双折叠臂管柱排放系统的结构研究

◇中石化四机石油机械有限公司 安 杰

本文主要介绍了一种典型的双臂折叠式管柱排放系统，主要包括直线行走机构、旋转机构、折叠臂以及机械手等结构部分，结构紧凑，折叠臂能够在较小的回转半径内实现较大的末端位移，保证机械手抓实现钻杆在二层台（立根排放区）与井口之间灵活抓取与摆放的功能，适用于陆地钻井平台。

钻井过程中，钻杆立根不断从二层台（立根区）向井口转移接单根，施工者劳动强度大，操作风险系数高。动作重复并且效率低下[1-2]。随着人们对钻井效率和安全作业意识的不断提高，钻采工人对装备的要求日益苛刻，管柱排放系统自动化是石油钻机的发展趋势。国外美国 NOV公司和挪威的 MH公司的管柱自动排放系统相当成熟，自动化与智能化程度高，基本实现管柱排放无人化作业；国内石油装备公司与不少科研机构都有所研究但推广较慢，其中江苏诚创、四川宏华、宝石机械、沈阳新松、烟台杰瑞等已具备相当实力，但与国外产品相比功能上仍有差距。因此，研发自动化管柱处理系统，逐步完成石油钻机井口机械化到半自动化、自动化，实现模仿到领先国外的跨越发展，具有重要的意义。

1 总体方案研究

1.1 方案设计

钻机管排架结构大多为X-Y型（见图1），二层台排管区域在两侧矩形指梁范围内，框架中间布置走道与翻转舌台，井口中心距离最近的走道边沿也有相当距离。二层台机器人要实现钻杆在立根排放区或者大小鼠洞之间的灵活抓取与摆放，就必须确保系统能够整体纵向平移与360°旋转，机械手臂展跨距要保证能延伸到指梁根部钻杆处以及井口中心、大小鼠洞位置。并且，机械手具有夹持与放松、提升与下放钻杆等动作，各种动作相互独立。由于钻杆较长，通常采用上部夹持下部扶正的双机械臂协同控制，通过指梁上的传感器对立根的存放位置与数量了如指掌，确保控制系统规划的钻杆运动路径有效。

图1 管柱与机器人布局图

1.2 工作原理

图2 管柱机器人结构图

双臂折叠式管柱排放系统主要包括直线行走机构、旋转机构、折叠臂以及机械手（见图2），以实现管柱的夹持、伸缩与旋转功能。管柱排放系统安装在二层台中间走道下方，直线行走机构驱动机器人沿中间走道主梁纵向平移，方便机械手将钻杆从指梁间输送到井口中心或者大小鼠洞。旋转机构能够360°旋转，确保机械手能够抓取两侧任意指梁上的钻杆。折叠臂起推扶机械手的作用，确保机械臂在最小的回转半径最大范围内抓取钻杆。机械手的功能是抓取钻杆，通过传感器数据采集，自动识别钻杆的具体位置以及智能寻找井口与鼠洞的位置。

2 关键部件的结构研究

2.1 直线行走机构

直线传动机构可以直接由液缸（气缸）的活塞往复运动产生，也可以由齿轮齿条机构或者滚珠丝杠螺母得旋转运动转换得来。液缸主要靠调节液压油的流动方向与流量来控制运动方向和速度，变节流阀憋压锁定位置，活塞与缸筒之间配合精密，制造与维修成本较高在冲击作业环境下首先排除。滚珠丝杠传动过程受滚动摩擦，响应速度快，传动效率较高；但长距离负载的直线运动丝杠可能因强度不够出现抖动，严重时弯曲变形甚至断裂。而齿轮齿条可以在无限长的高速运转下不影响精度，传递动力大，寿命长，工作平稳，可靠性高，能保证恒定的传动比，能传递任意夹角两轴间的运动，因此优先选择齿轮齿条传动机构实现直线驱动的功能。由于行走机构安装在二层台走道下方，行走过程不能与走道大梁的连接横梁干涉，这就决定了齿轮齿条机构的驱动装置必须倒置。行走机构通过滑块与直线导轨连接，导轨固定在走道两侧的大梁，起承载与导向的作用。

2.2 旋转机构

通常电机、气缸与回转油缸都能产生旋转运动。气缸通常运用在负载小精度要求不高的场合；回转油缸结构复杂，成本过高，本身存在漏油的致命缺点。因此，旋转机构优选电机驱动，配合涡轮蜗杆传动，较高的传动比能把较高的转速转换为较低的转速，并且获得较大的力矩。更重要的是涡轮蜗杆能够实现反向自锁，即负载旋转所产生的惯性力不能带动涡轮惯性旋转。减小转动惯量所引起的转角误差和对电动马达的冲击，省去类似棘轮的刹车机构。在结构选型过程中，优先选择电机驱动涡轮涡轮传动机构实现旋转功能。

2.3 折叠臂

折叠臂采用双平行四杆机构[3]，文献中描述双平行四杆机构通过等比齿轮连接，这样末端运输轨迹始终在同一水平面上，缺少了夹紧钻杆后的上提动作。可以在该基础上进行优化，双平行四边形通过ABCD固定板连接，动力输出由单电缸控制，两个平行四边形之间的动力通过连接杆e传输（见图3)，末端轨迹是弧线，并且可以通过连杆位置与长度优化，实现电缸短行程控制机械手爪的长跨距，足以伸展到指梁根部的钻杆，并且通过末端的机械手爪将钻杆输送到井口中心；折叠臂收缩后杆件abcd大致处于竖直状态，回转半径小，旋转过程不与两侧钻杆立柱干涉；双平行四边形机够能保证机械臂末端两铰接点的无相对滑动，保证了安装的机械手钳口不会转动。

图3 单油缸控制折叠臂运动简图

根据平面自由度计算公式[4]

式中F为机构自由度数；n为活动杆件数；PL为 低副数量，PH为 高副数量。n=7，PL=10,PH=0。机构自由度为1，具有确定的相对运动，可由1个电缸驱动或者在铰支座处用电机给予旋转运动，便可控制末端的运动轨迹。

2.4 机械手

常见的机械手爪根据结构形式可分为平行连杆式、齿轮齿条式、双齿轮驱动式、斜锲杠杆式、槽轮滑动式。齿轮结构与槽轮滑动式相对复杂，斜锲式体积过大适应性差，通常选用平行连杆式。此双平行四边形为九连杆机构，整个夹爪通过三角形固定架与折叠臂连接，缸体固定在三角架上，与两侧四个连杆铰接，推杆在固定导轨上作直线运动，可转换为两侧的平行四边形夹爪的张开与闭合（见图4）。夹爪上应变传感器适时将力反馈到数据中心以判断钻杆是否抓牢。

图4 机械手爪结构图

3 技术特点

（1）机器人的动作是直线往复运动，旋转运动与伸缩折叠等运动形式的结合。直线运动与往复运动由电机控制，折叠臂与机械手爪动力源是电缸，符合绿色发展的理念。

（2）直线行走结构与旋转机构的动力系统集成在中间走道主梁下侧的安装板上。模块化后结构紧凑，有利于机械手的动力防护与保养维修。

（3）齿轮齿条机构以及驱动电机倒置在二层台下方，机器人在行走的整个过程中始终不会与台面物体干涉，也避免了井架或天车顶的遗落物砸坏和雨水淋湿。

（4）机械臂采用双平行四边形的折叠机构，双平行四边形通过连杆连接。具有较小的回转半径，并且可以利用较小的电缸行程实现折叠臂末端机械手爪较大的水平位移。

4 结语

本文主要分析了二层台管柱处理系统包括直线行走机构、旋转机构、折叠臂以及机械手的选型方案，并根据设计理念总结出二层台机械手的结构模型，能够实现机器代人的愿望。后续仍需对此机构展开进一步工作：控制系统作为机构运动的大脑亟待开发，例如运动过程中上下机械手爪的协同作用，传感器信号反馈的及时性与有效性确保设备运行安全；机械结构仍需优化，在机械手臂展有效、强度足够的情况下，确保四杆机构的体重最轻，回转半径最小，末端手爪的轨迹最优；动力匹配也优化，最大可能地减少不必要的能源损失。相信在不久的将来，该系统将成为各种陆地钻机的标准配备。