论文部分内容阅读
摘 要：通过对现有二层台钻杆摆放系统的研究，设计一套适合在40、50、70型陆地钻机K 型自起井架上改造安装的，代替二层台井架工完成钻杆、钻铤起下作业的机械手臂。实现远程遥控操作，彻底解放井架工的体力劳动。
关键词：陆地钻机 二层台机械手臂 石油钻杆排放系统 伺服驱动
1.引言
钻井作业过程中，二层台井架工的作业环境非常恶劣，高空露天作业，起下钻井架工在26米高的猴台上一站就是十多个小时，风吹日晒。为了改善井架工的作业环境，胜利油田钻井三公司机动办公室开始着手设计二层台机械手臂井架工伺服操作系统，井架工在钻台偏房内或是在司钻房内遥控操作二层台机械手臂，实现钻杆、钻铤摆正入指梁。该设计着重考虑四点：①适用于公司内部40、50、70型陆地钻机k型自起井架，方便安装和井队设备搬迁。②无需对二层台的承重进行改装，机械手臂小巧轻便，总重量控制在250kg以内。③操作简单、动作迅速灵敏准确，井架工在钻台面或司钻房内利用监控视频对机械手臂进行可视化遥控操作，钻杆摆放速度不低于人工摆放速度。④机械手臂露天作业，皮实耐用，防水防爆。
2.现有二层台机械手臂成型产品的介绍
针对以上四个要求，我们考察了国内外现有的钻井二层台钻杆摆放系统，都无法满足上诉四个要求。国内外钻杆摆放系统成型的设计目前可以大致分为两类，一类是将钻杆整柱提起，再利用液压手臂旋转摆正推送入指梁。该设计优点在于可以同时省去钻台面上两个钻工和二层台上井架工共三个人的工作量，但这种设计对于二层台的承重要求很高，必须对井架和二层台的结构进行全新的设计， 显然对现有井架进行改造不现实。例如，NOV（国民油井）公司和挪威MH公司的海上平台钻柱摆放系统（图1），国内杰瑞石油工程机械有限公司的二层台智能排管系统（图2）。第二种设计是钻工先把钻杆立柱的下端推到钻杆盒内，下放游车，钻杆立柱下端立在钻杆盒上，打开液压吊卡，然后用机械手臂抓住钻杆立柱摆正推送入指梁。这种设计只能节省井架工的人工劳动，钻台面上还需要人工完成，但是这种设计的好处是结构简单，二层台不承受钻柱的重量，只需要一个很小的力就可以将钻杆摆正就位。在现有钻机上增加二层台机械手臂，只能采用这种设计。目前采用第二种设计思路的成型产品只有NOV（国民油井）公司开发的，二层台液压机械手臂（图3）。我们在NOV的设计上大胆改进，采用全新的机器人设计理念，自主研发出了适用于40、50、70型陆地钻机K型自起井架的二层台机械手臂井架工伺服操作系统（图4）。
3.二层台机械手臂井架工伺服操作系统的设计
（1）结构设计和NOV的设计大致相同，都包含导轨、滑台、旋转台、伸缩手臂、机械手（图5）。整个机械手臂可以在导轨上前后滑动，左右转动，机械手臂向前伸出和向后缩回。 但是不同于NOV设计之处在于，我们的机械手臂安装在舌台的上部。这样有两个好处，第一，搬家无需将机械手臂拆掉，二层台挡风墙上有自动固定位置，机械手臂滑到挡风墙边上自动固定，二层台下部就是装车面，所以，机械手臂是一次安装，无需拆卸。这对于陆地钻机，平均一两个月就搬迁一次的搬家频率，大大节省拆卸安装时间。第二，机械手臂安装在舌台上部，安装电缆、保养、维修都非常方便。维修人员触手可及。NOV的设计一但出现任何问题，维修人员下去检修都非常困难。
（2）近几年伺服电机技术发展非常迅速，NOV的设计采用液压缸、液压马达驱动机械手臂我们的设计在二层台机械手臂上大胆采用机器人的设计理念，所有的驱动全部采用伺服电机加减速机的形式作为动力。导轨滑台采用滚珠丝杠传动，传动平稳、动作迅速、阻力小。旋转台和机械手臂部位全部采用涡轮蜗杆传动。相比NOV的液压系统，伺服电动机驱动，省去了液压站，液压管线，制造成本大大降低，伺服电机的维护保养和日常消耗成本也比液压系统小很多。伺服驱动系统的安装、维护、操控相比液压驱动系统优势明显。
（3）操控方面采用伺服电机速度控制系统，机构简单，控制手柄模拟信号直接控制伺服驱动器。井架工一只手握住操控手柄，前后左右推动手柄就可以控制机械手臂的伸缩，滑台的左右移动，旋转手柄可以控制旋转台的转动，拇指部位的按钮可以控制机械手抓的开合（图6）。机械手臂上安装有摄像头，机械手臂的所有操作全部在显示屏幕上可以看到，井架工在司钻房内可视化遥控操作，无需再爬上二层台。彻底解放井架工的体力劳动，改善工作环境，。
（4）滑块采用回型结构设计，丝杠和导轨上面铺设承重板材，机械手臂出现故障，无法工作，可以用摇把将机械手臂退回到挡风墙一边，井架工站在承重板材上面进行人工排钻杆作业（图7）。同时承重板材对丝杠和导轨起到防雨作用。
（5）该设计目前唯一的缺点就是，起钻过程中，必须有液压吊卡的配合才能开启吊卡。所以只能安装在配备有顶驱和液压吊卡的井架上。下钻过程中，利用机械手臂推送钻杆的撞击力就可以将吊卡口上。下一步的重点是将开吊卡的装置和机械抓手都安装到机械手臂上。实现无需液压吊卡的起下钻作业。
4.结束语
目前，数字样机的研发过程已经完成，全程通过delmia仿真软件进行数字样机的开发、有限元分析和仿真演示。模型样机零部件的设计、相关产品的选型和采购已经完成，下一步工作将围绕地面试验台的搭建，系统模型样机的组装和地面试验展开，计划年底能将模型样机安装到公司新出50DB钻机进行现场试验。
参考文献：
[1]蔡文军，张慧峰，孙长征，等. 钻柱自动化排放技术发展现状[J].石油机械，2008，36 （ 12）
[2]袁建民，赵保忠. 油管柱立式自动排架设计[J]石油机械，2006，34
[3]童征等.陆地钻机用二层台管具摆放系统的设计[J]石油机械 2011，39
作者简介：
田成辉，男，（1966.4?—）钻井三公司机动办主任
徐元春，男，（1980.6—）钻井三公司机动办干事
贺 剑，男，（1977.4—）钻井三公司机动办干事
曹新华，男，（1963.3—）钻井三公司机动办干事
关键词：陆地钻机 二层台机械手臂 石油钻杆排放系统 伺服驱动
1.引言
钻井作业过程中，二层台井架工的作业环境非常恶劣，高空露天作业，起下钻井架工在26米高的猴台上一站就是十多个小时，风吹日晒。为了改善井架工的作业环境，胜利油田钻井三公司机动办公室开始着手设计二层台机械手臂井架工伺服操作系统，井架工在钻台偏房内或是在司钻房内遥控操作二层台机械手臂，实现钻杆、钻铤摆正入指梁。该设计着重考虑四点：①适用于公司内部40、50、70型陆地钻机k型自起井架，方便安装和井队设备搬迁。②无需对二层台的承重进行改装，机械手臂小巧轻便，总重量控制在250kg以内。③操作简单、动作迅速灵敏准确，井架工在钻台面或司钻房内利用监控视频对机械手臂进行可视化遥控操作，钻杆摆放速度不低于人工摆放速度。④机械手臂露天作业，皮实耐用，防水防爆。
2.现有二层台机械手臂成型产品的介绍
针对以上四个要求，我们考察了国内外现有的钻井二层台钻杆摆放系统，都无法满足上诉四个要求。国内外钻杆摆放系统成型的设计目前可以大致分为两类，一类是将钻杆整柱提起，再利用液压手臂旋转摆正推送入指梁。该设计优点在于可以同时省去钻台面上两个钻工和二层台上井架工共三个人的工作量，但这种设计对于二层台的承重要求很高，必须对井架和二层台的结构进行全新的设计， 显然对现有井架进行改造不现实。例如，NOV（国民油井）公司和挪威MH公司的海上平台钻柱摆放系统（图1），国内杰瑞石油工程机械有限公司的二层台智能排管系统（图2）。第二种设计是钻工先把钻杆立柱的下端推到钻杆盒内，下放游车，钻杆立柱下端立在钻杆盒上，打开液压吊卡，然后用机械手臂抓住钻杆立柱摆正推送入指梁。这种设计只能节省井架工的人工劳动，钻台面上还需要人工完成，但是这种设计的好处是结构简单，二层台不承受钻柱的重量，只需要一个很小的力就可以将钻杆摆正就位。在现有钻机上增加二层台机械手臂，只能采用这种设计。目前采用第二种设计思路的成型产品只有NOV（国民油井）公司开发的，二层台液压机械手臂（图3）。我们在NOV的设计上大胆改进，采用全新的机器人设计理念，自主研发出了适用于40、50、70型陆地钻机K型自起井架的二层台机械手臂井架工伺服操作系统（图4）。
3.二层台机械手臂井架工伺服操作系统的设计
（1）结构设计和NOV的设计大致相同，都包含导轨、滑台、旋转台、伸缩手臂、机械手（图5）。整个机械手臂可以在导轨上前后滑动，左右转动，机械手臂向前伸出和向后缩回。 但是不同于NOV设计之处在于，我们的机械手臂安装在舌台的上部。这样有两个好处，第一，搬家无需将机械手臂拆掉，二层台挡风墙上有自动固定位置，机械手臂滑到挡风墙边上自动固定，二层台下部就是装车面，所以，机械手臂是一次安装，无需拆卸。这对于陆地钻机，平均一两个月就搬迁一次的搬家频率，大大节省拆卸安装时间。第二，机械手臂安装在舌台上部，安装电缆、保养、维修都非常方便。维修人员触手可及。NOV的设计一但出现任何问题，维修人员下去检修都非常困难。
（2）近几年伺服电机技术发展非常迅速，NOV的设计采用液压缸、液压马达驱动机械手臂我们的设计在二层台机械手臂上大胆采用机器人的设计理念，所有的驱动全部采用伺服电机加减速机的形式作为动力。导轨滑台采用滚珠丝杠传动，传动平稳、动作迅速、阻力小。旋转台和机械手臂部位全部采用涡轮蜗杆传动。相比NOV的液压系统，伺服电动机驱动，省去了液压站，液压管线，制造成本大大降低，伺服电机的维护保养和日常消耗成本也比液压系统小很多。伺服驱动系统的安装、维护、操控相比液压驱动系统优势明显。
（3）操控方面采用伺服电机速度控制系统，机构简单，控制手柄模拟信号直接控制伺服驱动器。井架工一只手握住操控手柄，前后左右推动手柄就可以控制机械手臂的伸缩，滑台的左右移动，旋转手柄可以控制旋转台的转动，拇指部位的按钮可以控制机械手抓的开合（图6）。机械手臂上安装有摄像头，机械手臂的所有操作全部在显示屏幕上可以看到，井架工在司钻房内可视化遥控操作，无需再爬上二层台。彻底解放井架工的体力劳动，改善工作环境，。
（4）滑块采用回型结构设计，丝杠和导轨上面铺设承重板材，机械手臂出现故障，无法工作，可以用摇把将机械手臂退回到挡风墙一边，井架工站在承重板材上面进行人工排钻杆作业（图7）。同时承重板材对丝杠和导轨起到防雨作用。
（5）该设计目前唯一的缺点就是，起钻过程中，必须有液压吊卡的配合才能开启吊卡。所以只能安装在配备有顶驱和液压吊卡的井架上。下钻过程中，利用机械手臂推送钻杆的撞击力就可以将吊卡口上。下一步的重点是将开吊卡的装置和机械抓手都安装到机械手臂上。实现无需液压吊卡的起下钻作业。
4.结束语
目前，数字样机的研发过程已经完成，全程通过delmia仿真软件进行数字样机的开发、有限元分析和仿真演示。模型样机零部件的设计、相关产品的选型和采购已经完成，下一步工作将围绕地面试验台的搭建，系统模型样机的组装和地面试验展开，计划年底能将模型样机安装到公司新出50DB钻机进行现场试验。
参考文献：
[1]蔡文军，张慧峰，孙长征，等. 钻柱自动化排放技术发展现状[J].石油机械，2008，36 （ 12）
[2]袁建民，赵保忠. 油管柱立式自动排架设计[J]石油机械，2006，34
[3]童征等.陆地钻机用二层台管具摆放系统的设计[J]石油机械 2011，39
作者简介：
田成辉，男，（1966.4?—）钻井三公司机动办主任
徐元春，男，（1980.6—）钻井三公司机动办干事
贺 剑，男，（1977.4—）钻井三公司机动办干事
曹新华，男，（1963.3—）钻井三公司机动办干事