别无钻机钻探机器人推靠支撑机构设计与分析

摘要：基于新型无钻机钻探机器人，设计一种推靠支撑机构，对其进行结

构设计和工作模型分析。该机构结构上采用两对轴向交错排布的液压缸，既增加

了推靠支撑的行程，又增强了径向支撑强度；同时前后支撑机构和牵引机构协调

配合，实现井下钻探机器人的径向偏置和轴向导向姿态调整。对关键环节进行力

学分析和设计参数校核，保障机构的稳定性。样机的液压系统在30MPa压力下

稳定溢流，为机器人的最大推靠支撑力达到40kN提供了现实依据。

关键词：钻探机器人；推靠支撑；无钻机钻去

0引言

井下机器人是加强油气开发勘探的有力工具，具有成本低、风险低、环境友

好、全自动和远程监控等特点，是未来智能油气钻探的发展方向，可在深井、超

深井、大斜度井和大位移水平井中进行作业仪器的输送和其他辅助作业，如测井

机器人、排水采气机器人、钻孔机器人、液压牵引机器人⑻和连续油管钻井机器

人。

轮式、伸缩式和硬式机器人是油气井下机器人的主要类型，均由支撑机构、

能源供给、控制和驱动系统组成，其中支撑行走是基础，主要提供一个对井壁或

套管的正压力，以获得摩擦力实现牵引爬行。支撑机构有自锁滑块、液压活塞、

齿轮、蜗轮蜗杆、丝杠和凸轮等。

国外的Sondex轮式牵引机器人、刀片式三连杆井下牵引机器人及伸缩式井

下牵引机器人均采用双向锁止，但推靠支撑的每个机构只有一对支撑，机器人躯

体容易产生偏移，且提供的牵引支撑力较小。国内的伸缩式双向锁止机构能提供

较大的牵引力，但易发生自锁，产生井下卡堵。BadgerExplorer狸式钻探器无须

钻井平台，减少了工作程序和人力耗费，但钻速较慢，井孔被岩屑填充，无法进

行钻井液录井和取心作业，支撑机构则需要提供更大的牵引支撑力。伸缩式钻探

机器人通过牵引缸和支撑缸轴向布置，优化支撑机构和钻井液流道，以提供所需

钻压，实现牵引及动态破岩。

基于新型往复蠕动式无钻机钻探机器人，本文提出一种液压缸径向布置的推

靠支撑机构，通过辅助支撑传递较大牵引力，通过躯体位置和姿态调整减少牵引

时躯体与井壁的摩擦，以适应井下复杂环境。

1推靠支撑机构与工作机理

1.1推靠支撑机构设计

无钻机钻探机器人推靠支撑机构的总体布局如图1所示，主要由钻头、前/

后推靠支撑机构、前/后牵引机构、敦实机构和控制系统等组成，且前/后支撑、

牵引的机械结构相同，共同协调运转完成支撑和爬行动作。

敦实机构

前/后牵引机构

钻头

缆线存放仓

前/后推靠支撑机构

图1钻探机器人推靠支撑机构总体布局

单个推靠支撑机械结构如图2所示，液压缸采用中心对称的方式，轴向呈十

字支撑。双作用液压缸通过柱塞杆上的活塞分隔进油腔和回油腔，进油腔进油，

柱塞杆稳定推出，回油腔进油，柱塞杆回收复位。

液压驱动的结构如图3所示，运行路径为伺服电机一减速机一柱塞泵，接着

泵（输出压力油）一单向阀一溢流阀一电磁控制阀（4只）一液压缸，完成缸体

控制。液压控制系统通过反馈信号（MPU-6050实时计算辅助支撑臂摆动姿态）

实现柱塞杆伸出距离的定位并维持压力的恒定输出。

图3液压驱动三维模型

1.2推靠支撑原理

推靠支撑机构采用直动导杆滑块运动方式，如图4所示。柱塞杆W为动力

杆，推动支撑板滑轨V同时上移和左移，辅助支撑臂U引导滑轨V保持水平状

态与井壁平行。

13液压系统

液压系统能够提供较大的驱动力，但是其结构和元器件较为复杂，密封要求

高。其四缸油路运行路径如图5所示。

A液压缸

山x网B液压缸

C液压缸

电磁阀

溢流阀

45Az单向阀

电磁阀

1电磁阀

柱塞泵

D液压缸

伺服电机理驿1安电磁阀

油箱

图5液压驱动系统示意图

1.4推靠支撑运动模态

前/后推靠支撑机构通过八个液压缸与牵引机构协调配合，完成无钻机钻探

机器人的三种运动模态：钻进或回退、径向偏置调整、轴向姿态导向。

机器人的钻进动作通过推靠机构的支撑与伸缩来实现，状态a为初始状态,

前/后推靠支撑板全部推出，并与井壁紧固支撑机器人躯体，其他各状态如图6

所示，钻进时相应运动过程如下：

(1)状态a到状态b：前牵引机构缓慢伸出，推动钻头钻进至最大距离后，

前推靠支撑机构柱塞杆收回，后推靠支撑机构保持稳定支撑。

(2)状态b到状态c：后牵引机构缓慢伸出，前牵引机构配合后牵引机构

进行收缩，前推靠支撑机构向前伸出至最大距离后支撑板全部推出。

(3)状态c到状态d：后推靠支撑机构的支撑板全部收回，敦实机构配合

后牵引机构缓慢收缩。

（4）状态d到状态e：后牵引机构收缩至最小位置，后推靠支撑机构全部

推出支撑，整体恢复至初始状态a,周期动作完成,机器人获得一定的钻进深度。

状态a

状态b

状态C

状态d

状态e

图6支撑与伸缩钻进示意图

机器人回退动作与钻进相反，不再赘述。

机器人的径向偏置调整过程如图7所示，状态1中，Xi柱塞杆与X,柱塞杆、

匕柱塞杆与丫2柱塞杆均径向中心对称排布，沿轴向十字支撑。当两对柱塞杆在行

程上协调同步收缩至状态2,总与匕柱塞杆收缩，X?与丫2柱塞杆伸出时，则可实

现径向偏置。

状态1状态2

图7机器人径向偏置调整

机器人的轴向姿态导向过程如图8所示，当X1与X,柱塞杆收缩、X?与X3柱

塞杆伸出，另外的两对支撑协调伸缩，则机器人躯体轴线与井孔轴线倾斜一个角

度明同时牵引机构带动钻头按照其躯体姿态缓慢钻进，长距离累积后，可实现

导向钻进。

图8机器人轴向姿态调整

2推靠支撑机构力学分析

2.1机构承载力与支撑臂角度关系

推靠支撑机构的承载力（以下简称〃机构承载力〃）是指由机器人伸缩机构支

持部分躯体伸缩前进时作用于支撑机构上的力（图6中状态a至b时，前推靠支

撑机构需提供钻头钻进的钻压）。由于推靠支撑机构中心对称，受力基本对称,

以图9中一对推靠支撑板为例进行受力分析。

/////////////.

图9推靠支撑机构静刀学模型

左侧辅助支撑臂②为二力杆，F21与F23是作用力与反作用力，大小相等，方

向相反，作用在同一条直线上，分解出的只与F；大小相等，方向相反，Fy与

亦同。综合受力分析得出机构承载力大小公式:

Fc=2jLiFN/(1-Litany)(D

式中：Fc为推靠支撑机构的承载力（N）；〃为井壁的摩擦系数；片为柱塞

杆推出力（正压力）（N）;H为反作用力F"与承载力方向上所夹的锐角（。）。

可知机构承载力取决于三个要素一一8、〃和V,其中ES40kN,〃取值范围

为0.1〜0.4,v的大小关联辅助支撑臂和柱塞杆的伸出长度，影响推靠支撑机构

的最大结构承载力。那么，FN取40kN时，可以得出机构承载力与支撑角度、摩

擦系数的关系，如表1所示。

表1机构承载力的变化单位：N

角度(7)

摩擦系白加、^30°45°60°75°

0.184908889967612763

().218089200002448063094

0.3202302428549959自锁

0.44160953333104174自锁

当卜为75。、摩擦系数较大时，机构承载力通过辅助支撑臂施加在支撑板的

摩擦角内，支撑机构形成自锁，无论多大的力均无法使支撑板相对井壁滑动。实

际运行中需避免机构自锁且提供较大牵引力，y在45。〜60。时，在地下钻进的封

闭空间内，支撑板与井壁摩擦系数大于02则两对推靠支撑结构的牵引力将大

于40kN,前/后推靠支撑机构也将提供超过40kN的钻压。

2.2液压缸缸壁厚度6分析

液压缸主要部件包括缸盖、柱塞杆和缸体。机器人外径为170mm,其内置

的岩屑管道直径为25mm,设计的液压缸缸体内径。=40mm,柱塞杆杆径”0.7D,

柱塞杆总长为140mm,缸体材料为42CrMo合金。根据表2所示的缸体材料力

学性能，柱塞杆推出力FN=40kN时。，缸内压强约为32MPa,为中高压系统，同

等压强下柱塞收缩力约为20kN。

表242CrMo合金力学性能

硬度(退抗拉强度屈服强度伸长率弹性模fit冲击功冲击韧性值硬度

火)OtXMpa)Os(Mpa)6s(%)E(Mpa)Akv(J)akv(J/cm:)

147->10802930N12210000(2CX)263278(8)w

241HB(110)(95)185000(300℃)217HB

对于中高压系统，或者。/6V3.2,液压缸的缸筒厚度按照厚壁筒计算。综合

塑性材料和脆性材料的许用应力计算，分别采用第四和第二强度理论，得到液压

缸缸壁厚度624.17mm,符合32MPa的压强要求。

2.3柱塞杆活塞密封分析

柱塞杆上的活塞厚度一般为其活塞直径的0.6〜1.0倍,活塞处外径为40mm,

为了增大行程，取活塞厚度224mm,拟定选取6=30mm。同时进行薄弱点以及

安全系数分析，避免活塞密封失效，其中活塞处的等效应力分析如图10所示。

模型名称:枝容轩vonMises(N/mA2)

算例名称:静应力分析

图修类型:龄应力分析节应力1.489e>08

变形比例：1I1.3670,08

1.244e+08

1.121e*08

9.987e+07

8.761e*07

7.534e>07

6.308e+07

5.082e*07

3.85X+07

(2.629e+07

1.403e+07

・大：1.4891081.766e+06

，屈腕力：1.070e+09

图10柱塞杆活塞等效应力分析

选用与42CrMo合金相近屈服强度的材料，并通过夹具顾问模拟固定柱塞,

通过外部载荷顾问输入轴向力总数为40kN,划分网格并进行运算。得到最大等

效应力为1.489x108N/rrV,小于屈服力(1.07x109N/m2),安全系数如图11所

示，薄弱点为7.185,近大于安全系数标准，柱塞杆活塞强度满足设计要求。

模型名称:柱塞杆安全系数

算例名称:冲应力分析

图解类型:安全系数6.060e+02

准则:自动

5.561e+02

I5.062e+02

I.4.563e+02

I4.064e+02

3.565e+02

3.066e+02

2.567e+02

[2.068e+02

最小：7.185e+001.569e+02

1.070e+02

J5.709e+01

7.185e+00

图11柱塞杆活塞安全系数

柱塞杆活塞的受力变形位移分析如图12所示，可见柱塞主要受力部位径向

的变形位移量为2.461x103mm,两侧膨胀位移最大约为0.005mm,在柱塞杆加

工及密封圈配合误差的范围内。

模型名将:柱喜杆UX(mm)

M例名林:静应力分析

最大2.461c03

图解类型:龄态位移2.461e-03

变形比例：12.039e03

1.616e-03

1.193e-O3

7.704。.04

3.476e04

-7.516e05

-4.979e-04

-9.207e-04

I-1.343e-03

■-1.766e-03

|<2.189e03

•2.612e03

图12柱塞位移分析

综合活塞的等效应力和位移分析，可知柱塞杆活塞高压密封稳定。

2.4柱塞杆杆径。校核分析

柱塞杆是液压缸传递力的主要零件，其杆径一般为活塞直径的0.7D,即d=28

mm。

（1）根据强度要求来计算柱塞杆杆径小柱塞杆在稳定状态下要满