巖心鉆機提下鉆機械手的液壓系統設計

樊姍

(華中科技大學文華學院，湖北武漢430074)

無論對于巖心鉆機還是石油鉆機而言，提下鉆大約占整個鉆探過程的30%，是決定鉆探效率的重要因素之一。提下鉆自動化在石油鉆機上已經有了大規模的研究和應用，而對于巖心鉆機而言，提下鉆自動化的研究還處于剛起步的階段。對巖心鉆機提下鉆機械手的液壓系統進行設計，對自動化、智能化巖心鉆機的發展與應用具有一定的意義。

1 巖心鉆機提下鉆工藝分析

提鉆過程中，當動力頭將第一根鉆桿完全提升至孔口后，先由孔口夾持器夾緊第二根鉆桿的上端，孔口的擰管夾持器夾緊第一根鉆桿的末端，用一定力矩擰卸鉆桿，使第一根鉆桿和第二根鉆桿之間有所松動，擰管夾持器松開，液壓卡盤反向旋轉，卸第一根鉆桿，當第一根鉆桿和第二根鉆桿之間完全松開后，液壓卡盤夾緊第一根鉆桿，由動力頭帶動卡盤和第一根鉆桿向上移動距離H1(移動距離H1＞卡盤夾緊鉆桿的長度H2)后停止，機械手移動過來，手指夾緊第一根鉆桿中間部分，液壓卡盤松開，機械手夾緊第一根鉆桿向下移動距離H3(H2＜H3＜H1)，機械手按照規劃好的路徑移動，將第一根鉆桿搬運至鉆桿架，放下第一根鉆桿，回到原始位置。動力頭向下運動至孔口，由液壓卡盤夾緊第二根鉆桿的上端，孔口夾持器松開，動力頭帶動液壓卡盤和第二根鉆桿向上提升直至第二根鉆桿完全在孔口上方，動力頭停止，后續的動作同卸第一根鉆桿。

2 巖心鉆機提下鉆機械手的方案設計

該提下鉆機械手采用圓柱坐標的結構形式，占據空間位置小，工作范圍大。其主要組成機構有:升降機構、回轉機構、伸縮機構，手部夾持機構、定位機構等。該機械手包含5 個自由度:手臂的升降運動、手臂的伸縮運動、手臂回轉運動、手腕的回轉運動及手指在夾持物件時的開閉運動。

該提下鉆機械手的手部采用夾持式手部，因鉆桿為圓柱形工件，采用“V”形手指便于自動定心，夾緊平穩可靠，夾持誤差小。手指開合由直線往復式液壓缸實現。手腕設計成回轉結構，實現機構為回轉液壓缸，用于一定力矩的擰卸鉆桿，回轉角度一般不大于300°。手臂伸縮即實現機械手伸縮，通過直線往復式液壓缸實現，手臂升降通過立柱直線往復式液壓缸實現。手臂回轉通過立柱底部回轉液壓缸實現。在結構設計方案中的一個創新點為:將手腕回轉液壓缸的回轉軸作為手指開合液壓缸的缸體，手指開合動作由手指開合液壓缸來實現，該設計使得手腕與手部的結構緊湊，起到了減小手部質量、便于手部運動的作用。

3 提下鉆機械手的動作順序分析

該提下鉆機械手不僅要具有提下鉆桿的功能，還要具有實現在孔口與鉆桿排放架之間移送鉆桿的功能。結合巖心鉆機提下鉆的工藝，確定提下鉆機械手的主要動作包括手臂的升降、手臂的伸縮、手臂的回轉、手腕的回轉以及手指的開合。因此該提下鉆機械手的液壓系統分為5 個支路，分別為手臂升降油路、手臂伸縮油路、手臂回轉油路、手腕回轉油路和手指開合油路。圖1 為巖心鉆機的提下鉆結構示意圖。

圖1 全液壓動力頭式巖心鉆機的提下鉆結構示意圖

提下鉆機械手的提鉆動作順序如下所述:手臂伸出→手指張開→手指閉合(卸鉆桿)→手臂下降→手臂縮回→手臂旋轉(反)→手臂伸出→手腕旋轉(正)→手指張開(放鉆桿)→手臂縮回→手指閉合→手腕旋轉(反)→手臂上升→手臂旋轉(正)→停止

下鉆過程與提鉆過程動作順序相反。

4 提下鉆機械手的液壓系統設計

液壓系統中的主要液壓回路選好后，再考慮系統中的輔助油路(如卸荷等油路)。結合液壓系統設計的整體思路，對主要液壓回路和輔助油路進行合并完善，成為如圖2所示的提下鉆機械手的液壓系統。

圖2 提下鉆機械手液壓系統圖

(1)液壓系統的供油系統

考慮到提下鉆機械手工作過程中，機械手的各個部位是分別動作的，手指夾緊缸、手腕回轉缸和手臂回轉缸所需流量較為接近，手臂升降液壓缸和手臂伸縮液壓缸所需的流量較為接近，且兩組液壓缸所需的流量相差較大，故采用雙泵供油系統，可避免溢流損失過大，減少系統發熱。大流量泵為手臂升降液壓缸及手臂伸縮液壓缸供油，小流量泵為手臂回轉液壓缸、手腕回轉液壓缸及手指夾緊液壓缸供油，大小流量泵各有分工，起到節能的作用。

(2)液壓系統的換向回路

在提下鉆機械手的液壓系統中，各液壓缸的換向回路決定了手腕及手臂的各換向動作。系統采用可編程程序控制器對機械手的動作進行自動控制，系統的壓力和流量都不高，因此選用電磁換向閥回路，有較高的自動化程度，定位較準確。系統中夾緊液壓缸換向采用二位二通電磁閥;手臂回轉液壓缸和手腕回轉液壓缸的換向閥均采用中位“O”型三位四通電磁換向閥。此外手臂伸縮液壓缸和手臂升降液壓缸采用三位四通電液換向閥，可以調整換向時間，同時還可以增加緩沖效果。

(3)液壓系統的調速方案

整個液壓系統中，各液壓缸工作所需的流量相差較大，不可能都使用液壓泵的全流量工作。為使液壓缸平穩運行，各液壓缸可以選擇進油路或回油路節流調速，一般選用節流閥調速即可。該提下鉆機械手的手臂伸縮、手臂升降、手臂回轉、手腕回轉等各回路中，各液壓缸均采用兩個單向節流閥進行調速。

(4)液壓系統的安全可靠性

為保證系統的安全可靠性，防止手臂升降缸因自重自由下滑，在回路中增加平衡回路，采用了單向順序閥來平衡。夾緊液壓缸在夾緊工件時，為不受系統壓力波動的影響以及防止失電等意外情況，應加鎖緊保壓回路。在該液壓系統中，為保證夾緊缸夾持工作的可靠性選用了液控單向閥來保壓和鎖緊。

5 結束語

結合巖心鉆機提下鉆工藝，對提下鉆機械手在提鉆和下鉆過程中的動作及其順序分別進行了闡述，明確了機械手液壓系統的主體部分，對該提下鉆機械手液壓系統的供油回路、換向回路、調速回路及系統的安全可靠性進行了分析和設計。巖心鉆機提下鉆機械手的液壓系統設計對于提下鉆自動化方面的研究起到一定的鋪墊作用，對自動化、智能化巖心鉆機的發展與應用具有一定的意義。

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