（机械电子工程专业论文）石油钻机井口机械化装置的运动控制模拟研究.pdf

石油钻机井口机械化装置的运动 控制模拟研究 程小梅( 机械电子工程) 指导教师：张作龙教授 摘要 自动化钻机的关键部分就是其井口的机械化装置，而石油钻机井口 的机械化的程度则取决于管具处理系统。我国从上世纪6 0 年代开始便从 事这方面的研究工作，并取得了一定的成绩，但总体上与国外相比仍有 较大差距。鉴于直接对实物研究耗资太大的原因，采用了设计效率高、 工作量相对较小、实用性较强的相似理论设计方法，参考国外同类型自 动化钻机，利用三维造型软件u gn x 4 0 按比例设计了石油模型钻机的 井口管具处理系统中的各模型装置，并对此模型的运动控制系统进行了 设计研究。 此模型钻机采用全液压驱动形式，模型钻机的普通执行部件主要包 括三个部分：顶驱系统部分执行元件、管具处理系统( 包括用来移运立 根的设备排管机械手及附属装置旋转立根盒和用于上卸管扣的设备铁钻 工) 和卡瓦装置。在工作过程中各执行单元均为单独执行，无两个执行 单元同时执行的情况，故其动力由单泵驱动，即采用同一液压动力源， 功率利用率高。 课题选用的控制器是欧姆龙的模块式可编程序控制器，以手动、单 步，单周期和连续四种工作方式对此模型钻机的管具处理系统的运动控 制部分进行了程序设计，提高了钻机井口机械化装置作业的自动化程度 和可靠性，降低了司钻的劳动强度。在钻台上只需要l - 2 人就可以控制 整台钻机的运行。 使用组态软件设计了监控钻机作业的人机界面，将钻机的工作状况 和重要的检测开关和限位开关的状态以指示灯或图形的形式显示在司钻 的面前，人机界面友好，有利于降低司钻的疲劳程度。 关键词；自动化钻机，井v i 机械化装置，管具处理系统，可编程序控制 器，人机界面 s i m u l a t e di n v e s t i g a t i o no fm o v e m e n t c o n t r o l l i n go f w e l l h e a dm e c h a n i z e dd e v i c e so fp e t r o l e u mr i g s c h e n gx i a o m e i ( m e e h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) a b s t r a c t t h ek e yp a r t so fa u t o m a t e dp e t r o l e u mr i g sa g et h ew e l l h e a d m e c h a n i z e dd e v i c e s a n dt h ek e yo fr l i z i n gt h ew e l l h e a dm e c h a n i z a t i o ni s t h ea u t o m a t i cd e g r e eo fp i p ep r o c e s s i n gs y s t e m f r o mt h e1 9 6 0 s , c h i n ah a s s t a r t e dt h er e s e a r c hi nt h i sa g e aa n dh a sm a d ec e r t a i na c h i e v e m e n t s , b u ts t i l l h a sab i gg a pb e t w e e nt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l b e c a u s er e s e a r c h i n g o b j e c t si st o oe x p e n s i v e , t h et h e s i su s e dt h i sk i n do fd e s i g nm e t h o do ft h e s i m i l a r i t yt h e o r y t h em e t h o di sb e t t e ri nt h ee f f i c i e n c ya n dp r a c t i c a l i t ya s p e c t t h a n r e s e a r c h i n go b j e c t s t h e w o r k l o a di s r e l a t i v e l ys m a l l r e f e r e n c i n g d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr i g s , t h ew e l l h e a dd e v i c em o d e lo fp e t r o l e u mr i g m o d e lw a sd e s i g n e di ns c a l eb yu s i n g3 dm o d e l i n gs o f l w a g e - u gn x 4 0 ，a n d t h et h e s i sd i ds y s t e m i c a l l yd e s i g na n dr e s e a r c ho nt h ec o n t r o ls y s t e mo f t h i s m o d e l ， t h em o d e li sd r i v e nb yh y d r a u l i cp r e s s u r e , t h eo r d i n a r yp a r t so ft h e m o d e lp e t r o l e u mr i gi n c l u d ef o u rm a j o rc o m p o n e n t s t h ef o u rm a j o r c o m p o n e n t s a g et h e p a r t o f t o p d r i v e n s y s t e r m , p i p ep r o c e s s i n g s y s t e r m ( i n c l u d i n gt h er o b o t i ch a n da n di r o nr o u g h n a c k ) a n ds l i p sd u r i n g w o r l t h ev a r i o u sp a r t sa g ew o r k i n ga l o n e , w i t h o u tt h et w op a r t sw o r k i n g t o g e t h e r s ot h e ya r ed r i v e nb yas i n # ep u m p i ti sh i g hp o w e ru t i l i z a t i o nt o i v u s et h es a m eh y d r a u l i cp o w e r t h ec o n t r o l l e ri sm o d u l a r i z e dp l co fo m r o nc o m p a n yi nt h i st h e s i s t h e r ea r ef o u rw o r k i n gw a y s ( m a n u a l ，s i n g l e - s t e p ，s i n g l e - c y c l ea n dc y c l e ) t ob e d e s i g n e df o rp i p ep r o c e s s i n gs y s t e mo ft h em o d e lr i g i n t h i s w a y ，t h e a u t o m a t i cd e g r e ea n dt h er e l i a b i l i t yd e g r e eo ft h ew o r ko fw e l l h e a d m e c h a n i z e dd e v i c e si s i m p r o v e d a n dw o r k l o a d so ft h ed r i l l e ra r e r e d u c e d o n l yi - 2w o r k e r so nt h ed r i l l i n gp l a t f o r mr i g sc a l lc o n t r o lt h ew h o l e o p e r a t i o n d e s i g n e d t h ei n t e r f a c eo ft h e r i gb yu s i n gc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e , t h ei n t e r f a c ec a nd i s p l a yt h er i g ss t a m st od r i l l e rw i t hi n d i c a t o r l i g h t so rf i g u r e s ，a n dt h ed r i l l e r st i r e d n e s sc a l lb e r e d u c e d k e yw o r d s ：a u t o m a t e dr i g , w e l l h e a d m e c h a n i z e d d e v i c e ，p i p ep r o c e s s i n g s y s t e r m , p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r , i n t e r f a c e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：瘟l 上噬纠年r 月冲日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：趁d ! 趣 沙7 年f 月 导师签名：踟司年3 - 月 撕日 刀日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 课题背景及选题依据 自动化钻井是国, b 在2 0 世纪9 0 年代发展起来的一项前沿钻井技术， 是2 1 世纪钻井技术的主要发展方向。自动化钻井系统就是指全部钻井依 靠传感器测量各种参数，使用计算机获取数据并进行解释和发出指令， 最后由自动化设备去执行，实现无人操作的自动化控制系统。自动化钻 井包括井下自动化和地面钻机自动化两大部分，并且当今的自动化钻井 系统是靠闭环自动化控制系统来实现的1 。 自动化钻机采用自动化管理，仅需1 名操作人员便可通过计算机控 制完成所有钻进、起下钻和钻杆排放等作业3 。使用自动化钻机可在并 场中心线上实现套管、钻柱和钻具组合的自动装卸，整个过程不需人的 干预和更换装置( 如绞车、转盘、扭矩仪、卡瓦装置、顶驱等均可以在 钻台上通过计算机来远程控制) 。可以说应用自动化钻机可提高生产过程 的自动化程度；可改善劳动条件、避免人身事故；可减少人力，并便于 有节奏的生产。因此，自动化钻机具有很高的可靠性、先进性、适应性 和经济性，特别适于在环境条件和地质构造相当恶劣以及钻井费用相当 高的地区钻井。 自动化钻机的关键部分就是其井口的机械化装置，而实现石油钻机 井口机械化、自动化的关键则是管具处理系统o 。我国从上世纪6 0 年 代开始这方面的研究工作，取得了一定的成绩，但总体上与国外差距较 大，到目前为止，我国还没有一台全液压顶驱石油钻机，也没有实现对 钻机起、卸、排全套井口作业的机械化、自动化操作。因此研究石油钻 机的井口机械化装置具有现实意义。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 国外石油钻机井口机械化装置研究现状 自动化、机械化井口起下装置经过了漫长的发展历程。上世纪8 0 年 代以来，法国f o r a s o l 公司、日本海洋工业协会等1 2 家日本公司、英国 s t r a c h a n & h e n s h a w 有限公司和美国w - na p a c h e 联合公司都研制了自动 化钻机。这些新型钻机具有的共同特点是：普遍采用了顶驱系统和管具 处理系统，由工业计算机控制记录钻机钻井作业的全过程，实现自动控 制井口的起、卸、排整套的机械化操作。 m 顶部驱动及其所配备的机械化装置 顶部驱动钻井系统是上世纪8 0 年代发展成熟起来的一项新技术，是 从推广转盘钻井以来使钻井方法发生重大变革的新设备1 ”1 。与以前的 动力水龙头相比较，它有两个重大的改进，一是可靠性极佳，在钻井时 能以最高的可靠性旋转钻柱钻进；二是管具操作设备效率高。目前，大 多数海洋及水平钻井钻机上都采用了顶部驱动装置。顶部驱动装置上端 与大钩吊环相联，下端则直接和钻杆相联。安装在水龙头下的顶部驱动 马达，通过减速机构直接驱动水龙头中心管带动钻杆旋转。钻井马达和 传动机构安装在导向行车上，可沿安装在井架上的导轨上下运动，钻杆 的装卸由管具装卸装置完成。由于不用方钻杆转盘，每次可接上一个立 根进行钻井，划眼、取芯等。起下钻时可以边起升，边循环及扩眼。因 此，顶部驱动系统与转盘驱动钻井对比具有许多新的特点。 b 轻型自动化钻井系统( l a d s ) 为解决美国阿拉斯力l n o r t hs l o p e 地区钻井中遇到的问题，英国石油 公司与p h o n e xa l a s k at e c h n o l o g y 公司共同研制了一种轻型自动化钻井系 统( l a d s ) “l s o 这种应用3 d c a d 软件设计的钻井系统不仅质量轻( 不 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 到钻深能力相当的常规钻机的1 2 ) ，而且具有高度灵活性，能适应恶劣 路况搬迁和在狭窄井场进行钻井作业。另外，由于采用自动化管理，整 个系统仅需1 名操作工便可通过计算机控制站完成所有钻进、起下钻和钻 杆排放等作业。 l a d s 的管具处理系统是一个综合系统，能高效率处理长8 5 1 3 7 m ，直径7 3 0 3 3 9 7 r a m 的管材。其6 个主要设备包括管材自动装拆 装置、管材传送装置、管材吊臂、铁钻工、带有自动吊卡的顶驱系统和 自动卡瓦等。 l a d s 的自动控制系统( a c s ) 是这种钻机中技术要求最高的部分，该 系统控制钻机设备的运行，并自动完成管具处理操作。通过自动控制系 统，司钻可以通过一个操作椅对整部钻机的运行进行控制。用于控制管 臂及综合管具操作系统程序的软件是专门为a c s 设计的。该钻机的自动 化程度很高，在投入运行和排除故障过程中，所有的例行程序操作都全 部自动地同步进行。 c f o r a m a t i c2 自动化钻机 法国f o r a s o l 公司在研制f o r a m a t i cl 号机械驱动的半自动化钻机 的基础上，于1 9 8 5 年研制f o r a m a t i c 2 自动化钻机 5 l i e - i s o f o r a m a t i c 2 自动化钻机是一台可控硅( s c r ) 直流电驱动的自动化钻机，可钻井深 约2 4 3 8 m ( 7 9 0 0 f 1 ) 。由多台交流发电机提供动力，每台发电机组由一台 5 5 1 1 k w ( 7 5 0 h p ) 的g m l 6 v 9 2 型柴油机驱动，发电机组实现动力并车。 交流电通过可控硅整流，供给5 台直流电动机电力，以便分别驱动绞车、 泥浆泵和其它动力装置。钻机采用拖车模块结构。钻机的2 0 个运载件( 包 括井下设备) 可快速地从一个井场搬运到另一井场。该钻机采用液压顶 部驱动钻井系统，没有转盘、人力大钳、卡瓦及二层平台等，设备只需3 人操作。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 f o k a m a t i c2 自动化钻机实现了钻杆自动操作和自动化钻井作业。 同时还采用了“a s - - c , o f a r ”实时钻井参数监测系统。该系统由f o r a s o l 公司 与s y m i n e x 公司和玎即公司合作开发，可协助司钻进行钻井作业。a s e o f a r 系统不仅能显示地面和井下传感器传来的各种信息，还具有数据采集、 计算、存储、报警等功能。司钻可迅速、十分方便地读出系统显示的所 有实时参数，并利用这些参数在恰当的时候作出正确的决定，提高钻井 质量，避免发生事故。 d r a - d 型自动化钻机 英国的s t r a c h a n & h e n s h a w 公司生产的r a - d 钻机是一种轻型的深井 海洋钻机，钻深能力己达到6 1 0 0 m ，载重为6 5 0 t 。r a - d 自动化钻机的关 键部分是重量较小的管具处理系统“m ”1 。r a - d 自动化钻机的管具处理 系统，整体在程序化逻辑控制器的控制之下，包括2 个连通的子系统。管 具处理和储存系统使用l 或2 个拖架处理钻杆架，升降的移动由起升结构 在其顶部装载着钻杆架来完成。 自动化钻井可实现最小化组装钻具的人工处理工作。它能够处理稳 定器、无磁钻铤、震击器和转向装置。由于设计了灵活的爪子和钻杆架 系统，能够进行钻杆架和爪子的定位，并将钻杆移运到井架上。 转台被安装在大直径的无摩擦的轴承上，使起重臂能够旋转1 8 0 。 其移动由液压马达驱动进行定量控制。2 个爪子可以在起重臂上独立移 动，由液压马达驱动。每一个爪子的位置由与液压马达相连的编码器感 知，以爪子移动的长度来适应不同的管柱尺寸和位置。自动化钻机爪子 的移动完全由慢速液力马达驱动。 操作台由简单的按钮和指示器操作。在控制台上选择自动模式，司 钻使自动化钻机准备好自动化控制。在个人计算机上选择管柱，并由计 算机监控其移动和操作。由计算机确定起重机爪子的位置，根据钻杆的 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 类型和长度，编码器确保爪子到达适当位置时减慢速度。钻杆架的移动 位置也由编码器确定。大钳由螺线管阀和主开关来控制，脉冲编码器可 确保爪子卡在正确的位置，以及在特定管柱的相应直径处闭合。 总之，该自动化钻机使用了自动化技术及安全可控的方式，节省了 人力，并且在未来的自动化钻井中继续保持其优势。 e w - na p a c h e 自动化钻机 美国w - na p a c h e 钻机，可手控、遥控或全自动操作“1 。由2 至3 人操 纵，可钻井深6 0 0 0 f l ，设计扩展后可到2 0 0 0 0 f 【。与常规钻机相比，移动 负荷减少l 3 ，钻机安装和拆卸时问减少5 0 。钻机在井场安装就位后， 4 h 内可以开钻，接一次单根约需l m i n ，可以操作不同直径的钻杆和2 6 m o 直径以下的套管。常规钻井时间比一般钻机少1 2 1 5 ，操作费用少 8 l o 。 s r s - 2 型星管子排放系统 美国v a r c o 公司研制的s r s - 2 型星形管子排放系统，兼有铁钻工功能， 除了起下钻作业外，还能将钻杆立根和钻铤从立根盒移到井口或从井口 移回立根盒，在起下钻时不需要井架工和台面钻工嘲。 这套系统包括l 根可正反旋转1 8 0 0 的立柱总成、2 根移放臂( 上、下 各1 根) 和l 台星形指梁。此外，还包括立柱延伸段，上、下臂滑架及爪， 锁紧环，上、下旋转驱动装置和轨道等。指梁有许多长槽，呈辐射状布 置，槽可存取立根。长冲程移放臂可移放长达3 1 m 的立根、钻铤和套管。 下移放臂的升举高度为1 0 m ，举升能力为9 7 5 k n 。这套系统己用于海上 平台、自升式、半潜式和陆地钻机。 1 2 2 国内石油钻机井口机械化装置研究现状 改革开放以来，尽管我国的石油钻井装备有了较大的进步和长足的 发展，但与国外相比，在某些方面仍有较大的差距。国外顶部驱动装置 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 己成系列，且性能可靠。我国虽然成功研制t d q 6 0 d 型顶部驱动钻井装 置，但产品型号单一，性能达不到国外同类产品水平，液压及密封件质 量不过关。相较之国外先进的井口机械化装置，我国同时也存在很大的 差距。虽然我国已发展了较多的小型井口机械化装置，钻井工人的劳动 条件有所改善，但是还未完全实现综合机械化，二层台上的高空作业依 然存在，在起下钻时，钻工还要搬吊卡，提卡瓦、拉立根瞄“1 。 1 3 本课题主要研究内容 本课题是在设计好的全液压顶驱石油钻机三维实体模型的基础上设 计井口机械化管具处理系统，建立一个能完成起、卸、排一整套井口智 能控制的井口机械化系统，并对其进行运动控制的模拟研究。整个系统 将结合机械工程技术、微电子技术、可编程控制器控制、工业机器人控 制、计算机控制等多方面技术，是一种跨专业的机电控制系统。课题主 要包括以下研究内容： ( 1 ) 井口机械化管具处理系统模型的三维实体设计。整个管具处理系 统包括排管机械手及其附属装置旋转立根盒和铁钻工，采用立式管具排 放的设计方案。在对排管机构进行结构设计时，拟采用摆动旋转装 置，结构简单紧凑。 ( 2 ) 对排管机械手进行运动学、动力学分析和轨迹规划。 ( 3 ) 井口机械化管具处理系统中的驱动系统采用液压驱动系统，对整 个系统的液压回路进行设计。 ( 4 ) 控制器的选择。控制器是整个井口机械化管具处理系统的大脑， 指挥整个系统的各执行部分，使其相互协调工作，完成操作员所要求的 任务。 ( 5 ) 管具处理系统中的运动控制系统设计，使排管机械手，铁钻工， 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 旋转立根盒以一定的速度作定位运动，完成各种运动轨迹，实现各种动 作。整个系统设计有手动、单步、单周期和连续四种工作方式，并设计 了此类型旋转立根盒自动控制算法，完成此类型旋转立根盒的通用程序 的设计。 ( 6 ) 管具处理系统人机界面的设计。使用组态软件将管具排放系统的 工作状态呈现在操作人员面前，便于操作人员对整个系统的工作状态作 出判断和控制，降低了人员的劳动强度。 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井1 ：3 机械化械装置的机械系统设计 第2 章井口机械化装置的机械系统设计 2 1 相似理论与模型试验 相似理论是说明自然界和工程中各相似现象相似原理的学说。是研 究自然现象中个性与共性，或特殊与一般的关系以及内部矛盾与外部条 件之间的关系的理论。它从现象发生和发展的内部规律性( 数理方程) 和外部条件( 定解条件) 出发，以这些数理方程所固有的在量纲上的齐 次性以及数理方程的正确性不受测量单位制选择的影响等为大前提，通 过线性变换等数学演绎手段而得到了自己的结论。相似理论主要由相似 三定理组成，包括。“： 第一定理：凡是相似的现象，在对应瞬间，对应点上的同名准则数 相等。 第二定理：凡同一种类的现象，若单值性条件相似，而且由单值性 条件的物理量所组成的相似准则数在数值上相等，则这些现象必定相似。 第三定理：对于同类现象，凡单值条件相似，并且由单值条件量组 成的定型准则相等，则这些现象相似。 相似理论是试验的理论，用以指导试验的根本布局问题，它为模拟 试验提供指导。尺度的缩小或放大，参数的提高或降低，介质性能的改 变等，目的在于以最低的成本和在最短的运转周期内摸清所研究模型的 内部规律。相似理论在现代科技中的最主要的价值在于它指导模型试验 上。 模型是指用于表示或比拟自然现象的物理实体或数学概念删。工 程界常指的模型是与物理系统密切有关的物理装置，即所谓的物理模型。 通过对它的观察或试验即模型试验，可在需要的方面精确地预测系统的 性能。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井口机械化械装置的机械系统设计 模型试验研究作为一种研究手段，它具有如下一些明显的特点。1 ： ( 1 ) 可以严格控制试验对象的主要参数而不受外界条件和自然条件 的限制，并能做到结果正确。 ( 2 ) 模型试验有利于在复杂的试验过程中突出主要矛盾，便于把握、 发现现象的内在联系，并且有时可用来对原型所得的结论进行校验。 ( 3 ) 由于与原型相比，模型一般是缩小了尺寸，故能节省资金、人力 和时间。 ( 4 ) 模型试验能够预测一些尚未出现的实物的性能，有时则用来探索 一些未尽了解的现象或结构的基本性能或其极限值。 ( 5 ) 当其它分析方法无法有效采用时，模型试验成了现象相似性问题 缸 研究的有效手段。 ” 本课题所采用的就是设计效率高、工作量相对较小，实用性较强的 相似理论设计方法。结合国内外某些同类型井口机械化装置进行新的设 计，并根据对工作装置性能的要求，以相似理论作为设计依据，完成全 液压顶驱石油钻机井口管具处理系统模型的设计，达到进行模型试验的 要求。 根据课题实际问题，选取相似第三定理作为设计依据，设计相似模 型。对于相似模型来说，通常取长度、时间、力、温度和电流的相似关 系似乎是比较合适的，通常将对应于以上五个物理量的相似比称为基本 相似比( p r i m a r ys c a l ef a c t o r s ) ，而把除此之外的相似比称为诱导相似比 ( s e c o n ds c a l ef a c t o r s ) 。 设长度缩尺为g ，q = 1 1 ( 2 1 ) 则啪： ( 1 ) 面积缩尺为g 2 ，这时可设想二面积为一，a m 的正方形，故 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井口机械化械装置的机械系统设计 ， a ，2 ，2 o 2 石2 虿孔1 ( 2 2 ) ( 2 ) 体积缩尺为g 3 ，这时可设想二体积为v ，的立方体，故 一 矿，3 ，3 o 2 瓦2 虿_ l ( 2 - 3 ) ( 3 ) 质量缩尺为q 3 ，这时可设想二密度为户，体积分别为v ，圪的 立方物体，故 巳= 罢= 苦2 凹肼mp m p ( 2 4 ) ( 4 ) 力缩尺为q 3 ，这时可设想二密度为p ，体积分别为v ，的立 方物体，故 c ，：上一w 堕：c ? j 。w 。v 。o g j ( 2 - 5 ) ( 5 ) 单位压力缩尺为g ，这时可设想二力为，厶分别作用于二面 积为4 ，以上，故 c ，= 丽f l a = 箍= 吕= c l ( 2 6 ) ( 6 ) 时间缩尺为c j l ”，这时可设想有二自由落体，其行程分别为 ，= 三g f 2 ，= i l 巩2 ，故 弘：= 舀 ( 2 7 ) ( 7 ) 速度缩尺为q “2 ，这时可设想速度分别为i ，的两个物体，故 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井口机械化械装置的机械系统设计 c 2 毒2 丧2 瓦1 1 2 万c 1 = c ： ( 2 8 ) ( 8 ) 加速度缩尺为l ，这时设有二加速度为口，的两个物体，故 弘昙2 卷2 鲁2 詈叫 ( 2 - 9 ) ( 9 ) 转速缩尺为c ，1 ”，可设想有半径为，o 的车轮，在各自时f n 3 t 和内分别以转速力，驶过路程i ，l ，因l = 2 n r n t ，乇= 2 矾乙， 可得 c 。= = 寺，等= 斋= 与= 一 涵 h i i 7 瓦一网一磊孔。 u 2 2 管具处理系统的机械系统设计 整个井口机械化、自动化装置的核心是管具处理系统，本课题所设 计的管具处理系统模型主要包括排管机械手及其附属工具旋转立根盒和 铁钻工。为简化机械结构，在设计过程中只考虑排放规格为5 i n 的钻杆， 模型钻杆直径按1 ：5 比例，长度按1 ：1 0 的比例设计，则模型钻杆直径 为l i n ，立根长为3 m 。为降低制造成本，所设计的结构多数为型材焊接 或螺栓连接而成。 本设计所适用的全液压顶驱石油模型钻机如图2 - 1 所示，总长度为 1 8 m ，总宽度为1 6 m ，总高度为5 6 m 。主要包括井架、顶驱起升装置、 顶驱装置、导向滑车、卡瓦装置、管具处理系统。“。本课题所设计的 井口机械化装置管具处理系统模型包括的排管机械手及其附属工具旋转 立根盒和铁钻工，分别如图2 _ 2 、2 _ 3 所示。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井口机械化械装置的机械系统设计 图2 - 1 全液压钻机整机结构图 2 2 1 设计任务 a 作业分析 管具处理系统使钻机起下钻和排放立根的工作实现自动化，智能化， 减轻操作人员劳动强度，提高工作效率。作业流程如下： 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井口机械化械装置的机械系统设计 图2 2 排管机械手结构图 卜旋转立根盒：2 一扶正手；3 伸出臂油缸；4 伸 出臂：5 一抓紧手；6 一旋转臂；7 一旋转臂马达；8 - 支架；9 - 导轨；l o - 滑车：1 1 一起升油缸；1 2 - 立根 盒旋转马达 图2 3 铁钻工结构图 卜钳口升降油缸；2 - 底钳；3 一上钳：4 - 上 钳夹紧油缸；5 一旋扣钳：6 一旋扣马达：7 - 旋扣钳夹紧油缸：8 一上卸扣油缸：9 _ 底钳 夹紧油缸 开始下钻工作时，顶驱起升至最大高度，同时排管机械手伸出，从 旋转立根盒中取出立根将其送至加接立根的准确位置，排管机械手抓紧 手松开；铁钻工前行至井口并竖直调整位置使夹钳对准立根接头，然后 旋转拧紧立根，铁钻工松开夹钳，下行退至原位；顶驱下行至立根处， 吊卡摆动，抓住立根接头下部；排管机械手扶正手同时也松开，排管机 械手缩回，摆动下行至底部；同时顶驱上提一定距离，取出卡瓦，下立 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井口机械化械装置的机械系统设计 根，接近底部时，放卡瓦，顶驱下行至最低位置，吊卡张开，反向摆动。 至此完成一个下钻工作周期，开始下一轮动作循环。 开始起钻作业时，吊卡摆动，手指合拢，顶驱上提至根立根高度； 同时排管机械手摆动、上行，排管机械手伸出运行至立根处合适位置， 扶正手抓紧；吊卡手指分开，反向摆动，顶驱上提至最大高度；铁钻工 前行，上行至合适位置，夹钳对准立根接头，然后完成冲扣，旋扣动作， 夹钳松开，铁钻工下行后退至原位；排管机械手抓紧手抓紧，排管机械 手运行至旋转立根盒准确位置，放立根，缩回，顶驱下行至最底部。至 此完成一个起钻作业周期，开始下一轮动作循环。 b 技术参数 1 ) 排管机械手的技术参数m “1 ( 1 ) 提取重量及长度 提取重量是用来表明机械手负荷能力的技术参数，一般指其正常运 行时所能提取工件的质量。根据使用钻杆的情况，本课题是以5 i n 钻杆 为原型标准，模型钻杆以直径1 ：5 ，长度l ：l o 的比例设计，根据( 2 - 1 ) 式得抓取模型钻杆直径为l i n ，立根长度为3 m ，模型钻杆材料选用为铝 合金，则立根质量为6 k g 。 ( 2 ) 活动度 机械手的活动度越多，其动作越灵活，适宜性也越广，但结构也相 应较为复杂。因为本课题所设计的排管机械手为专用机械手，所以动作 相对来说较为单一，只需完成升降、水平伸缩和回转这三个活动度，可 由回转型机械手完成，活动度为3 个自由度，不需增加脘部，可进一步 简化排管机械手的结构设计。 ( 3 ) 运行行程 运行行程( 是指直线距离或回转角度) ，即臂部、腕部、整个机械手 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井口机械化械装置的机械系统设计 的变动量。排管机械手的伸缩行程设计为1 8 0 r a m ，升降行程设计为 9 0 0 m m ，摆动角度为9 0 。 ( 4 ) 运动速度 运动速度是反映机械手性能的一项重要技术参数，它与机械手的提 取重量、位置精度等参数都有着密切的关系，同时也直接影响着机械手 的运行周期。 机械手运动部件的每个活动度其运行全过程一般包括启动加速、等 速运行和减速制动等阶段，其速度时间可以简化为如图2 - 4 所示。 v t ，一启动加速 f 等速运行f 2 一减速制动 图2 - 4 机械手速度时间特性曲线 一般说的运动速度，是指其最大运行速度。为了缩短机械手整个运 动的周期，提高生产效率，通常总是希望启动加速度和减速制动阶段的 时间尽可能的短，而运行速度尽可能的提高，即提高全运动过程的平均 速度。但由此会使加速度、减速度的数值相应增大，在这种情况下，惯 性力也越大，容易使工件松脱；同时由于受到较大的动载荷而影响机械 手工作的平稳性和位置精度。这就是在不同的运行速度下，机械手能提 取的重量相应不同的缘故。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井1 ：3 机械化械装置的机械系统设计 目前，国内外通用机械手的最大直线运行速度大部分在1 0 0 0 m m s 以下，最大回转运行速度一般不超过1 2 0 。s 。设计该排管机械手水平方 向上直线速度为9 0 m m s ，竖直方向上的直线速度为3 0 0 m m s ，回转运行 速度为0 5 2 3 r a d s 。 ( 5 ) 定位精度 位置精度是衡量机械手工作质量的又一项重要指标。位置精度包括 位置设定精度和重复位置精度两种。一般所说的位置精度是指重复位置 精度。位置精度的高低取决于位置控制方式以及机械手运动部件本身的 精度和刚度，而与提取质量、运行速度等也有密切关系。设计该排管机 械手为点位控制，位置精度应达0 5 m m 。 2 ) 旋转立根盒技术参数 设计旋转立根盒排放立根容量8 0 根，最大载重4 8 0 k g ，最大转动速 度为0 2 0 9 r a d s 。 3 ) 铁钻工技术参数 铁钻工技术参数和排管机械手相似：( 1 ) 提取重量及长度，模型钻杆 直径为l i n ，立根长度为3 m ，模型钻杆材料选用为铝合金，则立根质量 为6 k s 。( 2 ) 活动度，设计铁钻工为2 个自由度，水平直线运动和竖直直 线运动。( 3 ) 运行行程，铁钻工水平方向行程设计为1 6 0 m m ，升降行程 设计为3 0 m m 。“) 运动速度，水平方向上直线速度为8 0 m m s ，竖直方 向上的直线速度为l o m m s ，( 5 ) 定位精度，应达0 5 m m 。 2 2 2 机械系统设计 a 排管机械手手部结构设计 1 ) 手部的种类 机械手的手部( 亦称抓取机构) 是直接来握持工件的部件。由于被 握持工件的形状、尺寸大小、轻重和材料性能、表面状况等的不同，所 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井口机械化械装置的机械系统设计 以机械手的手部结构也是多种多样的，大部分的手部结构是根据特定的 工件要求而专门设计的。归纳起来，常用的机械手手部按其握持工件的 原理，大致可分为夹持和吸附两大类。 夹持类中，根据夹持工件的部位不同，可分为内撑式和外夹式两种。 内撑式和外夹式不同之处只是夹紧的动作方向相反。夹持类中最常见的 主要有夹钳式，此外还有钩拖式和弹簧式。夹持类中按其手指夹持工作 时的运动方式的不同，可分为手指回转型和手指( 指面) 平移型两种。 吸附类中，有气吸式和磁吸式。 考虑到立根又长又重的特点和排管机械手下钻时将立根从立根盒中 取出移送到井口和起钻时将立根从井口移送到立根盒并排放好的动作特 点，选用夹持式的手部结构。 2 ) 手部设计 图2 - 5 排管机械手结构图 排管机械手总体结构如图2 - 5 。图2 - 6 为扶正手结构图，图2 7 为 抓紧手结构图。 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井口机械化械装置的机械系统设计 图2 - 6 扶正手结构图图2 7 夹紧手结构图 由于立根属于长杆形工件，采用两只手爪协调工作，以保证抓取的 可行性和传递过程中的平稳性。这种搬运过程是模拟一个人搬运杆状物 体的动作。下钻作业时，机械手从立根盒中按顺序逐根抓取、传送立根； 起钻作业时，机械手再将立根依次放入立根盒中即可。如图2 - 5 所示， 扶正手和抓紧手的手爪通过排管机械手支承板均固定在伸出臂末端的两 头，采用这种结构方式是让两手爪在三维方向上的动作同步，且使两手 爪能随着臂部同时一起运动m 1 。如图2 - 6 和2 - 7 所示，扶正手和抓紧手手 爪均采用连杆式的结构。扶正手手爪装有滚柱导轨以使其在爪内旋转时 保证立根在导轨内。抓紧手手爪装有夹钳，整个立根的重量均由抓紧手 承受。抓紧手和扶正手的手爪的夹紧油缸均固定在臂块上，油缸的活塞 杆连在连杆上，活塞杆推动连杆，使手指闭合啪1 。 b 排管机械手臂部结构设计 。 末端执行器即手部必须通过手腕与手臂联接才能通过手臂和腰部实 现末端执行器在作业空间的三个位置坐标( 自由度) 的基础上的三个姿 态( 方位) 坐标。也即在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空 间的方位，以扩大机械手臂的动作范围，并使手爪变得更灵巧，适应性 更强。但手腕的自由度愈多，结构和控制愈复杂。因此对于专用机械手， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井口机械化械装置的机械系统设计 为简化结构，可以不设置手腕，而直接由手臂的运动驱使手部实现搬运 工件或操作工具。本排管机械手的附属设备旋转立根盒，已将排放 好的立根的位姿设置得与手爪的位姿相同，因此，不需要安装手腕来调 整手爪的位姿。” 。， 机械手的臂部结构一般主要包括臂( 杆) 以及其完成伸缩、升降或 自转等运动有关的构件如驱动装置、传动机构、支承连接件、导向 定位装置和检测元件等。本次设计中采用的是柱坐标式的手臂，具有三 自由度，即完成手臂的伸缩、左右回转和升降( 或俯仰) 运动。此种设 计使整个排管机械手结构刚度高，三个关节的运动是相互独立的，没有 耦合，不影响手爪的姿态，运动简单，不产生奇异状态。它在各个轴向 的移动距离，可在各坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的 编程计算，定位精度高，结构简单。 1 ) 驱动装置 实现排管机械手的前后伸缩、上下行走动作采用液压缸直接驱动， 没有设传动机构，机械臂的摆动动作采用机械臂摆动液压马达驱动。 2 ) 导向装置 导轨的功用是导向和承载，即保证运动部件在外力作用下，能准确 地沿着一定的方向运动。在导轨副中，运动的一方叫动导轨，不动的一 方叫做支承导轨。动导轨相对于支承导轨只有一个自由度的直线运动或 回转运动。 机械臂的导向结构见图2 - 2 中的导轨9 和滑车l o 及图2 - 8 。图2 - 2 中的 导轨9 是支承导轨，固定在支架8 上。图2 - 2 中的滑车1 0 是动导轨，结构如 图2 - 8 所示，其侧导向轮保证机械臂竖直上下行走，前后导向轮主要用于 机械臂摆动时提供反扭矩。导轨形状选用矩形导轨，导轨材料选用型铝。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井口机械化械装置的机械系统设计 图2 - 8 滑车结构图 1 4 侧导向轮；2 - 前导向轮；3 - 后导向轮 3 ) 定位装置 定位方式是机械手的一项基本性能，它代表机械手的主要特征。定 位方式的分类如下图2 9 所示： 简易型 ( 开关式) 机械方式j l 可调机械档块 电气方式 厂 用行程开关检测 二：二 本排管机械手采用行程开关，光电传感器，电涡流式传感器，电气控制， 切断油路，滑行定位呻。1 。 2 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井口机械化械装置的机械系统设计 c 旋转立根盒结构设计 立根盒设计成液压马达驱动立根盒底盘旋转，并最终使特定的排管 槽停止在指定的参考位置上，使立根盒上的排管槽旋转至准确位置便于 排管机械手抓取或排放立根。排管机械手要 从立根盒中抓取或排放立根，控制系统决定 了立根盒旋转方式和所要抓取或排放的立根 的次序。较为简单的情况是立根每次出现在 同一位置，且立根的位姿设置得与抓手的位 姿相同，可以设计如图2 - 1 0 所示的旋转立根 盒。为保持立根盒的平衡，立根均匀的排放 在排管槽中，由控制系统计算确定下一个需 要抓取的立根或需要排放立根的排管槽后， 图2 - 1 0 立根盒结构图 由液压马达驱动立根盒底盘旋转，使计算出 的相对应的排管槽旋转到参考位置，等待排管机械手抓取或排放立根。 此设计方案不仅简化了排管机械手的设计方案，还使手爪抓取的控制过 程简单了，所以选择此设计方案。 d 铁钻工结构设计 动力大钳是一种完成上卸管扣工作的井口机械化设备，代替工人在 井口繁重而危险的手工操作1 。它因满足下列要求： ( 1 ) 卡紧可靠。对钻杆动力大钳，要求在接头有不同程度的磨损及偏 磨时都能卡紧钻杆； ( 2 ) 有足够的扭矩，以满足拧紧或卸开丝扣的需要。对于钻杆大钳， 卸扣扭矩应在5 0 k n m 以上，最大至1 0 0 k n m ； ( 3 ) 能准确、迅速地移向管柱并卡紧，工作完毕后又能自行松开管柱 并退回原处； 2 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井口机械化械装置的机械系统设计 ( 4 ) 操作使用灵活方便，工作效率高。 根据工作对象的不同，动力大钳可分为钻杆钳，套管钳、油管钳及 抽油杆钳等。后几种由于管子接头很少磨损，管径比较固定，所需的拧 扣扭矩也较小，因此，可以成功地采用多种类型的钳口卡紧机构。钻杆 钳由于丝扣较紧，接头经常被磨损，对钳口卡紧机构的要求比较高。旋 扣钳也是用来旋转钻杆的，所不同的是其旋转力矩很小，也不能用来紧 扣及卸扣。 根据安装方式不同，大钳可分为悬吊式与座轨式。本课题所设计的 铁钻工( i r o nr o u g h n e c k ) 如图2 - 3 所示，是一种座轨式动力大钳。 此铁钻工采用了开式钳口的动力钳结构，它的作用范围是起下钻时 上卸扣和钻进时接单根。旋扣的动力为液压马达，而管柱的夹紧、紧扣 和卸扣及铁钻工的移动分别由相应的液压缸来完成。 铁钻工的钳头部分为上下两钳即上钳和底钳与旋扣钳，底钳为固定 钳，上钳用来拧紧和卸扣。 上钳和底钳的夹紧机构采用坡板滚子式。上钳有一定坡角的坡 板与铁钻工的支架固定在一起，当需要上钳夹紧立根时，液压缸驱动上 钳旋转，颚板背部的滚子将沿坡板的螺旋面上坡，并沿径向槽向中心靠 拢，最后夹紧立根。上钳的卸扣和拧紧动作与夹紧动作相同，且驱动拧 紧和卸扣动作的液压缸相同，只是活