石油钻机管具运移装置自适应机械手设计研究

王 琛 董方杰

胜利油田利丰石油设备制造有限公司（257000）

海洋钻井平台很早以前就开始采用钻杆排放装置，但由于严重的波浪、恶劣的工作条件、安全问题和高昂的钻井成本，因此目前研究定位都放在加快施工钻井速度和缩短钻井周期方面。针对这种现象，很多国家开始研发自动化机械装置，利用自动化机械设备代替手动操作，从而实现人与钻杆分离，钻杆自动发射。 除了钻孔操作之外，还可以通过远程控制、自动变速器和钻杆自动排放等操作节省大量钻孔时间。

1 排管机夹持机械手概况

国外有一种自动化程度很高的钻机，采用了一种可以将平台下的钻杆直接输送到井口的装置，这种装置使用了机械手。钻井平台上的钻杆垂直排水系统使用DEU 技术， 机械手采用液压驱动方式作业。 机械手由分布在四个位置、结构相同的夹紧臂组成，通过四个夹紧臂保持稳定的夹持作业。

目前，大部分钻井平台采用立杆连接方式钻井，钻杆布置在平台根部箱上方，排管机械手的规模相对较小。如图1 所示的Iron Derrickman 排管机夹持机械手，其组成结构比较小，可以很容易地从排管机的底箱中取出目标立杆，最多可容纳5.443 公斤的钻杆。

图1 Iron Derrickman 排管机夹持机械手

2 夹持机械手的设计要求

2.1 工程概况

本工程采用排管机械手，旨在为万米大陆科学钻探工程提供设备，科学钻探工艺采用上驱动钻机与转台交替的工艺，钻探工艺采用连接立杆工艺，立杆存储在立杆箱中，需要排管机垂直排出的杆和钻孔柱较多。 因此，机械手必须经常进行夹持作业，以满足万米大陆科学钻探的管道器具处理要求。

文章采用的是SPKZ-1 型钻机的三维模型，两层钻机的指梁框架之间的间距很小。 当所有的直立杆放置在指梁框架中时，直立杆被垂直排出(传统的手动排出是直立杆的倾斜排出)，直立杆与直立杆之间的间距很小。 为了从直立杆簇中夹紧和取出目标直立杆，排管机的操纵器必须结构紧凑，并且不能干扰其它直立杆。 另外，目前铁钻工在连接立杆时需要顶驱和后夹的配合，动作多，消耗的时间也很多。 因此，在本设计方案中，也要将排管机机械手的旋转自由度考虑进来，只有这样才可以与铁钻工配合完成立杆动作。

2.2 机械手设计的主要难点和需要满足的要求

①工作环境恶劣，通常是在野外，有强风；②机械手结构小巧，可以便捷地安装在排管机上；③设备的钻杆重且长；④工作条件恶劣，钻杆被泥浆和油覆盖，这进一步增加了钻杆的重量和表面平滑程度；⑤机械手必须能够夹持万米科学钻探项目中使用的所有钻杆和钻头；⑥为配合铁钻工的运动需求，需要采用自由旋转工艺；⑦由于钻杆自动排放系统是全自动装置，要求机械手动作准确、反应灵敏。 从以上情况可以看出，这种钻杆夹具对强度和稳定性的要求比普通夹具更高，钻杆夹紧钳的研制是实现钻杆排放全自动化的关键一步。

2.3 排管机机械手具有的优势

①结构设计相对合理，能够完成基本的夹紧和站立动作；②夹杆动作稳定，对杆的损伤小；③夹紧架的转动自由度较高，可与铁钻工配合完成连接和断开支架操作；④系统各部分连接准确，机具匹配度高；⑤系统部件易于拆卸和更换；⑥通过压力传感器和感应式接近开关，压力液控可以自动判断机械手和钻杆的相对位置，自动控制夹紧动作。

在机械手的设计过程中，除了上述设计难点以外，还必须考虑将机械手作为一个部件安装在排管机上，机械手的设计也取决于排管的功能设计。 机械手的参数选择还应考虑辅助操作中排管的工艺过程。

3 排管机夹持机械手的设计方案

3.1 排管机设计注意事项

①操纵器和排管系统各部件之间的相对运动和相对位置；②机械手的外形尺寸、长度、宽度和高度以及各部分的外形尺寸；③所有部件的连接、协调和相关位置尺寸。 如两层平台指梁和排管架桅杆部分之间的间距以及表面尺寸等。

3.2 排管机夹持机械手的设计

采用椭圆活塞气缸，使机械手的结构更小。 当活塞杆向前移动的时候，两个夹爪的下端沿凸轮杆的弧面移动，使夹爪锁定。 在现有结构中，当液压缸的活塞杆返回时，两个夹爪不能打开。 为了连接钳口，有两种设计方法:一种是在夹爪之间设置一个弹簧，这样两个夹爪下端的滚轮就能始终固定在凸轮杆的弧面上，弹簧主要是在回程时起作用；另一种是设计两个连接板，分别连接夹爪和凸轮杆。 如果设置弹簧，则在夹紧大型钻柱并使其立于基础上时，会经常使用夹紧动作，并且容易引起弹簧疲劳；如果弹簧损坏了，那就更危险了；如果为弹簧提供保护套，机械手的整体尺寸将会增加。 如果设置连接板，连接板太薄不能提供足够的回复力，太厚将增加机械手的整体尺寸。 此外，夹爪上的滚轮安装方法会降低夹爪上滚轮安装位置的强度。

3.3 排管机夹紧机械手零件的布置

机械手三个夹紧位置的轴上分别安装有轴套，使机械手具有转动的自由度，并能配合铁钻工的动作。 应对轴套表面进行处理，以提高其与钻柱的摩擦力。 通常，摩擦力可以通过滚花套筒表面来改善。然而，在钻井过程中，钻杆被泥浆和油覆盖，这进一步增加了钻杆的重量，使表面更加光滑。 摩擦力的减小将导致钻杆在夹紧过程中掉落， 甚至导致事故，尤其是在钻柱旋转过程中。 因此，应提出增加摩擦力的处理方法。

铁钻工具有多种动能，并且属于一种安全高效的钻具拧紧装置。 主要完成钻杆接头螺纹的装卸、千斤顶的装卸、钻杆的投掷、井下工具的移动等功能。 为了使排管机与铁钻工配合进行连接和断开钻杆的操作，这种设计增加了机械手的旋转自由度。弹性垫片、钳子或滚轮通常用在机械手的夹具中，以提供机械手夹持钻杆所需的阀座擦拭力。 为了提供旋转自由度，机械手的夹持器有两种设计方案，一种是使用滚轮和轴承座，另一种是使用固定轴和轴套的组合。 一般来说，当使用滚子和轴承座时，设计转速较高，而当在铁钻工中进行旋拧或拧下时，设计转速为80 r/min (吉林大学建筑工程研究所设计的单扣铁钻工），因此采用固定轴加轴套的方式来增加摩檫力。

3.4 机械手的工作过程

排管机配有两个结构相同的机械手， 同步夹紧。 机械手有两个夹爪与一个定位块，夹爪和定位块上分别安装有夹块，油缸的活塞杆分别与夹爪和定位块连接。 定位块和两个夹爪通过两个相同的连接板连接，油缸的活塞杆向外伸出，带动两个夹爪和定位块， 使三个夹块径向向内移动相同的距离，夹紧立杆时具有较好的定心。 并且这部分的夹紧块是固定在两个夹爪和定位块的轴上的滚花轴套，这样在夹紧立杆时可以保持旋转自由度，从而与铁钻工配合完成立杆的连接和断开动作。 该系统采用负载敏感型的液压系统，可根据立杆的重量来自动调节夹紧力，避免夹紧力过大对钻杆表面造成的损坏。

4 结语

排管机夹持机械手可以提高工作效率，减少工作耗时。 但由于排管机夹紧机械手的工作频率高，易疲劳损坏，夹具应可快速更换；如果夹紧力过大，钻杆表面会磨损。 如果这些问题得不到解决，将无法充分发挥排管机的优势，甚至使钻杆在夹紧状态下产生更大的磨损和变形，从而影响钻杆的寿命。因此，可以采用文章的设计方案来增加摩擦力并减少钻杆的磨损，从而将排管机的性能发挥到最大。