手夾板、兩個(gè)中滾輪和一個(gè)鉆桿，有5 個(gè)低副和6 個(gè)高副，該機(jī)構(gòu)自由度為F=3×6-2×5-6=2 個(gè)，可以對(duì)楔形推板施加平移驅(qū)動(dòng)、對(duì)鉆桿施加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。

2.2 機(jī)械手傳動(dòng)系統(tǒng)建模

該機(jī)械手由箱體、液壓缸、傳動(dòng)桿、楔形推板、機(jī)械手夾板、滾輪、長(zhǎng)銷軸等部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖2、圖3 所示。通過4 組滾輪夾持鉆桿，可以更好地貼合不同直徑的鉆桿，既能穩(wěn)定夾持鉆桿，又提高了工作效率保留了鉆桿旋轉(zhuǎn)自由度。當(dāng)鉆桿運(yùn)移至井口后，在機(jī)械手機(jī)械夾持懸空的狀態(tài)下進(jìn)行對(duì)接，提高了工作效率和工作穩(wěn)定性。機(jī)械手夾持管徑范圍為?73～127 mm，最大夾持懸重為110000 N，滾輪及鉆桿間的摩擦系數(shù)為0.15，夾持鉆桿質(zhì)量范圍為250～1050 kg［14］。

圖2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the manipulator

圖3 機(jī)械手內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal structure of the manipulator

機(jī)械手中的活塞桿配合防松螺母和墊圈固定傳動(dòng)桿，楔形推板通過螺栓連接固定在傳動(dòng)桿下端的卡槽中；楔形推板兩側(cè)具有凸型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與安裝于箱體兩側(cè)的尼龍導(dǎo)軌相配合，當(dāng)楔形推板移動(dòng)時(shí)對(duì)其進(jìn)行導(dǎo)向；前滾輪和后滾輪通過銷軸分別安裝在機(jī)械手夾板的前后兩端，中滾輪通過銷軸安裝在可調(diào)座板上，滾輪上的滾輪套通過限位套與其他部件隔開，使其可以繞銷軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過滾輪夾緊鉆桿時(shí)，保留了鉆桿的旋轉(zhuǎn)自由度。一根立根由3 根鉆桿祖成，長(zhǎng)18 m。當(dāng)立根運(yùn)移至井口后，動(dòng)力頭抓取立根上端，立根下端處于自由狀態(tài)，動(dòng)力頭帶動(dòng)立根旋轉(zhuǎn)時(shí)易發(fā)生偏軸現(xiàn)象，導(dǎo)致立根無法擰卸甚至接頭螺紋破損。該新型機(jī)械手保留了鉆桿旋轉(zhuǎn)自由度，可以在擰卸鉆桿時(shí)繼續(xù)夾持鉆桿，保證擰卸鉆桿時(shí)軸線不發(fā)生偏移［15-16］。

后滾輪可與楔形推板兩側(cè)的曲面斜楔結(jié)構(gòu)相配合，對(duì)機(jī)械手的加緊起到增壓作用。長(zhǎng)銷軸通過銷軸分別安裝在箱體上，機(jī)械手夾板可繞長(zhǎng)銷軸旋轉(zhuǎn)?；爻贪逋ㄟ^中間的方形槽套裝在傳動(dòng)桿上，并通過螺栓連接固定在傳動(dòng)桿中部，其導(dǎo)槽用于機(jī)械手復(fù)位。

3 機(jī)械手液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 液壓控制回路設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)液壓缸的動(dòng)作、壓力調(diào)節(jié)原理和系統(tǒng)保壓的功能，其液壓回路如圖4 所示。

圖4 機(jī)械手液壓系統(tǒng)控制原理Fig.4 Control principle of the hydraulic system of the manipulator

其工作原理為：進(jìn)行夾緊鉆桿動(dòng)作時(shí)，打開發(fā)動(dòng)機(jī)，液壓泵開始供油，分段線性信號(hào)輸入負(fù)值，反饋信號(hào)值為1，此時(shí)通過信號(hào)控制夾緊機(jī)構(gòu)回路中的比例方向閥處于右位，此時(shí)液壓系統(tǒng)開始工作。一部分液壓油進(jìn)入蓄能器，一部分液壓油進(jìn)入液壓缸的無桿腔，驅(qū)動(dòng)活塞桿伸出，從而夾緊鉆桿。夾緊鉆桿后回路中的壓力繼續(xù)升高，當(dāng)?shù)竭_(dá)液壓回路額定壓力值時(shí)，反饋信號(hào)值變?yōu)?，通過該反饋信號(hào)控制方向閥回到中位，此時(shí)負(fù)載敏感變量泵停止工作，回路通過蓄能器進(jìn)行保壓。

為減少能耗，液壓回路中采用負(fù)載敏感變量泵，可以使回路的壓力和流量相匹配。剛開始工作時(shí)，液壓系統(tǒng)負(fù)載很小，負(fù)載敏感閥處于右位，負(fù)載敏感泵液壓缸中的活塞桿在彈簧力的作用下處于最右端，負(fù)載敏感變量泵此時(shí)輸出最大流量。機(jī)械手夾緊鉆桿后，方向控制閥關(guān)閉，方向控制閥前端液壓回路壓力繼續(xù)增加，當(dāng)其大于閥后液壓回路壓力與彈簧力的和時(shí)，控制負(fù)載敏感閥處于左位，主油路聯(lián)通負(fù)載敏感泵液壓缸，液壓缸活塞桿在液壓力的作用下克服彈簧向左移動(dòng)，負(fù)載敏感變量泵輸出流量變小，直至接近0。

通過安裝蓄能器，既可以吸收回路中的沖擊壓力，也可以減小泄漏對(duì)回路壓力造成的影響，提高液壓系統(tǒng)的停泵保壓效果。

在液壓回路中設(shè)置的雙向平衡閥具有鎖緊作用，避免在運(yùn)移鉆桿的過程中，因?yàn)榕鲎不虬l(fā)生壓力波動(dòng)造成機(jī)械手失效，提高了機(jī)械手的工作穩(wěn)定性［17-20］。

3.2 液壓控制回路參數(shù)設(shè)置

回路中的分段控制信號(hào)為：0～-1，1 s；-1～-1，8 s；-1～0，1 s；0～0，120 s。一方面采用分段信號(hào)可以減小電磁比例方向閥開啟和關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的液壓沖擊，提高了機(jī)械手工作的穩(wěn)定性；另一方面，10 s 后控制信號(hào)變?yōu)?，當(dāng)液壓回路壓力低于額定工作壓力時(shí)反饋信號(hào)值重新變?yōu)?，但電磁比例方向閥依舊處于中位，液壓泵依舊停止輸出。

將液壓系統(tǒng)額定工作壓力設(shè)置為13 MPa；為保證機(jī)械手可以完成運(yùn)移鉆桿的整個(gè)過程，單次充液保壓時(shí)間應(yīng)大于120 s；根據(jù)文獻(xiàn)查閱［21-25］，一般液壓回路中泄漏量較小，為驗(yàn)證蓄能器的保壓效果，泄漏流量擬定值適當(dāng)偏大為0.04 L/min；一般蓄能器有0.4、0.63 和1 L 等型號(hào)，在保證液壓系統(tǒng)響應(yīng)速度的基礎(chǔ)上，為達(dá)到最好的保壓效果，蓄能器容積為1 L。

4 機(jī)械手聯(lián)合仿真分析

機(jī)械手整體動(dòng)作：開始工作時(shí)，液壓缸驅(qū)動(dòng)機(jī)械手在井架處夾持鉆桿。待穩(wěn)定夾持后，機(jī)械手翻轉(zhuǎn)90°并進(jìn)行平移，將鉆桿運(yùn)移至井口?？刂菩盘?hào)參數(shù)如表1 所示。

表1 控制信號(hào)參數(shù)Table 1 Control signal parameters

為分析機(jī)械手運(yùn)移鉆桿時(shí)的平穩(wěn)性，以直徑為127 mm 的鉆桿為例，通過聯(lián)合仿真分析機(jī)械手前、中滾輪與鉆桿間的受力（即鉆桿夾緊力）變化情況及鉆桿重心的位移情況。

4.1 機(jī)械手運(yùn)移過程分析

首先打開發(fā)動(dòng)機(jī)，機(jī)械手開始夾緊鉆桿，當(dāng)機(jī)械手夾緊鉆桿后，機(jī)械手開始翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)90°，機(jī)械手翻轉(zhuǎn)角速度為0.1 rad/s，整個(gè)翻轉(zhuǎn)動(dòng)作從第15 s 開始，整個(gè)動(dòng)作時(shí)間為15 s。機(jī)械手翻轉(zhuǎn)時(shí)鉆桿轉(zhuǎn)速如圖5 所示。

圖5 鉆桿轉(zhuǎn)速Fig.5 Angular velocity of the drill pipe

機(jī)械手完成翻轉(zhuǎn)動(dòng)作后進(jìn)行平移動(dòng)作，機(jī)械手夾持鉆桿將其運(yùn)移至井口處，平移動(dòng)作過程中機(jī)械手的速度為0.01 m/s。整個(gè)平移動(dòng)作從第60 s 開始，到第110 s 結(jié)束，整個(gè)動(dòng)作時(shí)間為50 s，鉆桿平移0.5 m。鉆桿的水平位移如圖6 所示［26］。

圖6 鉆桿水平位移曲線Fig.6 Drill pipe horizontal displacement curve

機(jī)械手最大長(zhǎng)度為600 mm，寬度最大為350 mm，翻轉(zhuǎn)角度為90°，水平位移為0.5 m，所占工作空間寬≯620 mm，長(zhǎng)≯1500 mm。

4.2 鉆桿受力情況分析

機(jī)械手夾持鉆桿的平穩(wěn)性首先體現(xiàn)在鉆桿夾緊力上。圖7～10 為中滾輪及前滾輪與鉆桿間的接觸力變化曲線。中滾輪1 與鉆桿間接觸力x軸分力最終為4192 N，y軸分力最終為10244 N；中滾輪2 與鉆桿間接觸力x軸分力最終為2297 N，y軸分力最終為9740 N；前滾輪1 與鉆桿間接觸力x軸分力最終為7329 N，y軸分力最終為12602 N；前滾輪2 與鉆桿間接觸力x軸分力最終為39223 N，y軸分力最終為7378 N；可知中滾輪1 與鉆桿間的徑向力為11069 N，中滾輪2 與鉆桿間的徑向力為10007 N，前滾輪1 與鉆桿間的徑向力為14578 N，前滾輪2 與鉆桿間的徑向力為39911 N。

圖7 中滾輪1 與鉆桿間的接觸力Fig.7 Contact force curve of the middle rollers and the drill pipe

圖8 中滾輪2 與鉆桿間的接觸力Fig.8 Contact force curve of the middle rollers and the drill pipe

改變鉆桿的直徑及重復(fù)上述仿真，由于機(jī)械手夾持范圍為?73～127 mm，測(cè)試的是直徑為127、108、89 和73 mm 的4 種鉆桿，回路壓力以13 MPa 為基點(diǎn)，1 MPa 為間隔進(jìn)行測(cè)試，記錄鉆桿與滾輪間最大接觸力變化情況，表2 為不同直徑鉆桿在不同回路壓力下接觸力變化情況。針對(duì)?127 mm 鉆桿，液壓回路壓力＞13 MPa 時(shí)，機(jī)械手夾緊力過大，鉆桿發(fā)生破壞，仿真中止；當(dāng)液壓回路壓力＜7 MPa 時(shí)，機(jī)械手夾緊力過小，鉆桿脫離機(jī)械手。同理，針對(duì)? 108 mm 鉆桿，液壓回路壓力最大為13 MPa，最小為7 MPa；針對(duì)?89 mm 鉆桿，液壓回路壓力最大為8 MPa，最小為5 MPa；針對(duì)?73 mm 鉆桿，液壓回路壓力最大為5 MPa，最小為3 MPa。

表2 不同直徑鉆桿在不同回路壓力下接觸力變化情況Table 2 Changes in contact force of drill pipes of different diameters at different circuit pressures

圖9 前滾輪1 與鉆桿間的接觸力Fig.9 Contact force curve of the front rollers and the drill pipe

圖10 前滾輪2 與鉆桿間的接觸力Fig.10 Contact force curve of the front rollers and the drill pipe

為避免運(yùn)移鉆桿時(shí)發(fā)生碰撞導(dǎo)致接觸力過大破壞鉆桿，液壓回路許用壓力最大值應(yīng)低于額定壓力最大值，可以得到結(jié)論：當(dāng)鉆桿直徑為127 mm 時(shí)，液壓回路許用壓力范圍為7～12 MPa；當(dāng)鉆桿直徑為108 mm 時(shí)，液壓回路許用壓力范圍為7～12 MPa；當(dāng)鉆桿直徑為89 mm 時(shí)，液壓回路許用壓力范圍為5～7.5 MPa；當(dāng)鉆桿直徑為73 mm 時(shí)，液壓回路許用壓力范圍為3～4.5 MPa。

綜上所述，在液壓回路許用壓力范圍內(nèi)，當(dāng)機(jī)械手開始和結(jié)束翻轉(zhuǎn)及平移動(dòng)作時(shí)，機(jī)械手會(huì)有一定的載荷波動(dòng)，但可以保證仍有足夠的壓力夾緊鉆桿。

4.3 鉆桿重心位移分析

鉆桿重心下降位移直觀反映了機(jī)械手的夾持效果。改變鉆桿的直徑，且針對(duì)不同采用相應(yīng)的最大液壓回路許用壓力，夾持直徑為127 mm 的鉆桿時(shí)，液壓回路壓力設(shè)置為13 MPa；夾持直徑為108 mm的鉆桿時(shí)，液壓回路壓力設(shè)置為12 MPa；夾持直徑為89 mm 的鉆桿時(shí)，液壓回路壓力設(shè)置為8 MPa；夾持直徑為73 mm 的鉆桿時(shí)，液壓回路壓力設(shè)置為5 MPa。圖11 為夾持直徑為127、108、89 和73 mm 的鉆桿時(shí)，鉆桿重心的位移曲線。

由圖11 可以看出機(jī)械手夾持大直徑鉆桿在開始和結(jié)束翻轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)，鉆桿會(huì)有明顯的下滑情況。同時(shí)可知鉆桿重心的初始位置為-60 mm（z軸正向?yàn)橹亓Ψ较颍?，機(jī)械手從夾持鉆桿到最終將鉆桿運(yùn)移到井口后，直徑為127 mm 的鉆桿重心最終位置為-23.7 mm，直徑為108 mm 的鉆桿重心最終位置為-21.5，直徑為89 mm 的鉆桿重心最終位置為-31.7 mm，直徑為73 mm 的鉆桿重心最終位置為-40.8 mm。鉆桿重心分別下滑3.63、3.85、2.82、1.92 cm。一般情況下，鉆桿長(zhǎng)度按3 m 一根計(jì)算，深井巖心鉆探都是接立根鉆進(jìn)的，按一個(gè)立根18 m 長(zhǎng)，鉆桿重心下滑的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于立根的長(zhǎng)度，可以忽略不計(jì)。綜上所述，機(jī)械手在運(yùn)移鉆桿的過程中夾持鉆桿的平穩(wěn)性滿足要求，且夾持小直徑鉆桿時(shí)效果更好。

圖11 鉆桿重心位移曲線Fig.11 Gravity displacement curve of drill pipe

5 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了一種新型的機(jī)械手及對(duì)應(yīng)的液壓控制回路，保留了鉆桿的旋轉(zhuǎn)自由度，實(shí)現(xiàn)了排管機(jī)構(gòu)及鉆具旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的聯(lián)合作業(yè)，提高了施工效率和施工安全性。

（2）進(jìn)行了單機(jī)械手多體動(dòng)力學(xué)模型和液壓回路的聯(lián)合仿真分析，確定了在液壓回路許用工作壓力范圍內(nèi)，機(jī)械手可以穩(wěn)定夾持的功能及運(yùn)移鉆桿時(shí)的穩(wěn)定性滿足要求。