排管機械手扶持裝置的研制

邢大偉，王翠，張欣宇，白丙建 郝熔冰，李景航

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002）

0 引言

在鉆井作業過程中需要進行大量的管柱立根排放作業，特別是起下鉆過程中需要多次重復管柱立根排放作業[1]。在鉆井作業過程中，管柱作業占用時間長、勞動強度大、危險系數高，成為提高鉆井作業效率的主要難題[2]。經過多年的快速發展，國內鉆井裝備生產商已研制出了二層臺井架工、動力貓道、鐵鉆工等自動化管柱處理裝置[3]。

目前推扶式管柱排放設備均需要扶持鉗來扶持管柱,由于需要鉆機排放管柱的范圍較大,需要變幅和鎖舌開合兩種動作, 現有技術中的扶持鉗變幅和鎖舌開合需要兩個及以上驅動件,占用空間大，制造成本高。本文介紹了一種單驅動雙動作扶持鉗，解決了現有技術中的扶持鉗實現變幅和鎖舌開合兩種動作需要多個驅動元件、占用空間大、制造成本高的問題。

1 結構組成

1.1 結構布局

單驅動雙作用扶持裝置主要由鉗架、推桿機構、限位機構、限位銷軸、鉗爪機構、鎖舌機構、連桿機構、動力機構等組成，如圖1所示。

圖1 單驅動雙作用扶持裝置結構示意圖

鉗架主要起安裝和支撐作用，主要由1個上板、1個下板、2個側板、1個后板、4個耳板等零件組成[4]，其中，上板、下板、側板和后板組成前側開口的箱型結構，并通過耳板與管柱自動化排放設備機械臂相連，上板上部有與限位機構限位板配合的限位槽，上板下部有導向筒，限位機構的頂銷在導向筒內可以上下運動。

動力機構為扶持裝置機構運動提供動力，主要由伺服防爆電動機和齒輪組成，防爆伺服電動機安裝在鉗架上，伺服防爆電動機輸出軸與齒輪連接，齒輪與推桿機構側面的齒輪互相嚙合，伺服防爆電動機轉動時帶動齒輪轉動，齒輪轉動時帶動嚙合的推桿機構做直線運動。扶持鉗各個動作的位置均通過程序控制伺服電動機驅動齒輪齒條的加速、減速、停車而實現，保證各個動作平穩、準確、可靠運行。

1.2 推桿機構

推桿機構采用特殊材料鍛造成毛坯，通過機加工而成，推桿機構屬于復雜的機加工件，如圖2所示。其中齒條部分、斜坡段、4個長條孔的定位精度、位置度、垂直度、粗糙度都有較高要求，確保在運動時的準確度，減少誤差。推桿機構前端有長條孔1和長條孔2，長條孔1和2分別與左連桿機構和右連桿機構相連；中間兩側有長條孔3和長條孔4，長條孔3和4通過銷軸分別與左鉗爪機構和右鉗爪機構相連；齒條與動力機構的齒輪相連。推桿機構頂部有第一平臺段、斜坡段和第二平臺段，第一平臺段、斜坡段和第二平臺段帶有凹槽，限位機構的頂銷在凹槽中運動[4]。當限位機構在第一平臺段運動時限位機構不上升，經過斜坡段時上升，此階段限位機構未脫離鉗架，限位機構起限位作用；當限位機構到達第二平臺段時上升到最高位置，限位機構不再起限位作用。

圖2 推桿機構示意圖

1.3 限位機構

限位機構主要由限位板、頂銷、限位銷、彈簧復位機構等組成，如圖3所示。其中，限位板安裝在架體上板的限位槽內，限位銷1和限位銷2穿過架體上板對應的圓孔插入到鉗爪機構的限位孔中，對鉗爪機構起限位作用。限位銷在推桿機構的第一平臺段、斜坡段和第二平臺段凹槽內運動，當推桿機構向前運動時，限位機構向上運動，并壓縮彈簧復位機構中的彈簧；當推桿機構向后運動時，在彈簧力的作用下使限位機構向下運動并復位。

圖3 限位機構示意圖

1.4 連桿機構

連桿機構主要由連桿、鎖舌、連接銷軸等零件組成，如圖4所示。左連桿和右連桿通過銷軸1分別與推桿機構的長條孔1和長條孔2相連，并且左連桿和右連桿可在長條孔1和長條孔2中移動和轉動；左連桿和右連桿通過銷軸分別與左連接塊和右連接塊連接；左鎖舌通過銷軸2與鉗爪機構和左連接塊相連接，左鎖舌可繞銷軸2轉動；同理，右鎖舌通過銷軸2與鉗爪機構和右連接塊相連接，右鎖舌可繞銷軸2轉動。

圖4 連桿機構示意圖

2 技術參數

適用范圍為2-7/8～10 in；初始位置狀態鉗爪開口尺寸為157 mm；初始位置狀態鎖舌最小尺寸為39 mm；最大位置狀態鉗爪開口尺寸為268 mm；最大位置狀態鎖舌最小尺寸為150 mm；需求功率為2 kW。

3 工作流程

扶持鉗在扶持管柱時，不同規格的管柱決定其不同的工作狀態，當扶持鉗扶持2-7/8～5-7/8 in管柱時，在初始位置狀態下，左右鉗爪機構之間的距離可以保證管柱安全進出扶持鉗內，所以只需要鎖舌的開合，不需要左右鉗爪機構之間的距離變大。當扶持5-7/8～10 in管柱時，左右鉗爪機構之間的距離較小，不能滿足管柱進出扶持鉗，因此需要左右鉗爪機構先達到打開狀態，使左右鉗爪機構之間的距離變大之后，再進行鎖舌的開合動作。具體工作流程如下。

1）初始位置時，限位機構的限位板3.1位于鉗架上板的限位槽內，限位銷1（3.3）和限位銷2（3.4）位于左鉗爪機構和右鉗爪機構的限位孔中，頂銷3.2位于鉗架的導向筒中；鉗爪開口尺寸最小，理論尺寸為157 mm，鎖舌最小尺寸為39 mm。此時，左鎖舌和右鎖打開后，去扶持管柱，當管柱完全進入扶持鉗后，左、右鎖舌可靠關閉，防止扶持鉗內的管柱脫出扶持鉗。

2）當動力機構的防爆伺服電動機逆時針旋轉時，帶動齒輪逆時針旋轉，齒輪與推桿機構的齒條段嚙合，帶動推桿機構向前運動,推桿機構帶動連桿機構向前運動，當運動距離為L1時（如圖5），連桿機構的左鎖舌4.5和右鎖舌4.6繞銷軸1（4.1）逆時針旋轉，實現鎖舌的打開（如圖6）。同理，防爆伺服電動機順時針旋轉時，推桿機構向相反運動，實現左鎖舌4.5和右鎖舌4.6的順時針旋轉，從而實現鎖舌的關閉；運動距離L1通過計算防爆伺服電動機旋轉角度實現，精度可達到0.1 mm。

圖5 推桿機構運動距離示意圖

圖6 鎖舌打開狀態圖

3）當防爆伺服電動機繼續逆時針旋轉時，推桿機構繼續向前運動距離為L2時，限位機構中的頂銷3.2經過推桿機構中的斜坡段，頂銷3.2帶動限位機構沿鉗架的導向筒向上運動，限位銷1（3.3）和限位銷2（3.4）脫離左、右鉗爪機構的限位孔，左、右鉗爪機構不再受限位機構限制，左、右鉗爪機構之間距離可以變大，同時，彈簧復位機構3.5中的彈簧被壓縮。推桿機構向后運動距離為L2時，在推桿機構和限位機構彈簧復位機構3.5的共同作用下，限位機構的限位銷1（3.3）和限位銷2（3.4）落回左、右鉗爪機構的限位孔，左、右鉗爪機構受限位機構限制，左、右鉗爪機構之間距離不能變大。

4）當推桿機構繼續向前運動L3距離時，推桿機構通過左、右鉗爪機構與限位銷軸相接觸表面的限制作用，帶動左、右鉗爪機構逐漸張開，改變鉗口尺寸，實現變幅功能（如圖7）。同時左、右連桿機構分別在推桿機構的長條孔1和長條孔2內運動，保證左連桿4.2和右連桿4.8始終在左、右鉗爪機構內運動；左、右鉗爪機構縮回是此過程的逆過程。

圖7 扶持鉗開口變大后狀態圖

5）當防爆伺服電動機繼續順時針旋轉時，推桿機構繼續向后運動距離為L4＜L3時，推桿機構通過左連桿4.2和右連桿4.8，帶動左鎖舌4.5和右鎖舌4.6繞銷軸1（4.1）順時針旋轉，實現左、右鎖舌在左、右鉗爪機構鉗口尺寸最大狀態下的關閉動作；當推桿機構在此位置再向前運動距離L4時，推桿機構帶動連桿機構使左鎖舌4.5和右鎖舌4.6繞銷軸1（4.1）逆時針旋轉，實現左、右鎖舌在左、右鉗爪機構鉗口尺寸最大狀態下的打開動作。

4 型式試驗

4.1 空載試驗

空載試驗的目的是為了驗證扶持鉗各個執行機構的運動情況。空載試驗結果表明，扶持鉗鎖舌的開合、鉗爪機構的變幅均可準確完成相應動作，運行期間無卡阻現象。

4.2 功能試驗

功能試驗的目的是為了檢驗扶持鉗扶持管柱的功能，采用測試操作模式，驗證扶持鉗各個機構的運動能否滿足設計要求。試驗結果表明，扶持鉗各個機構能完成設計要求的運動，滿足設計要求。

4.3 載荷試驗

載荷試驗是為驗證扶持鉗的排放能力，進行了5-7/8 in管柱和10 in管柱的載荷模擬試驗，模擬扶持鉗扶持管柱的作業。扶持鉗在施加預定載荷的情況下扣合管柱工裝，并完成相應的動作，整個試驗過程中運行平穩，動作準確，滿足設計要求。

根據試驗記錄數據，扶持鉗位置精度達到±1 mm；變形為0.72 mm，鎖舌的開合動作時間為2 s，鉗爪機構的變幅動作時間為5 s。

4.4 安全試驗

該試驗的目的是考察扶持鉗在實際抓取管柱作業時能否出現以下情況：若突然斷電能否保持斷電時的狀態，扶持鉗是否存在在斷電時被動打開，發生管柱脫落的情況。安全試驗表明，在試驗過程中切斷動力源，設備立即停止運行所有動作，并能保持動力源被切斷時的狀態，不會在意外斷電的情況下因扶持鉗被動打開而造成管柱脫落事故，安全性高。

5 結論

1）本文描述了扶持裝置的結構組成、各零部件特點及扶持裝置各個動作的工作流程等，能為后續設計起到指導作用。

2）試驗結果表明，該扶持裝置設計合理，各個動作運行安全可靠，傳動效率高，符合安裝和使用要求，滿足鉆機管柱排放設備的使用條件。