常规自动化管具排放系统是自动化钻井设备的重要组成部分,它能够通过动力猫道、二层台机械手及扶正机械手完成起下钻过程中管具的抓取、移动等操作,该系统主要应用于处理立根的钻机。随着钻井技术的发展,井下工具寿命时间增长,起下钻频率越来越低,因此,在浅井或中深井中单根钻机的应用越来越广泛。若单根钻机配置上述常规自动化管具排放系统,则需要设计相应的二层台和立根盒结构,使得钻台底座和井架模块变大,并且井架承载严重,不利于钻机的快速移运和搬迁。针对上述单根钻机自动化管具排放系统存在的问题,本文提出了一种管具卧排机械手,该机械手能从钻台下方将位于卧式排放架的管具起升运往井口,实现对管具的自动抓取、翻转、移动和对中等基本动作,直接将管具移送至顶驱下方,替代了动力猫道、二层台机械手及扶正机械手,并简化了自动化管具排放流程。本文主要内容包括以下几个方面:根据管具卧排机械手的功能确定了其结构由臂部和两组由8只夹持手指错位组成的末端夹持器构成。根据管具特征设计了末端夹持器,其中采用了连杆与夹持手指组成的机构实现了末端夹持手指的同步运动,根据钻机特征和管具位置设计了机械手臂部的结构尺寸和性能参数,为后续结构建模提供了依据,并进行了机械手臂部和末端夹持器的结构建模。上述结构设计为后续运动学、动力学和有限元分析提供了结构模型,是进行机械手结构优化的基础。通过D-H坐标法建立了机械手连杆坐标系,在此基础上进行了正逆运动学分析并得出了正运动学方程和运动学反解,同时采用基于五次插值多项式的方法进行了机械手轨迹规划。运用ADAMS软件进行了运动学仿真,根据仿真结果确定了机械手的最优运动轨迹和合理运行时间,确保了机械手运行平稳且效率高,通过仿真验证了机械手方案设计的可行性。通过微分变换法推导了速度的雅克比矩阵和运用拉格朗日法建立了机械手动力学方程,得出了其运动过程中控制力矩的变化规律。通过动力学分析及仿真研究了机械手运动过程中的受力情况,并分析了上述受力情况的原因以便于机械手的结构和液压系统设计。根据动力学分析结果,对机械手大臂进行了有限元仿真分析,由仿真结果可知,应力及变形情况并不影响机械手的性能,因而管具卧排机械手的结构设计是安全的。在对机械手运动分析的基础上,设计了其液压驱动回路,介绍了液压系统各回路的组成及工作原理,并对重要液压元件的功能进行了阐述。