石油井下牽引機器人驅動單元優(yōu)化設計

劉娜娜，吳 偉，李 博

（西安石油大學機械工程學院，西安 710065）

0 引言

目前，油氣井開采主要通過鉆水平井增加油層泄油面積來提高開采率。在油井生產(chǎn)運行過程中，需要對油井執(zhí)行測井或修井作業(yè)，將檢測工具送入井下，傳統(tǒng)的連續(xù)油管、管柱等送進方式，需要耗費較大的人力物力，利用牽引機器人將測井、修井儀器輸送至需要進行監(jiān)測的目的段，完成油氣井內(nèi)的動態(tài)監(jiān)測，有效地改善了傳統(tǒng)送進方式，極大提升測井工作效率[1-2]。

常見的牽引機器人按其運行方式不同，可分為：輪式牽引機器人、伸縮式牽引機器人以及履帶式牽引機器人。這里以較為常見的輪式牽引機器人為研究對象，作為井下作業(yè)的主要設備，它主要由執(zhí)行部分和控制部分組成，其中執(zhí)行部分是整個機器人的關鍵部分。由于牽引機器人在管內(nèi)爬行，所以其結構緊湊、外徑尺寸較小，造成在井下牽引能力、越障能力及對井眼的適應能力等方面存在一定的不足[3-4]。牽引性能作為牽引機器人的一個重要指標，受到多個因素的影響，本研究旨在以牽引機器人的驅動機構的簡化模型為基礎，通過優(yōu)化分析，使牽引機器人的牽引性能得到進一步改善[6]。

圖1 牽引機器人系統(tǒng)總成

1 輪式牽引機器人

1.1 總體結構

輪式牽引機器人主要包括3大部分：地面控制單元、電纜收放裝置以及牽引機器人本體，如圖1所示。地面控制單元通過電纜將地面指令信號和電能傳送到牽引機器人本體，以及對井下儀器發(fā)送的控制指令和采集的信號進行處理，達到實時監(jiān)測的目的。電纜收放裝置主要負責牽引機器人送進過程中電纜的下放，以及測井完成牽引機器人纜線的回收。牽引機器人本體由井下執(zhí)行部分和井下控制部分。井下控制部分接受來自地面的指令，控制電機、離合器等的運行，其中井下執(zhí)行部分是研究的重點，通過井下控制部分的作用，來完成驅動臂的張開、收合，最終實現(xiàn)機器人的移動[7-8]。

1.2 工作原理

在牽引機器人到達水平段時，通過電機帶動滾珠絲杠旋轉，推動絲杠螺母前進，壓縮彈簧元件的同時推桿繞連接點轉動，帶動驅動臂轉動，將爬行輪緊壓在油管壁上，使得驅動臂、推桿、驅動單元主體之間產(chǎn)生1個封閉力，在封閉力的作用下，牽引機器人的爬行輪與管壁間產(chǎn)生1個正壓力，爬行輪與管壁之間的摩擦力足夠大時，爬行輪開始轉動，即牽引機器人前后移動。

2 驅動機構的優(yōu)化設計

2.1 驅動機構的力學模型

優(yōu)化設計的關鍵是建立數(shù)學模型（設計變量、目標函數(shù)、設計約束）。驅動機構是牽引機器人實現(xiàn)移動功能的核心單元，對其進行分析研究有助于實現(xiàn)牽引機器人的優(yōu)化設計。因為牽引機器人的井下執(zhí)行部分相對復雜，所以對其進行了相應的簡化，簡化后的模型如圖2所示。

圖2 驅動單元簡化模型

圖中：L1為驅動臂臂座到輪心長度；L2為輪心到驅動臂端點長度；L3為推桿長度；D為管道內(nèi)徑；h為偏心距；α、β分別為驅動臂、推桿與x軸的夾角，α、β∈[0,70°]；N為單個爬行輪正壓力；F2為牽引力；F1為彈簧力；S1為推桿座到臂座的水平距離；S2為輪心到臂座的垂直距離。

牽引機器人所能產(chǎn)生的最大牽引力主要由管壁與輪之間的摩擦力決定。因此對驅動機構進行受力分析，可得到彈簧力與正壓力的力學模型。

根據(jù)圖2的幾何關系，可得：

正壓力與彈簧力之間的相互關系有F1?dS1=2N?dS2，牽引力與正壓力F2=2μN，可得彈簧力與驅動力的關系：

2.2 驅動機構的優(yōu)化過程

2.2.1 爬行輪輪徑優(yōu)化

在圖2所示的驅動機構中，在推桿與絲杠螺母之間的彈簧，需要吸收運動過程中產(chǎn)生的振動，減少沖擊，因此彈簧力越小，從電機傳遞過來的力被吸收的越少，傳遞效率越高。同時為了得到足夠大的正壓力，需要較大的正壓力，而正壓力的大小由彈簧力決定。所以，在實際工作中，應保證在滿足牽引力條件下，所需彈簧力最小。因此，設定優(yōu)化目標為彈簧力最小。

在正壓力給定的條件下，取不同規(guī)格的套管，利用MATLAB進行優(yōu)化計算，給出了不同爬行輪直徑情況下，彈簧力的大小。

圖3為根據(jù)優(yōu)化后的結果，給出的彈簧力與爬行輪直徑間的關系曲線圖。由圖3可知，每條曲線都有1個轉折點，在轉折點之前，彈簧力隨爬行輪直徑的變化比較平緩，轉折點后，曲線斜率逐漸增大，彈簧力迅速增加，由圖中3條曲線分析可知，在正壓力給定的情況下，當d輪=D/2時，彈簧力最小，驅動效率高。

圖3 彈簧力與爬行輪直徑間的關系曲線

2.2.2 驅動臂尺寸優(yōu)化

驅動機構是1個連桿-滑塊機構，彈簧力F1通過滑塊作用于驅動臂上，爬行輪受到正壓力N由轉動副作用于支撐臂上，兩者相互作用使系統(tǒng)平衡。

圖4 驅動單元受力分析

如圖4所示，為驅動機構的受力分析，可知

驅動力的力矩M1為

正壓力N的力矩M2為

由力矩平衡可知

當正壓力與彈簧力未知時，取K=F1/N，k的值越小，表示動作電機用較小的扭矩能產(chǎn)生更大的正壓力，從而得到足夠大的牽引力。由表1中的L1、L2、L3、h的取值規(guī)律可知，在牽引力大小、套管尺寸給定的情況下，在彈簧力隨爬行輪直徑變化的過程中，L3、h的取值是固定的，只有L1、L2的值在變化。取 D=164 mm，d=82 mm，L3=110 mm，h=10 mm，利用MATLAB程序中的fmincon（x）進行優(yōu)化求解，確定目標函數(shù)為最小Min（k）。仿真結果如表1所示。

表1 牽引機器人驅動單元的尺寸優(yōu)化參數(shù)

2.3 驅動機構優(yōu)化后力學分析

在驅動機構各參數(shù)值確定后，計算得kmin=0.213。對于優(yōu)化后的驅動單元，計算不同管徑情況下的k值，并利用MATLAB中的cftool工具箱，對其進行擬合，擬合后的結果如圖5所示。

圖5 多項式曲線擬合結果

擬合度為99.67%，F(xiàn)1/N與管徑的函數(shù)表達式為

則爬行輪彈簧力與正壓力之間的關系可表示為

3 優(yōu)化可行性驗證

為了獲得足夠大的牽引力，牽引機器人多采用固定數(shù)量的爬行輪，通過提高爬行輪與管壁間的正壓力，使得爬行輪與油管內(nèi)壁間產(chǎn)生足夠大的摩擦力，多組驅動短節(jié)按一定方式組合，可以使載荷分配到多個爬行輪上，達到使機器人結構更加緊湊的目的。輪式牽引機器人，在正式進行井下作業(yè)時，根據(jù)需要攜帶的儀器串重量，通過增加驅動短節(jié)的方式，達到攜帶要求。

為了驗證對驅動機構優(yōu)化的可靠性，通過計算隨著驅動短節(jié)數(shù)量的增加，彈簧力、牽引力、驅動轉矩的數(shù)值變化。取套管內(nèi)徑為164 mm，爬行輪直徑為d=82 mm，單只爬行輪受到的正壓力N=625 N時，牽引機器人的牽引力與模塊數(shù)量的關系如表2所示。

表2 驅動短節(jié)數(shù)量與牽引力的關系

取μ=1.04，絲杠所需轉矩為M=FP/（2π）。其中P為絲杠螺距，取P=5 mm；F為絲杠螺母所受的軸向力。由表2可知，通過優(yōu)化設計后，牽引力從1 300 N增加到3 900 N，絲杠的驅動轉矩增加了0.459 N·m，可見優(yōu)化后的驅動機構，可有效提高驅動效率。

4 結束語

依據(jù)牽引機器人驅動機構，提出了驅動機構的簡化力學模型，通過優(yōu)化設計，得到爬行輪直徑d輪=D/2時，所需彈簧力最小，驅動效率最高；根據(jù)彈簧力與正壓力的比值最小，確定高傳遞效率下驅動機構L1、L2的值；通過給出了彈簧力與正壓力之間的函數(shù)關系，大大簡化了驅動結構的力學分析與計算；最后驗證了在絲杠驅動轉矩變化較小情況下，通過增加驅動短節(jié)，可成倍提高牽引機器人的牽引力。