小型陸地鉆機新型鉆具排放機械臂設計方案

馬小石，張成功

（1.西南石油大學，四川成都610500；2.中國石化勝利石油管理局勝利采油廠，山東東營257051）

小型陸地鉆機新型鉆具排放機械臂設計方案

馬小石*1，張成功2

（1.西南石油大學，四川成都610500；2.中國石化勝利石油管理局勝利采油廠，山東東營257051）

鉆具排放機械臂是鉆機自動化的關鍵技術設備，過去主要集中在海洋鉆機和大型陸地鉆機上進行研究與應用，而在陸地小型鉆機上所做的研究工作很少。在研究以往鉆具排放設備基礎上，采用現代機械設計理論和UG三維設計軟件設計了一種可用于陸地小型鉆機的鉆具排放機械臂，并應用動力學分析軟件ADAMS和有限元分析軟件ANSYS對其進行了強度分析，保證機械臂的安全穩定工作。機械臂主要由四連桿結構的臂架、回轉機構及末端的機械手組成，其結構簡單、體積小、重量輕，用鉆臺氣動絞車即可吊起，安裝拆卸方便。機械臂配合鉆臺起吊設備，可以實現鉆臺立根的排放、接方鉆桿、完鉆甩單根等作業，通過更換手爪，還可進行下套管作業。

小型；自動化；機械臂；UG；ADAMS；ANSYS

鉆臺管具的機械化處理是鉆機自動化的重要組成部分［1］，隨著鉆機自動化的發展，近年來國內也陸續出現了多種鉆臺管具的機械化處理設備，并推廣應用取得了良好的效果。如四川宏華石油設備有限公司的PRM-100型排管裝置［2］；李進付等人設計的鉆臺自動化機械手裝置［3］；以及白丙建等人研制的TJG93/4-10二層臺自動井架工［4］等。這些鉆具排放設備主要都是針對環境比較惡劣的海洋鉆井平臺或是鉆臺空間比較大的陸地鉆機而開發的，而對于小型陸地鉆機，以往的排放設備由于體積及結構等原因并不適用。國內小型陸地鉆機種類多、數量大，如寶雞石油機械公司生產的ZJ30/1700和ZJ20/1350ZDB鉆機，勝利油田在用的F-320鉆機，以及在大慶-Ⅱ型鉆機等，都需要裝備鉆具排放機械臂來進一步實現機械化自動化。和國磊等人針對可抬頭式全液壓鉆機設計了一種BG型鉆桿排放機械手設備［5］，能夠很好的配合全液壓車載鉆機進行鉆桿排放作業，為在小型鉆機上開發鉆具排放機械臂提供了借鑒。為適應小陸地式鉆機鉆具排放自動化技術發展的需要，采用現代機械設計理論和UG三維設計軟件，以大慶-Ⅱ鉆機為研究對象，設計了一種新型的陸地鉆機鉆具排放機械臂機構。

1　機械臂機構設計

1.1整體結構及鉆臺布局

機械臂整體結構由底座、回轉支承、大臂、前伸臂、連桿、變幅液壓缸、末端機械手等機構組成。底座采用4顆M24的螺栓與螺母固定在鉆臺面上，機械臂上方連接軸處裝有起吊環，用于機械臂的吊裝。底座旁裝有液壓油泵，為整個裝置的液壓系統提供動力。變幅液壓缸可以帶動前伸臂向前伸出或向后縮回，回轉大齒輪在液壓馬達的帶動下可以進行360°的旋轉運動，以實現不同方向的作業要求。末端機械手處的液壓缸可以控制機械手的開合，從而實現對鉆具的夾持和松開。圖1是機構的運動簡圖。

分析機械臂處的四連桿機構，由自由度公式F=3n-2pl-ph可知，此四連桿含有3個可自由運動的構件前臂、后臂及上方的擺空連桿，并含有4個轉動副，無高副，故此四連桿機構的自由度為1，因此，只需添加一個原動件就可使此四連桿機構在平面內有確定的運動［6-7］。

1.2工作流程

以起鉆時鉆桿從井口移送至排放架為例，來對機械臂的工作原理進行說明。起鉆時，游車通過吊卡將一柱鉆桿提出井口，將卡瓦坐好并卸扣以后，機械臂向前伸至井口位置后，末端機械手夾持立柱。待末端機械手夾持立柱后，機械臂反方向縮回。此時，液壓馬達帶動回轉齒輪轉動至排放架方向，機械臂再次伸出至排放架位置，末端機械手松開，立柱即可被放置于指定位置。至此，排放一根立柱的操作過程結束，機械臂再次伸至井口，重復以上動作，即可完成起鉆時鉆桿的排放作業。依此類推，同樣可以完成下鉆作業。

1.3主要技術參數

機械臂高度：2.6m；

底座面積：0.25m2；

適用的鉆具直徑范圍：60.3～177.8mm；

機械臂向前設計最大推力：4000N；

機械臂完全伸展后水平延伸距離：3m；

設計旋轉最大扭矩：4kN·m。

1.4機械臂主要特點

（1）此機械臂由于采用了鉸鏈四連桿結構設計，運動副都為轉動副，承受壓力小，不易磨損。

（2）組成機構多為桿，造型簡單，易于后期加工獲得較高的精度。

（3）占據平臺空間小，不會妨礙其他作業。

（4）由于體積小，結構簡單，重量輕，使得它安裝拆卸比較方便，整個裝置只需4個地腳螺栓就可固定在鉆臺面上，方便井隊吊裝和搬運。

圖1　機械臂機構運動圖

2　機械臂強度分析

鉆具排放機械臂在工作中除需要達到穩定運動，實現預定的動作外，還需要保證裝置在工作中滿足強度要求。本小節將在前面對機械臂關鍵零部件強度分析的基礎上，通過ADAMS軟件計算各鉸鏈孔的受力情況，并運用有限元分析軟件ANSYS，分析它們在靜力學狀態下的應力狀況，以保證機械臂在工作過程中的安全穩定性。

將機械臂模型導入ADAMS中建立的動力分析模型及并進行模型檢驗，為保證機械臂安全工作，以機械臂從最大工作行程3m處拉取7″鉆鋌立柱為例進行分析。機械臂水平拉取鉆具3m，立柱長按28.5m計算，7″鉆鋌米重為163kg/m，可知機械手處所需拉力為4890N，將此拉力加至機械手處，模擬時間為8s，由軟件計算處各零件處所受的支反力，根據支反力的大小可進行模型的有限元強度校核。

2.1前臂強度分析

在adams軟件中將前臂受力情況輸出，可知前臂3個鉸鏈孔處的最大受力分別為16146N、4584N、18207N，將前臂模型導入ansys軟件中并施加約束載荷，即可得到前伸臂的應力變化情況。

前臂材質選取20#鋼，其屈服極限為245MPa，由ansys分析結果可知，前臂工作時的各部分應力都較小，前臂上最大應力為32.5MPa，遠小于材質的屈服極限，結構強度有較大的余量，因此，后臂的結構設計是安全的。

2.2后臂強度分析

在adams軟件中將后臂受力情況輸出，可知前臂3個鉸鏈孔處的最大受力分別為8136N、18349N、16146N，將后臂模型導入ansys軟件中并施加約束載荷，得到后臂的應力變化情況如。

后臂材質選取20#鋼，其屈服極限為245MPa，由ansys分析結果可知，后臂工作時的各部分應力都較小，后臂上最大應力為93.6MPa，遠小于材質的屈服極限，結構強度有較大的余量，因此，后臂的結構設計是安全的。

2.3機械手強度分析

由對末端機械手的受力分析可知，機械臂工作時作用在機械手指上的最大壓力為將鉆具拉至最遠處3m時正向壓在手指末端時產生，大小為4350N，將此載荷施加于模型上得到機械手應力變化情況。

機械手指材質選取20#鋼，其屈服極限為245MPa，由圖19可知，機械手工作時的各部分應力都較小，最大應力出現在手指端部，為80MPa，遠小于材質的屈服極限，結構強度有較大的余量，因此，機械手指結構設計是安全的。

3　結論

（1）設計了適用于小型陸地鉆機的鉆具排放機械臂，配合起吊設備可以實現起下鉆時立根的排放，鉆進時接單根，完鉆甩鉆桿等作業。

（2）機械臂結構設計簡單，體積小，機械臂工作時的最小回轉半徑只有300mm，質量輕，整個裝置重量不到1噸，用鉆臺氣動絞車即可吊起，安裝拆卸便捷。

（3）機械臂的強度分析結果表明，機械臂在工作時，主要零部件的應力變化都遠小于材質的屈服極限，安全可靠，可以滿足工作需求。

［1］M.D.Dunn，P.Archey，E.A.Opstad，etc，Design，Specification，and. Construction of a Light，Automated Drilling System（LADS）［R］. SPE 74451，2002

［2］朱吉良.鉆桿自動傳送系統結構設計與仿真分析［D］.長春：吉林大學碩士學位論文，2012.

［3］李進付，安慶寶，董懷榮.鉆臺自動化機械手裝置的研制［J］.石油械，2010，38（11）：80-81.

［4］白丙建，賈濤，高明.TJG93/4-10自動井架工的研制［J］.石油機械，2014，42（11）：46-48.

［5］和國磊，許本沖，秦如雷.BG型鉆桿排放設備的設計與應用［J］.探礦工程，2014，41（4）：42-45.

［6］李威，王小群.機械設計基礎［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［7］張曉玲.實用機構設計與分析［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2010.

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A

1004-5716（2016）03-0064-03

2015-03-20

2015-03-20

馬小石（1983-），男（回族），山東東營人，西南石油大學石油與天然氣工程學院在讀碩士研究生，研究方向：石油鉆井工程機械。