伺服電動缸在石油鉆臺機械手上的應用研究

嚴亮 ，張波 ，梁維剛 ，王耀華 ，張洪 ，趙亮亮 ，殷克平

（1.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002；2.寶石機械自動化設備分公司，陜西 寶雞 721002；3.川慶鉆探工程有限公司，成都 610051）

0 引言

在石油鉆機中，鉆臺機械手[1]是一種鉆臺面立根排放設備，安裝在鉆臺面兩立根盒中間，可完成鉆桿立根、鉆鋌立根排放，以及貓道輸送鉆具的緩沖和遞送作業(yè)，可以解放勞動力，降低工人勞動強度，是管柱自動化處理系統(tǒng)[2-3]的重要組成部分。目前鉆機上使用最多的是液壓驅動鉆臺機械手，而液控機械手存在管路線路復雜、冬季溫度過低時響應時間長等問題。為解決液控機械手的問題，研發(fā)了伺服電動缸驅動式電動鉆臺機械手。本文主要介紹伺服電動缸在鉆臺機械手上的應用分析及發(fā)展前景。

1 伺服電動缸原理

伺服電動缸[4-5]是將伺服電動機與滾珠或滾柱絲杠一體化設計的模塊化產品，將伺服電動機的旋轉運動轉換成直線運動，同時將伺服電動機的精確轉速控制、精確轉數控制、精確轉矩控制等優(yōu)點轉變成精確速度控制、精確位置控制、精確推力控制；實現(xiàn)高精度直線運動系列的全新革命性產品。

2 伺服電動缸的特點

1）采用伺服電動機控制，利用伺服的閉環(huán)控制特性，實現(xiàn)對推力、速度、位置的精密控制。

2）相比傳統(tǒng)液壓缸，電動缸具備更可靠的響應性、精密的穩(wěn)定性及控制性等。

3）使用壽命長，可頻繁啟停，具備優(yōu)異的環(huán)境適應性。

伺服電動機與電動缸組合成的伺服電動缸可實現(xiàn)更環(huán)保、更節(jié)能、更干凈的優(yōu)點，很容易與PLC等控制系統(tǒng)連接，實現(xiàn)高精密運動控制。

3 伺服電缸的結構

伺服電動機與電動缸結構形式有兩種，如圖1所示。一種是串聯(lián)式，即電動機與電動缸直接安裝，又叫直線式結構，如圖2所示；另一種是并聯(lián)式，即電動機通過高強度同步帶與電動缸體并列安裝，也叫平行式結構或折返式結構，如圖3所示。不同的安裝結構形式，可更大范圍地滿足現(xiàn)場安裝空間需求。

圖1 伺服電缸的結構形式

圖2 串聯(lián)式（直連式）結構

圖3 并聯(lián)式（平行式）結構

4 伺服電缸在石油鉆機鉆臺機械手上的應用

4.1 伺服電動缸的選型研究

伺服電動缸的選型參數主要包括電缸負載、電缸壽命、循環(huán)次數、運行距離和安裝空間等。

4.1.1 載荷

只有在盡可能準確地知道載荷的情況下，才能找到一個最經濟合理、可靠的電動缸解決方案。電動機輸出轉矩與電動缸輸出力的關系為

式中：F為電動缸輸出力，kN；T為電動機輸出轉矩，N·m；R為傳動比；L為絲桿導程，mm；η為機械效率，一般為85%～90%。

通過式（1）可初步確定電動缸的電動機，以滿足載荷需求。

除了應用中的最大力之外，隨行程變化的力也非常重要。通過在整個工作循環(huán)中隨行程變化的力可得出平均載荷，這個平均負載是計算使用壽命的基礎。

電動缸的平均負載計算公式為

圖4 電動缸負載和速度隨時間變化關系

4.1.2 壽命

電動缸的壽命一般指電動缸內部使用的絲桿壽命，可分為兩部分：一是絲桿的疲勞壽命，可以通過計算得出；另一個是使用壽命，取決于使用條件（如溫度、平均載荷、使用潤滑的種類和定期添加潤滑的頻率等因素）

使用壽命計算公式為

式中：L10為電動缸壽命；Ca為絲桿路面的基本額定動負荷，kN；Fm為電動缸承受的平均負載，kN；L為絲桿導程，mm。

4.1.3 循環(huán)次數

通過盡可能準確地給出執(zhí)行元件的加速度和速度，或給出循環(huán)時間和所需距離，能夠選擇到最佳的電動缸。

圖5 電動缸速度隨時間變化關系

4.1.4 運行距離和安裝空間

電動缸的選型，與其工作的行程和安裝空間關系密切。電動缸在運行過程中，是不允許運行到機械終點的，所以必須在工作行程S工作的兩端分別加長一段安全行程S安全，其行程之和才是電動缸的運行距離S，即S=S工作+2S安全，如圖6所示。

圖6 電動缸的運行距離

可根據安裝空間需求，選擇串聯(lián)式或并聯(lián)式結構電動缸。

4.2 鉆臺機械手上伺服電缸的應用

鉆臺機械手主要由升降系統(tǒng)、偏移系統(tǒng)、回轉系統(tǒng)、主臂伸縮系統(tǒng)、鉗頭開合系統(tǒng)等五大系統(tǒng)組成，如圖7所示。下面主要以主臂伸縮系統(tǒng)、偏移系統(tǒng)為主介紹伺服電缸在石油鉆機鉆臺機械手上的應用。

圖7 鉆臺機械手示意圖

4.2.1 主臂伸縮系統(tǒng)

通過主油缸的伸縮控制主臂與副臂之間的夾角，進而調整副臂前端與鉆臺面之間的距離，此連桿機構在運行過程中始終可以保持鉗頭水平。

通過伺服電動缸代替液壓油缸的研究發(fā)現(xiàn)，利用伺服電動缸代替液缸驅動主臂伸縮，不但減少了油路管線，同時通過伺服電動機的精確轉速控制、精確轉數控制來實現(xiàn)鉆臺機械手伸縮臂的精確速度控制及精確位置控制功能，還達到了減少傳感器的目的。

主臂伸縮系統(tǒng)的伺服電動缸驅動結構示意圖如圖6所示。為節(jié)省空間，將伺服電動缸的伺服電動機與電動缸做成并聯(lián)式結構。

4.2.2 偏移系統(tǒng)

液壓驅動時偏移系統(tǒng)是通過偏移油缸的伸縮實現(xiàn)滑車的移動，滑車偏移過程中，會通過傳感器檢測滑車是否偏移到位。當用伺服電動缸代替油缸后，伺服電動缸通過電動機驅動電動缸，將回轉運動轉化為直線運動，同樣能實現(xiàn)滑車的偏移功能，同時通過伺服電動機的精確轉速控制實現(xiàn)精確的位置控制，可以減少位移傳感器，降低制造成本。

圖8 伺服電動缸應用在主臂伸縮系統(tǒng)

偏移系統(tǒng)的伺服電動缸驅動結構示意圖如圖10所示。為節(jié)省空間，將伺服電動缸的伺服電動機與電動缸做成并聯(lián)式結構。

圖10 伺服電動缸應用于偏移系統(tǒng)

通過表1對比發(fā)現(xiàn)，電動缸以其適應溫度廣、結構簡單、控制精度高、效率高等優(yōu)點，使其更能滿足油田現(xiàn)場使用需求。

表1 液壓缸與電動缸的對比分析

5 伺服電動缸驅動式鉆臺機械手的前景

與鉆臺機械手上配套液壓驅動相比，運用伺服電動缸，具有更環(huán)保、更節(jié)能、更干凈的優(yōu)點，并且很容易與PLC等控制系統(tǒng)連接，實現(xiàn)高精密運動控制，使得石油設備控制精密化。

伺服電動缸在復雜的環(huán)境下工作只需要定期加注脂潤滑，并無易損件需要維護更換，減少了大量的售后服務成本，減輕油田工人的工作強度，使得伺服電動缸驅動的設備得以推廣。

伺服電動缸以其結構簡單、控制精度高、傳動效率高、維護工作量小、環(huán)境污染小、工作環(huán)境適應廣等優(yōu)點得到用戶的青睞。但由于電動缸、伺服電動機、伺服控制器等配套進口部件采購成本比液壓缸、控制閥組采購成本大，造成總的制造成本比液壓驅動的鉆臺機械手高，從而制約了鉆臺機械手的電動化發(fā)展。