（机械工程专业论文）自动化钻机二层台钻杆排放技术的研究.pdf

摘要 钻杆排放系统又称自动排管机，它是井口机械化的主要系统之一，在钻井起下钻作 业过程中，系统承担对管状类钻具行夹持、提升、下放、平移和回转等操作。 本文结合我国石油钻机的实际需要，基于现役钻机结构，设计一套以二层台导轨运 动为主的钻杆自动排放系统，为自动化钻机的发展打下基础。 钻杆排放系统分上下两个部分，二层台运动轨迹由导轨控制，钻台机械手运动轨迹 由钻台上的横梁和摆动臂控制。 本文主要包括设计钻杆自动排放系统整体控制方案，将机械结构与驱动系统进行综 合考虑，并结合钻机的实际工作时的控制流程，合理组合各个控制模块，完成自动化钻 机整体控制方案的设计。对重要的部件进行必要的力学分析，并根据实际载荷的大小确 定液压元件的型号，为系统设计了液压回路，为系统选择了现场总线并用p l c 编程软件 对控制过程进行编程，完成对系统的控制。 关键词：钻杆排放系统控制流程p l c 编程 a b s t r a c t p i p eh a n d i n gs y s t e ma l s oc a l l e dp i p ea u t o m a t i cd i s c h a r g er i g ，i t i so n eo ft h em o s t i m p o r t a n ts y s t e m s i nt h ew e l l h e a dm e c h a n i z a t i o n ，i nt h ed r i l l i n go p e r a t i o n s ，t h es y s t e m b e a r sc l a m p i n g ，u p g r a d i n g ，t r a n s l a t i n ga n dr o t a t i n gt h et u b ea n ds oo n i nt h ep a p e r ，c o m b i n ew i t ht h ea c t u a ln e e d so fc h i n a so i lr i g s ，b a s e do nt h es t r u c t u r eo ft h ea c t i v e - d u t yr i g s ，id e s i g nap i p eh a n d i n gs y s t e mw h i c hb a s e do nt h er a i lm o v e m e n to nr a c k i n gp l a t f o r m ，m a k et h ef o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t e dd r i l l i n gr i g s t h i ss y s t e md i v i d e di nt w op a r t s ，o n eg u i d e db yt h em o v e m e n to fr a i lo nr a c k i n g p l a t f o r m ，a n o t h e rc o n t r o l l e db yt h eb e a ma n ds w i n ga r n l o nd r i l l i n gs t a g e i nt h ep a p e r , i tm a i n l yi n c l u d e st h ed e s i g no fd r i l lp i p ea u t o m a t i cd i s c h a r g es y s t e m0 v e r a l lc o n t r o lp r o g r a m ，t a k e sm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dd r i v es y s t e mi n t oc o n s i d e r a t i o n ，c o m b i n e sw i t ht h ea c t u a lw o r k sc o n t r o lf l o w , c o m p l e t e st h ed e s i g no fa u t o m a t i cr i g so v e r a l lc o n t r o lp r o g r a mw i t ht h er e a s o n a b l ec o m b i n a t i o no ft h ev a r i o u sc o n t r o lm o d u l e s a n a l y s i s t h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h en e c e s s a r ym e c h a n i c s ，a n da c c o r d i n gt ot h es i z eo ft h el o a dt od e t e r m i n et h eh y d r a u l i cc o m p o n e n t so ft h em o d e l ，id e s i g nt h eh y d r a u l i cc i r c u i tf o rt h es y s t e m s e l e c tt h ef l e l d b u sa n du s ep l cp r o g r a m m i n gs o f t w a r et o d e s i g n t h ep r o g r a mo fc o n t r o lp r o c e s s ，a n dc o m p l e t et h ec o n t r o lo ft h es y s t e m k e y w o r d s ：p i p eh a n d i n gs y s t e m c o n t r o lp r o c e s sp l cp r o g r a m m i n g 中国石油人学( 华东) _ t 程硕i ：学位论文 第一章绪论 1 1 课题的来源与选题依据 自动化钻井技术是指，钻机在钻井时，钻井系统中的计算机处理从各种传感器测得 的参数，并将处理后的信息发送给执行件，实现钻井过程的自动化，钻井过程能够实 现无人化操作。我国的石油钻机起步较晚，受国际和国内影响，我国的钻井技术水平较 国外有较大的差距，国产的石油钻机虽然基本能够满足国内的石油开采的需要，但是自 动化水平低、钻井效率差，难以使国产钻机在国际市场打开局面。自动化钻机在国内刚 刚兴起，它是石油钻机未来发展的方向。 德国b e n t e c 公司生产的自动化钻机和英国s t r a h a na n dh e n s h a w 生产的r a d 自动 化钻机是目前高性能自动化钻机的代表。两种钻机的钻杆排放系统均采用逻辑控制，只 需在控制室发出指令自动化钻机就可以根据相应的指令完成自动钻井，其技术全面，具 有较高的自动化水平。 钻杆排放系统( p h s ：p i p eh a n d i n gs y s t e m ) 又称自动排管机，它具有较强的灵活 性，既可以单独安装在普通石油钻机上，也可以与其他自动系统组合成全自动化钻机， 在井口的机械化操作中，它是系统之一，在钻井起下钻作业过程中，系统承担对管状类 钻具( 钻杆、钻铤、套管等) 进行夹持、提升、下放、平移和回转等操作，并结合液控、 气控、电控和微机控制，自动实现钻具在井口与排放架之间的移运、定位、排放、储运 等作业流程咄。在起下钻过程中钻杆排放系统承担的主要工作是把钻杆从井口移送到排 放架或从钻杆排放架移送到井口，即钻杆排放操作。人工排放钻杆的特点是其过程具有 危险性；起下钻操作过程中花费大量时间；需要多人合作共同完成。在海上或者野外进 行钻井作业中工作环境恶劣，成本高，安全情况更为突出，加快钻井速度，缩短钻井周 期显得尤为重要。 自动化钻机的关键部分就是其井口的机械化装置h 1 ，而实现石油钻机井口机械化、 自动化的关键则是钻杆排放系统。我国从上世纪6 0 年代开始钻杆自动排放系统的研究 工作，受国内环境以及技术影响，发展缓慢，总体上与国外差距较大，到目前为止，我 国的自动化钻机j 下在研发与试验阶段，技术相对短缺，还没有成熟产品。当今以及今后 一段时间内，自动化钻机会向着机械化、自动化、智能化和远程控制方向发展，为适应 第一章绪论 钻机发展趋势，不断提高钻机的自动化水平，应加快研制适应现代钻机修井作业的机械 化设备及井口工具等，进一步提高钻井作业效率和钻机整体的自动化水平，提升我国自 动化石油钻机发展水平，缩小我国石油钻机装备与国外先进水平的差距，满足国内各大 油f f l 钻井公司对自动化钻机的迫切需要，降低钻井成本，提高钻井的综合效率。因此研 究石油钻机的二层台钻杆排放技术具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 1 9 4 9 年，在研制半自动化钻机时就采用了钻杆排放系统。该系统可以通过液压阀件 和气动阀件来控制执行件进行传动，从而完成起下钻的各种常规操作。1 9 5 6 年，第1 套机 械化钻杆操作系统应用到c u s s - 1 钻井船上，该系统为卧式操作系统，安装在钻杆甲板尾 部，钻杆通过自动化坡道移送至井口，然后由吊卡提升，与此同时，一套立式钻杆排放系 统得到发展，此系统与传统的钻杆立根操作方式相似h 。2 0 世纪4 0 年代术，一套样机系 统安装到h u m - b l e3 0 型钻机上，并且成功钻进了2 2 8 6 0m 。此后将近2 0 年，完全自动化 的钻杆排放系统逐渐投入大规模开发，自动排放钻杆技术也逐渐成熟起来，该系统的研 发成功避免了工人在钻杆排放过程中的大量体力劳动，节省了钻井时间，提高了钻机效 率，使得起下钻过程不再需要钻井工人直接参与。为了解决在海洋钻井过程中船体移动 造成的钻杆操作困难，o f f s h o r e 公司在1 9 6 8 年为钻井船配置了立式钻杆排放系统，并 取得了良好效果；为解决钻机时的强风以及低温影响，1 9 7 3 年全自动钻杆排放系统首次 安装在了半潜式钻井平台上，也获得了成功，之后，大量其他同级别的钻机配备类似系 统也获得了成功。 目前，钻杆自动排放系统有很多种，在全球的石油钻具制造商中，美国n a t i o n a lo i l w e l ly a r c o ( n o v ) 公司和a k e rk v a e m e r 公司是自动排放系统的主要供应商，其产品最为 成熟，代表了世界的先进水平。 l 、美国n o v 公司的开发的排放系统有水平型、垂直型和水平一垂直混合型3 种。 水平型钻杆自动排放系统：这种系统技术已经成熟，产品多样，能够满足多种工 作要求，系统包括猫道工具、海洋平台隔水管排放系统、甲板工具、钻杆传输设备和钻 杆排放吊；垂直型钻杆自动排放系统该系统包括柱状排放臂、多用途机械手、套管扶正 装置和单臂一双臂机械手4 大类，控制方式从最简单的人工操作到机器人半自动化操作： 水平一垂直混合型系统是综合考虑了前两种排放技术的优劣势，结合海洋钻井平台的排 2 中国“油人学( o 仁东) t 程顾一。学位论文 放要求而设计的，其安全性和效率较高。“。 2 、挪威a k e rk v a e m e rm h 公司自动排放装置 如图卜1 所示，为挪威a k e rk v a e r n e rm h 公司自动排放装置。m i 公司最早设计的 管柱排放系统建构比较简单，主要由简单的钻台机械手和二层台上的液压装置构成，经 过近3 0 年来的发展，其产品已经非常成熟，技术水平较高，能够实现较高的自动化， 一个人即可实现安全、高效操作m 1 。 俑 孙，槲踟舯堪唧( 喇【o 蝌6 慨妒聊：哪 图1 - 1 删公司自动排放装置 f i g l 一1 t h ea u t o m a t i cd i s c h a r g ed e v i c eo f 删c o m p a n y 3 、加拿大i d l 公司自动排放装置 如图卜2 所示，加拿大i d l 公司研制的全自动钢铁井架工的特点是可以承受较大载 荷，可以从井口排放重达5 4 4 8 k g 的钻杆和钻铤。通过其独特的旋转门设计，这一系统 可提升并平稳地将6 - 5 8 ”以下尺寸的钻杆排放在指梁间，结合动力央套，全自动钢铁井 架工可将7 ”的钻铤提升并排放在钻铤指梁间，灵活操作8 ”钻铤的排放。其结构工作占 用空间小，与井架安装灵活，只要井架的起升和运输能力允许，钻机在移动运输的过程 中可不必拆下全自动钢铁井加工。 第一章绪论 图1 - 2i d l 公司的钢铁井架工 f i g l 一2t h ep i p eh a n d l i n gd e v i c eo f i d lc o m p a n y 1 2 2 国内研究现状 国内对二层台立根自动排放技术的研究j 刚刚起步，近几年立根排放技术才逐渐丌 始研究。文献显示，兰州石油机械研究所等一些科研单位曾进行过研究，但没有产品问 世和应用。胜利钻井院从2 0 0 5 年歹：始进行二层台管柱排放技术研究，并研制了样机， 进行了室内模拟实验。中国石油天然气集团公司于2 0 0 6 年立项，由辽河油田装备工程 公司、北京金达凌新技术中心和中国石油大学( 北京) 三方合作，进行二层台管柱排放技 术研究，目日订完成了基本结构设计，但还没有加工样机。中国石油大学( 华东) 研究设 计了一套在海洋钻井平台的自动排管机，目前也还没有加工样机。 从上述材料可以看出，目前的钻杆自动排放系统大多都应用在海洋钻机上面，陆地 钻机由于投入资金及钻机结构的限制还很少应用。但是随着石油钻机自动化、智能化、 无人操作化要求的提高，陆地钻机自动化改造势在必行。 为实现钻井设备自动化、过程安全化，进一步提高钻机的钻井效率，近年来，国外 石油钻机开发投入不断加大，自动化配套进一步完善，钻机具备更健康、安全、环保的功 能，并朝着不断满足石油工程需要的方向发展。当今石油钻机的主要进展有： ( 1 ) 为了提高钻机的组装性能，石油钻机的各部分采用模块化设计，套装式井架，有 效的减少了占地面积，降低了安装费用： ( 2 ) 各系统在设计时多采用当今成熟的“机、电、液”一体化技术，新的石油钻机 技术更加全面，功能更加完善，自动化水平进一步提高： ( 3 ) 为了提高钻井效率，新的自动化钻机设计了套管以及钻杆的传送、排放系统， 安全性能也随之提高。 中因杠油人学( 华东) t 程顾i j 学位论文 世界石油钻机不断更新，新的科学技术不断应用于自动钻井装备中，极大的推动了 自动化钻机的发展水平，总体来看，现代石油钻机j 下在向着自动化、智能化、无人操作 化的方向发展。 本课题研究的主要内容 根据我国现阶段石油钻机的发展情况，设计一套以二层台导轨结合机械手和钻台机 械手为主的钻杆排放控制系统。本课题将利用机电液一体化技术、计算机建模技术、现 场总线技术以及p l c 编程技术等技术，对自动化钻机二层台钻杆的排放系统进行机械结 构设计，电液控制系统设计和元器件选型，研究解决在二层台机械手自动排钻过程中， 各子系统之间的控制顺序问题，并编程达到控制目的。 涉及到的主要内容有： 设计钻杆自动排放系统整体控制方案。运用三维建模技术完成钻杆自动排放系统的 基本三维造型设计，将机械结构与驱动系统进行综合考虑，并结合钻机的实际控制要求， 合理组合各个控制模块，完成自动化钻机整体控制方案的设计。对重要的机械结构进行 必要的力学分析，并根据实际载荷的大小确定液压元件的型号。为系统选择了现场总线 并用编程软件对控制过程进行编程，达到控制目的。 第二章钻杆排放系统的设计 第二章钻杆排放系统的设计 2 1 钻杆排放系统整体方案设计 如上面提到的图1 - 1 、图卜2 所示的方案，都用于海洋钻机，由于陆地钻机结构、 空间、强度以及井架安装过程中的限制，很难用于陆地钻机。图1 - 3 所示的加拿大i d l 公司的钢铁井架工，它的旋转门设计是陆地钻机立根排放系统的经典设计，由于专利权 利范围的限制，要规避该设计。 在不改变现有钻机井架结构的前提下，模仿钻台操作工起下钻时的操作流程，设计 立根排放装置。装置分二层台排放装置和钻台排放装置两个部分。根据二层台指梁和立 根盒结构，排放装置沿x 、y 两个方向运动。 起钻操作时，钻机吊卡吊住立根，钻台排放装置将立根的下端从井口移到立根盒中 指定位置，将立根的底部坐在立根盒中，然后二层台排放装置央紧立根上端，吊卡松开 立根，二层台排放装置将立根上端移到指梁中，完成一次存放的过程。下钻操作时，二 层台排放装置将立根的上端从指梁中取出移动到液压吊卡位置，挂吊卡，并提升一定高 度，然后钻台排放装置卡住立根下端，将立根从立根盒中取出，移到井口位置，完成一 次取立根的过程。 2 1 1 二层台排放装置方案 主题思路是二层台上部机械手与钻台上的横梁机械手相互顺序动作，主要依靠各种 行程开关以及传感器来完成机构的定位，并编写相应的控制程序来完成钻杆的排放工 作。二层台排放装置如图2 一l 所示，排放装置由纵向导轨、横向导轨、纵向驱动总成、 横向驱动总成、机械手、横向连接、锁紧定位装置等部分组成。工作时液压吊卡摆动到 机械手位置，不用机械手直接运动到井口位置，缩短了机械手的运动距离和导轨的长度， 减小了安装空间，只需将二层台结构护栏位置稍加改动，就可以将装置安装在二层台上 面，二层台上有一定的空间可供人在其上活动，整个装置安装、调试和维修都很方便。 工作时导轨上的液压马达带动链条运动，链条带动滑板上的机械手运动，机械手负责钻 杆的夹持与松开，结合钻台上的排放装置一起达到的排放钻干的目的。 6 日“油人学( 华东) 工程硕j ：学位论义 图2 - 1 二层台钻杆排放装置 f i 9 2 1 t h ep i p e sd i s c h a r g ed e v i c eo nr a c k i n gp l a t f o r m 图2 2 钻台排放装置 f i g2 - 2 a u t o m a t i cd i s c h a r g ed e v i c eo nd r i l l i n gp l a t f o r m 7 第_ _ 二章钻杆排放系统的设计 2 1 2 钻台排放装置方案 钻台排放装置方案如图2 2 所示，排放装置由立柱、回转臂、摆动臂、机械手、纵 向移动导轨、纵向移动驱动、横向移动驱动摆动臂驱动马达等部分组成。整个装置安装 在立根盒前面，工作时回转臂旋转到相应位置，并通过定位销定位，同时摆动臂将纵向 移动导轨摆动到水平位置，通过装置横、纵两个方向的移动将立根由井口位置移动到立 根盒中或者从立根盒中取出移动到井口位置。立根远离井口，机械手受力较大，这时机 械手靠近排放装置的主体，强度能够保证。 2 2 二层台排放装置机构设计 二层台立根排放装置如图2 - 3 所示，它主要由横向移动导轨、纵向移动导轨、机械 手、横向移动连接、定位锁紧装置等部分组成。装置长6 1 6 0 m m 、宽2 7 3 3 m m 安装在二层 台f ：面。 田 图2 - 3 二层台立根排放装置 f i 9 2 2p i p e sd i s c h a r g ed e v i c eo r lr a c k i n gp l a t f o r m 1 、横向移动导轨2 、纵向移动导轨3 、机械手总成4 、横向移动连接5 、定位锁紧装置 中困石油人学( 仁东) t 程硕f ：学位论文 图2 4 机械手 f i 9 2 4m a n i p u l a t o r l 、机械手伸缩缸2 、纵向移动滑座3 、摆动缸4 、摆动臂5 、机械手伸缩导向6 、 央紧油缸7 、央紧手爪 2 2 1 机械手 二层台立根排放装置机械手如图2 - 4 所示，它主要由机械手伸缩缸、纵向移动滑座、 摆动缸、摆动臂、机械手伸缩导向、机械手央紧油缸和央紧手爪等部分组成。工作时首 先央紧油缸6 伸出张丌机械手爪7 ，然后液压缸1 伸出推动机械手伸出，让钻杆中心处 于机械手爪的中心，然后央紧油缸缩回，机械手环抱钻杆，在移动钻杆的过程中，钻杆 不能脱出机械手。然后摆动缸3 旋转4 5 。，液压缸1 缩回，摆动液压缸再次旋转4 5 。， 这时钻杆立根就可以进行纵向和横向的移动。 2 2 2 横、纵向移动导轨 如图2 5 所示，横向移动导轨主要由前端导轨、后端导轨、主动链轮总成、从动链 轮总成、链条等组成。如图2 - 6 所示，纵向移动导轨主要由h 型钢、主动链轮总成、从 动链轮总成、链条、横向移动滑座等部分组成。由h 型钢来做导轨，可以增加导轨的强 度、减轻二层台立根排放装置的总重量。 如图2 7 所示，主动链轮总成主要由液压马达、主动小齿轮、与链轮做成一体的从 动齿轮、链轮、焊接底座、带座轴承等部分组成。如图2 8 所示，从动链轮总成由链轮、 带座轴承、焊接底座等组成。主、从动链轮总成的焊接底座对称分布在h 型钢的两侧。 9 第- 二章钻杆排放系统的设计 图2 5 横向移动导轨 曰 l 、前端导轨2 、从动链轮总成3 、链条4 、主动链轮总成5 、后端导轨 图2 - 6 纵向移动导轨 f i 9 2 6l o n g it u d i n a lm o v i n gg u i d er a i1 l 、h 型钢2 、主动链轮总成3 、横向移动滑座4 、从动链轮总成5 、定位锁紧装置 1 0 中困机油人学( 1 # 东) t 程硕l ：学位论义 图2 - 7 主动链轮总成 1 、马达2 、主动小齿轮3 、从动齿轮( 与链轮一体) 4 、链轮5 、焊接底座6 、带 座轴承 图2 - 8 从动链轮总成 1 、链轮2 、带座轴承3 、焊接底座 第二章钻杆排放系统的设计 2 2 3 定位锁紧装置 要抓紧钻杆时纵向移动导轨处于横向移动导轨的中间位置，为避免在抓紧钻杆的过 程中，纵向移动导轨左右晃动，需要锁紧装置锁住纵向移动导轨。如图2 9 所示，定位 锁紧装置主要由锁紧油缸、锁紧滑座、定位头组成。由液压缸伸出，锁紧座向前移动， 定位头上的圆柱体进入锁紧滑座上的开口中，纵向移动导轨被锁紧不能左右晃动。同时 定位头的另一端为钻杆定位，当液压吊卡将钻杆立根的上端摆动过来之后，钻杆可以紧 靠定位头等待机械手的抓取。 2 2 4 横向移动连接 为了给钻杆留出足够的空问，横向移动导轨的后端导轨要做成分段式的，当装置横 向移动时横向移动导轨与纵向移动导轨之间要有连接件相连。如图2 - 1 0 所示横向移动 连接主要出摆动臂、摆动缸、横向移动滑座等部分组成。摆动液压缸旋转驱动摆动臂摆 到水平位置摆动臂木端的沟槽与纵向移动导轨i 二的接口连接，并锁紧摆动液压缸，避免 摆动臂与纵向移动导轨连接不牢靠。 图2 - 9 定位锁紧装置 f i 9 2 9p o s i t i o n i n ga n dl o c k i n gd e v i c e 1 、锁紧油缸2 、锁紧座3 、定位头 中国订油人学( # 东) t 程坝i ：学位论义 田 日 囝一 图2 1 0 横向移动连接 f i 9 2 1 0l a t e r a lm o v i n gd e v i c e 1 、摆动臂2 、摆动油缸3 、横向移动滑座 2 3 钻台排放装置机械结构 钻台立根排放装置如图2 1l 所示，它主要由立桩、叫转横梁、机械手、横向移动 总成、纵向移动总成、定位柱销、纵向移动总成等部分组成。立杠：是整装置的支撑部分， 通过螺栓安装在钻台平面上，回转横梁可以绕其旋转。横梁上面安装有齿条，横向移动 导轨在上面滑动。钻台上留有定位孔，进行立根排放时，旋转横梁旋转到正对井架的位 置，通过定位销定位。 2 3 1 横向移动装置总成 横向移动装置总成如图2 1 2 所示，主要由箱体、齿条、导轨、摆动缸、驱动马达、 滚轮、滑动副镶条等部分组成。在摆动缸的作用下导轨可以上下摆动，排放立根时导轨 摆到水平位置，排放完成导轨回到原来的位置。横向移动通过马达驱动，齿轮齿条传动， 驱动横向移动总成沿横梁左右运动。 2 3 2 纵向移动总成 纵向移动总成如图2 - 1 3 所示，主要由滑动体、马达支座、马达、齿轮等组成。 第：章钻杆排放系统的改汁 图2 11 钻台排放装置机械结构 f i 9 2 1 1m e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fd i s c h a r g ed e v i c eo nd r i l l i n gp l a t f o r m l 、立柱2 、回转横梁3 、横向移动总成4 纵向移动总成5 、机械手6 、定位柱销 图2 - 1 2 横向移动装置总成 f i g2 1 2 l a t e r a lm o v i n gd e v i c ea s s e m b l y 1 、箱体2 、齿条3 、摆动缸4 、导轨5 、驱动马达6 、滚轮7 、镶板 1 4 中团“油人学( o 产东) t 程坝i ：学位论文 图2 一1 3 纵向移动总成 f i 9 2 1 3l o n g it u d i n a lm o v i n ga s s e m b l y l 、滑动体2 、马达支座3 、马达4 、齿轮5 、机械手 图2 - 1 4 机械手 f i g2 1 4m a n i p u l a t o r 1 、手爪2 、马达3 、壳体4 、螺杆 1 5 第三市排放装置液k 驱动系统的设计 第三章排放装置液压驱动系统的设计 液压传动具有能够传动平稳承载、容易实现无级调速和实现过载保护等优点，因此， 钻杆自动排放系统的传动优先采用液压传动，其方便控制，易于实现自动化。 一个好的液压系统，包括选用合适的液压元件，以及设计恰当的液压回路，所以液 压回路的设计一定要符合现场的实际状况。 进入2 l 世纪后，随着科学技术整体水平的不断提高，新的科学技术应用在了机械制 造行业技术的发展提高了机械装备的制造水平，液压传动技术也迅速的成熟起来，它与 多门学科相互影响、相互渗透，推动了液电技术的发展，电液技术就是在这个事情得到 迅速发展的技术之一。电液控制技术与传统的单独的机械控制或液压控制相比较，主要 有以下方面的优势：它便于操作，通过信号接线传导，可以实现遥控和集中控制；其自 动化程度高，加入了微电技术后，可以用控制电流或者电压的大小的方法来控制机构的 动作，而且容易实现p l c 编程控制；电液技术的结构简单、使用的元件不多、对液压油 污染不太敏感；电液技术可实现工作平稳、动态响应较快、控制精度高、节能效果好等 优点。因此，电液技术在各个行业中得到越来越广泛的应用。 3 1 二层台液压回路设计 此系统各个液压元件顺序动作，无两个或者多个元件同时动作情况。主题设计思路 是由p l c 控制电磁换向阀来控制液压缸或者液压马达的动作，同时由行程开关以及必要 的传感器把信号反馈给p l c 来控制机械结构运动位置。液压源为限压式叶片变量泵，能 够减少能量的消耗、降低系统发热。如图3 - 1 所示为液压系统原理图，此控制回路中的 执行件有3 个液压摆动缸，3 个液压缸，4 个液压马达。 在此系统中摆动液压缸、液压缸等执行元件，执行动作之后要锁紧，回路中使用液 控单向阀锁紧摆动缸和液压缸，如图3 2 所示。 横向移动导轨有前后两部分，当装置横向移动时，前后运动要同步。如图3 3 所示， 前后两个马达串联，采用双单向节流阀来调节马达运动速度，因为后面导轨分为左右两 段，需要把钻杆分别排放指梁左右部分时，左右两个驱动马达要进行切换，回路中使用 二位三通电磁换向阀完成切换。此回路中由于两个马达串联，前后马达动作会有先后， 所以安装时应当使第一个马达滞后于后一个马达，以此达到平行运动。 1 6 中周石油人学( 华东) - t 程硕1 j 学位论文 张托轧 籼北国黼扯嘲 触蝴黼粼黼 图3 - 1 二层台液压回路图 f i 9 3 1h y d r a u l i cc i r c u i to fr a c k i n gp l a t f o r m 连接件摆动缸( ：左) 图3 - 2 液压锁紧回路 横由马达( 后左) 横向马达循右) 图3 - 3 液压马达同步回路 f i g3 - 2l o c k i n gh y d r a u l i cc i r c u i t f i 9 3 。3h y d r a u l i cm o t o rs y n c h r o n o u sc i r c u i t 1 7 第三章排放装置液压驱动系统的 使计 3 2 钻台排放装置液压回路 钻台排放装置工作过程中各个执行元件由p l c 程序控制，横向移动驱动马达与纵向 移动驱动马达特定的时段内同时运动。液压源为限压式变量柱塞泵，能够减少能量的消 耗、降低系统发热，系统最高压力1 6 m p a ，由两台3 k w 电机驱动。如图3 - 4 所示为液压 系统原理图。 摆动液压缸执行动作之后要锁紧，回路中使用液控单向阀锁紧摆动缸，回路中使用 单双向节流阀对横向移动和纵向移动进行调速。 瓠瑚臂下效目謦机械哥净c r 坐标秽莉冒摩机械手夹譬冒摩 图3 4 钻台液压回路 f i g3 - 4h y d r a u l i cc i r c u i to fd r i l l i n gp l a t f o r m 3 3 主要液压元件的选型 1 摆动缸的选型； 钻台液压摆动缸需要的转矩较大，应选用u b 型摆动液压缸。u b 型摆动液压缸为重 型机械企业标准产品，标准号j b z q4 7 1 3 1 9 9 8 。u b 型摆动式液压缸是将液压能转化 为机械能，实现往复摆动的执行元件。 u b 缸公称压力为1 6 m p a ，有单齿条和双齿条两种结构型式；有法兰式和脚架式两种 安装方式，有轴和孔两种输出方式，具有结构紧凑、体积小、重量轻等特点，适用于只 装备单个u b 缸或装备不多u b 缸的场合。 1 8 中国石油人学( 华东) t 程硕i ：学位论文 钻台摆动缸为钻台的主要工作部件，根据受力分析，其转矩载荷为1 4 0 1 3n m ，为 保证扭矩足够，应选用u b f k s l 0 0 型号的液压摆动缸，生产厂：天津优瑞纳斯油缸有限 公司，缸径1 0 0 ，在系统压力为1 6 m p a 时，其输出扭矩为11 3 2 ( p 1 3 ) = 1 6 6 4 0 n m ，能 够满足扭矩需要。 二层台摆动缸的选型：二层台摆动缸的主要作用是为夹持立根的机械手提供转矩， 为保证其运动速度以及定位精度，可以选用u b f k d 5 0 型液压摆动缸，其主要参数是缸径 5 0 m m ，转矩是9 8 ( p - 1 5 ) = 1 4 2 1 n m ，每度转角用油量0 0 0 1 7 1 l 。 2 液压马达的选型 二层台上的液压马达的主要作用是为导轨移动提供动力，钻台上液压马达的作用主 要是为衡量的伸出与缩回提供动力，他们的主要负载是机构本身的摩擦力以及立根的惯 性力。为保证机构的稳定运行，此系统对液压马达的要求是体积小、速度中等，选用 b y m 一1 6 0 ，钻台需要三个，二层台需要4 个，其主要参数是：排量是1 6 0 m l r ，扭矩是 2 1 0 n m ，转速是1 0 、4 0 0 r m i n 。 2 液压缸选型 此系统中液压缸的主要作用是定位以及锁紧，锁紧液压缸主要作用是为横梁定位， 机械手伸缩液压缸的主要作用是把机械手推到吊卡夹持立根的位置，机械手央紧液压缸 的主要作用是央紧立根。各液压缸工作过程中都没有大载荷，根据其形成的大小，选用 y e 5 0 3 6 x 2 5 0 一j j ，y e 4 0 2 2 x 2 0 - c ，y e 5 0 3 6 x 1 0 0 一j j 各一个，y e 5 0 的推力和拉力分别为 3 1 4 2 k n 和1 5 1 3 k n ( 速度比为2 ) ，y e 4 0 的推力和拉力分别为2 0 1 1 k n 和1 4 0 2 k n ( 速度 比为1 4 6 ) 。 3 液压泵的选择 泵的基本参数是压力、流量、转速、效率。一般应根据系统的实际工况来选择，为 了提高系统的可靠性，延长泵的使用寿命，一般在固定液压系统的正常工作压力可选择 为泵额定压力的5 0 6 0 。选择泵的流量须大于液压系统工作时的最大流量，一般来说 应使泵的常用工作参数处在泵效率曲线的高效区域。本系统二层台液压泵选用p v p 液压 泵一台，钻台选用p v p 液压泵两台。 4 液压阀件的选型 自动化钻机二层台排钻系统中用到的液压阀件有方向阀、和流量阀以及压力阀，方 向阀主要有电磁换向阀和液控单向阀，流量阀主要是双单向节流阀，压力阀是溢流阀。 阀件选型的原则主要是根据系统的流量确定通径的大小以及根据将要实现的动作 1 9 第三章排放装置液胝驱动系统的设计 来确定阀件的各个位置的机能，系统需要设定的最高压力为其公称压力，根据阀件工作 时通过的流量确定其通径。元件选型见表3 1 和3 2 表3 - 1 二层台液压元件选型 t a b l e 3 1s e l e c t i o no fh y d r a u li cc o m p o n e n t so nr a c k i n gp l a t f o r m 液压元型号数量备注 件 y e 5 0 3 6 x 2 5 0 j j l 机械手伸缩液压 液压缸缸 y e 4 0 2 2 x 2 0 一c1机械手夹紧液压 缸 y e 5 0 3 6 x10 0 j j 1锁紧液压缸 摆动液 u b f k d 5 03 压缸 4 w e 6 r 5 0 b2三位四通电磁换 向阀 4 w e 6 j 5 0 b 6三位四通电磁换 液压阀 向阀 3 w e 6 8 5 0 bl二位三通电磁换 向阀 s v i o p b l 一3 0 b6液控单向阀 d b d s 6 p i o bl直动式溢流阀 z 2 f s 3 0 b2双单向节流阀 液压马 b y b i - 1 6 04摆线马达 达 液压泵 p v p l 61 限压式变量泵 中困石油人学( 1 仁东) t 程顾i j 学位论义 表3 - 2 钻台液压元件选型 t a b l e 3 2s e l e c t i o no fh y d r a u l i cc o m p o n e n to nd r i l l i n gp l a t f o r m 液压元型号数量备注 件 摆动液 u b f k d10 0 9 0l 压缸 4 w e 6 r 5 0 b3三位四通电磁换 向阀 液压阀 4 w e 6 j 5 0 b l三位四通电磁换 向阀 s v l o p b l 3 0 b6液控单向阀 d b d s 6 p 1o b1直动式溢流阀 z 2 f s 3 0 b2双单向节流阀 液压马 b y m 1 6 03摆线马达 达 液压泵 p v p l 62限压式变量泵 2 l 第叫章排放机械于挡制系统设计 第四章排放机械手控制系统设计 4 1 机械手的运动轨迹 4 1 1 二层台机械手运动轨迹设计 二层台立根排放装置存放钻杆过程如图4 - 1 所示，机械手初始位置在a 处，立根中 心处于机械手央具中心位置，按下存放钻杆开始按钮，获得允许夹紧近的信号，夹紧立 根上端，然后液压缸驱动机械手沿a b 线到b 处，然后在摆动缸的作用下机械手沿圆弧 b c 摆动到c 处，液压缸缩回，机械手沿c d 线移动到d 处，摆动缸再次动作，机械手沿 d e 圆弧段运动到e 处，再经过d f 和f g 段，将钻杆移动到g 处，同时触发信号松开夹具， 机械手沿g f 、f e 直线段运动到e 处，摆动液压缸驱动机械手沿e d a 圆弧段摆动到初始 位置a 处，等待下一次存放信号。 o 图4 - 1 二层台排放钻杆过程 f i 9 4 1p r o c e s so fp i p e se m is s i o no nr a c k i n gp l a t f o r m 二层台立根排放装置取钻杆过程与存放钻杆过程相似，如图4 1 所示，机械手初始 位置在a 处，按下取钻杆开始按钮，摆动缸驱动机械手沿a d e 圆弧段到e 处，然后沿e f 、 f g 段运动到g 处，此时立根处于夹具的中心处，触发夹紧信号夹紧钻杆，然后沿g f 、 f e 直线段运动到e 处，摆动液压缸驱动机械手沿e d 圆弧段到d 处，液压缸伸出，机械 中国油人学( 华东) t 程硕f ：学位论文 手由d 到c 处，摆动液压缸再次动作，机械手沿圆弧c b 段移动到b 处，然后液压缸缩 回，机械手到初始a 位置，液压吊卡吊住钻杆立根之后，发送松开夹具的信号，夹紧液 压缸松开央具，然后进行下一轮的操作。 4 1 2 钻台机械手运动轨迹 如图4 - 2 所示，存放立根时机械手初始位置在a 处，按下立根排放开始按钮，并且 获得机械手允许靠近的信号后，机械手a b 、b c 、c o 折线段运动，立根进入机械手夹具 中心，触发夹具夹紧信号，避免在移动过程中立根滑出机械手。机械手同时在x 和y 方 向上匀速运动，由于在g 处已经排放了钻杆，为避开g 点，当x 轴方向运动到d 处时停 止，机械手沿y 轴方向运动到e ，然后再沿x 轴运动到放置钻杆的位置f ，同时触发松 开夹具的信号，机械手先沿x 轴方向退回到e 处，再沿e h 、h a 线返回到a 点的初始位 置等待下一次排放。 o 厂 r - 卜- l l l 厂 卜 卜- l l 翟 j - - l li 丁_ r 叶- 寸 十斗 上4 j - - l d j i - t 丁厂 藩 - r o b ：- - l l ll _ t 一厂 叶一卜_ - 斗一卜 i l 一 j l 仁 - l l i 厂 卜 卜 l l 1 - + 上 j - 1 - 叶- 上 j - t _ r _ 1 + 一 _ l 一 _ l - j li t 十1 + 一 - l 一 上j h y b 厂 r - 卜 l l 广 卜- 卜- l l 1 - _ 厂 f _ r 十斗 上- l j - - l l 1 - 丁 f 寸 + + 上4 l 1 一 一 _ j 1 1 一 一 一 _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 一 - - - - - l 上 上 r 一 _ - _ _ _ _ i 一 - - - - - l 1 一 上 广 r 卜 l l 厂 卜 卜 l l t 1 - 十 上 j - i t 十 + 上 j - t 寸 斗 4 - l l - r 叶 斗 4 - l 。- 7 _ 1 一 一 - j - 1 一 一 - j 图4 2 钻台机械手存立根运动轨迹 f i 9 4 2m o t i o nt r a c ko fm a n i p u l a t o ro nd r i l l i n gp l a t f o r m 如图4 3 所示机械手初始位置处于a 处，按下取立根按钮之后，等待机械手靠近信 号，当信号有效后，机械手沿a b 、b c 运动c 处，沿x 轴运动到d 点，此时立根处于夹 具的中心，触发央紧信号夹紧立根。机械手沿d c 、c e 、e o 将立根移动到井口，触发松 开夹具的信号，然后机械手沿x 轴方向退回到f 处，再沿f h 、h a 线运动到a 处，等待 第p q 章排放机械丁- 控制系统i 5 计 机械手靠近信号，进行下一循环的操作。 0 f 掣 一 h 。 b 么 雪 。 e g 上 t 。 吾韶 e胪犁f 署 1 v x 图4 3 机械手取立根运动轨迹 f i 9 4 3m o t i o nt r a c ko fm a n i p u l a t o rt h a t t a k ep i p e s 4 2 程序流程 4 2 1 二层台排放装置程序流程 ( 1 ) 存放立根过程 二层台排放装置存放立根的流程如图4 - 4 所示。程序编制假设存放立根之前立根盒 里面没有立根，并且从立根盒的左侧开始排起。按下存放立根启动按钮，等待允许机械 手夹紧的信号，控制信号1 有效后，机械手央紧立根，夹紧后机械手伸出一定距离，然 后向左旋转4 5 。，机械手缩回，再向左旋转4 5 。之后装置沿y 轴向前运动，到达指 定的坐标后，左连接件摆下与纵向导轨连接在一起，纵向导轨松开，装置沿x 轴向左运 动，直到到达指定的坐标，机械手松夹，并记录下已经存放一个立根。装置沿x 轴返回 到中白j 位置，将纵向导轨锁紧，左连接件旋转动作回到原来的位置，装置沿y 轴返回到 原来的位置，机械手向右旋转9 0 。回到初始位置，等待下一次控制信号，并判断左侧是 否存放完，如果立根盒的左侧没有排放完，再重复以上的过程；如果立根盒左侧已经排 放完，触发右侧存放钻杆的信号。 右侧存放立根信号触发，控制信号1 有效后，机械手夹紧立根，夹紧后机械手伸出 一定距离，然后向右旋转4 5 。，机械手缩回，再向右旋转4 5 。之后装置沿y 轴向前 2 4 中周石油人学( 芦东) t 程颂j j 学位论文 运动，到达指定的坐标后，右连接件摆下与纵向导轨连接在一起，纵向导轨松开，装置 沿x 轴向右运动，直到到达指定的坐标，机械手松央，并记录下已经存放一个立根。装 置沿x 轴返回到中间位置，将纵向导轨锁紧，右连接件旋转动作回到原来的位置，装置 沿y 轴返回到原来的位置，机械手向左旋转9 0 。回到初始位置，等待下一次控制信号， 并判断右侧是否存放完，如果立根盒的右侧没有排放完，重复以上的过程；如果立根盒 右侧已经排放完毕，则存钻杆过程结束。 f 婧 叫型鼍。 粤产甄 蜜由簖蔫 掣鬲霸罚 塑丽 型阿葫 型际丽 塑赢 塑篓划阿哥i 蜜赢 蜜匝量崮 早而 攀翠阿看画 垂匦翌嵩剽 丛型陬袁门 堕u 陬纛司 i 堕生堑! ! ：j 厂丐萧 图4 - 4 存放立根流程图 爨 甓信号jr 。弋黟薪 l 札幢孑乍垮9 8 4 i 匝塑 匝童 i 丝! i 兰生兰i 豳 匝堕圈 匝童习 匝壹因 匝童习 匾蛰 匦蛰 匝圈 匝蛰 坑嚏辜桎走 运压l 建 吉量l 取竞 葱棚描棚 囱 匝垫 圆 圃 匝壅因 运叵丑足 图4 - 5 取立根流程图 f i 9 4 。4p r o c e s so fs a v i n gp