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螺旋轮式水平井牵引机器人设计与分析
吴超群1, 刘晨阳1, 刘明尧1, 张凤辉2, 张玺亮2     
1. 武汉理工大学机电工程学院 ;
2. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司
摘要: 针对水平井作业工具输送困难的问题,设计了基于螺旋驱动原理的牵引机器人。提出了一种平行四边形支撑杆机构,采用丝杠螺母调节机构和弹簧柔性支撑来适应管径变化。对扶正机构轮与管壁的正压力进行分析,并建立了机器人的牵引力模型。应用Pro/E和ADAMS软件建立牵引机器人的虚拟样机,对驱动轮的正压力和牵引力进行仿真分析,搭建了管道试验环境进行机器人牵引力试验。试验结果表明:该机器人能够在内径125 mm的管道中平稳行进,最大牵引力能达到5 400 N。研究结果对于设计较大牵引力的水平井推进器具有重要的工程意义。
关键词: 螺旋驱动     水平井     牵引机器人     结构设计     仿真分析    
Design of Spiral Wheel Horizontal Well Traction Robot
Wu Chaoqun1, Liu Chenyang1, Liu Mingyao1, Zhang Fenghui2, Zhang Xiliang2     
1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan University of Technology ;
2. CNOOC EnerTech-Drilling & Produc-tion Co.
Abstract: In order to efficiently transport horizontal well operation tools, a spiral drive-based traction robot is designed. A support bar mechanism in parallelogram is proposed, and the screw nut adjusting mechanism and flexible spring support are adopted to meet pipe diameter changes. The positive pressure of centralized wheel and pipe wall is analyzed and a traction model for robot is established. A virtual prototype of traction robot is built by using Pro/E and ADAMS software, simulation analysis is conducted for positive pressure and traction force of the drive wheel, and pipeline test conditions are set up to conduct the robot traction force test. Test results indicate that the robot can steadily move in the pipeline with the inner diameter of 125 mm and its traction force is up to 5.4 kN. The results have important engineering significance on design of horizontal well propeller with large traction force.
Key words: screw driving     horizontal well     traction robot     structure design     simulation analysis    

0 引 言

随着石油开采技术的发展,水平井作为一种新的开采技术得到大量应用,对提高石油开采率,增加石油开采量有重要作用。水平井的出现对水平井作业提出了新的挑战。目前,世界上常用的作业工具有钻杆输送法、泵入法和挠性管技术,但这几种方法存在诸如成本高和耗时费力等缺点[1-2]。国内外已经开始利用水平井牵引机器人来完成水平井作业。现有的牵引设备多以电缆来传输能源,依靠自身的电机提供动力在井中自主行走,并将井下仪器送到确定位置。水平井中环境恶劣,要求牵引机器人不但要有小的径向尺寸,还要求其工作距离长、输出力大,通常要求牵引力在2 kN以上[3]。因此,研究可以提供较大牵引力的水平井推进器具有重要的工程意义。

20世纪末,国外许多公司开发了能够在井下独立作业的水平井牵引器。1996年进行了世界上首次水平井牵引机器人生产测井和打捞作业[4]。国内学者对小管径和油井管道机器人也做了许多卓有成效的研究[5-6]。刘彩霞等[7]设计了小型螺旋轮式管道机器人,可在ø60 mm的管道中平稳行走。白相林等[8]提出了偏置式4对臂的支撑定心机构,对牵引机器人的自动定心性能进行了仿真研究。刘清友等[9]研究了主动螺旋驱动式机器人的结构和牵引性能。

笔者将螺旋轮式驱动原理应用在水平油井作业工具拖动器上,设计了水平井牵引机器人。该装置具有牵引力大、结构紧凑、控制简单、稳定性好等优点,可在确定井径的水平井内连续工作。

1 技术分析 1.1 结构

图 1为螺旋轮式水平井牵引机器人结构示意图。牵引器可分成驱动机构和扶正机构2部分,其中驱动轮、驱动推靠杆系、滑块、螺母、恒扭矩装置、驱动电机、联轴器、导向筒、弹簧和驱动轴等组成驱动机构,扶正轮、扶正推靠杆系、滑块、螺母、管道、弹簧和扶正轴等组成扶正机构。驱动机构与扶正机构的支撑结构相似。驱动机构决定着管道推进器的牵引力和能量利用率等管道机器人主要性能,是负责为牵引器提供爬行所需牵引力的关键部件。驱动轮2个为1组安装在爬行臂上,且驱动轮的轴线与管道轴线有一定的倾角,3组爬行臂呈星形均匀分布,能沿径向张开并抵压在管道内壁上,具有良好的定心效果。扶正机构支撑电机套筒的稳定。扶正轮轴线与管道轴线垂直,通过后部的预紧弹簧紧压在管道内壁上,抵消电机产生的反扭矩,保证扶正机构只能沿管道前、后移动而不会产生旋转。

图 1 螺旋轮式牵引机器人结构示意图 Fig.1 Structure diagram of spiral wheel traction robot

1.2 工作原理

初始状态,牵引器爬行臂处于收缩状态。工作时,直流减速电机通过联轴器和恒扭矩装置将动力传递到驱动轴上。一方面,驱动轴通过丝杠螺母副推动螺母向前压缩弹簧,弹簧蓄力并推动滑块向前撑开驱动杆系,使驱动轮支撑在管壁上并与管壁产生一定的正压力,即轮架的张开运动;另一方面,驱动轴带动整个驱动轮架旋转,驱动轮以螺旋线的运动轨迹运动。驱动轮架的张开运动和旋转运动同时进行,当螺母脱出导向筒滑槽时,驱动轮架的张开即停止,牵引器进入正常牵引工作状态。驱动电机和扶正机构在扶正轮周向摩擦力的作用下只能沿管道轴线方向前、后运动,这样实现了牵引机器人在油井管道内的运动。当负载力过大时,驱动轴上扭矩会急剧增大,恒扭矩装置保证电机输出扭矩恒定,起到保护电机和避免驱动轮打滑的作用。设计中,配备一个驱动电机即可完成支撑架的张开和螺旋头的旋转运动,提高了电机的使用效率。

1.3 牵引器主要技术参数

牵引器工作管径125 mm,轴向长度1 875 mm,质量35 kg,电机输入功率707 W,正常运行速度0.07 m/s,最大牵引力5 400 N,最大行走距离2 000 m,最高工作温度125 ℃,最高工作压力100 MPa。

2 力学模型 2.1 扶正机构力学模型

牵引器所能产生的最大牵引力主要由轮与管壁的摩擦力决定。对扶正机构受力分析可以得到弹簧力和轮与管壁正压力的力学模型,这对牵引器的结构设计十分重要[10]

首先,由于3组支撑臂均为对称布置,故只需取单个支撑杆系为研究对象进行受力分析,扶正机构受力分析如图 2所示。其中,F1为支撑轮的正压力,F0为弹簧力。

图 2可知,杆ADBCCE均为二力杆,于是有:

(1)

然后,取DC杆为研究对象,并进行受力分析,其受力简图如图 3所示。

图 2 扶正机构受力分析简图 Fig.2 Force analysis of centralizing mechanism

图 3 DC杆受力简图 Fig.3 Force analysis of DC bar

图 3可知,对DC杆取x轴方向的合力,有∑Fx=0,可得:

(2)

DC杆取y轴方向的合力,有∑Fx=0,可得:

(3)

DC杆取关于D点的合力矩,有∑MD=0,可得:

(4)

由式(1) 至式(4) 分析整理得:

(5)

式(5) 为弹簧预紧力和正压力的关系式,当支撑轮不发生侧向打滑旋转的正压力F1一定时,所需的弹簧力F0θ1θ2的增大而减小。由上式可以看出,轮子在杆上的安装位置对轮受力并无影响,故可采用双排或多排轮设计来增强越障和牵引性能,由于平行四边形结构特性,可保证各轮受力均匀。

2.2 驱动机构力学模型

驱动部分推靠杆系撑开过程中,分为2个阶段:①管道牵引器还未在管道内稳定爬行阶段,在该阶段驱动轮会受到管壁对它的滑动摩擦力,随着杆系张开,驱动轮与管壁的正压力不断增大,滑动摩擦力也随之不断增大;②当管壁与驱动轮的正压力达到一定值时,驱动轮开始纯滚动,牵引器沿管道轴线运动,认为此时是驱动机构受力的第2阶段。

对处于稳定爬行状态的管道推进器进行静力分析,驱动部分伞形支撑机构受力简图如图 4所示。

图 4 驱动机构受力简图 Fig.4 Force analysis of driving mechanism

同扶正机构计算过程类似可得:

(6)

式中:Ft为驱动轮与管壁的轴向摩擦分力,F0为弹簧力。

假设3组驱动轮上负载力均匀,对驱动轮进行受力分析,如图 5所示。

图 5 驱动轮受力简图 Fig.5 Force analysis of driving wheel

图中:Fr为轮滚动摩擦力,f为摩擦因数,W为负载力,r为驱动轮半径,β为螺旋角。分析可得:

(7)

由于滚动摩擦力Fr和螺旋角β值均较小,故上式可简化为:

(8)

由式(6) 和式(8) 可得:

(9)

由式(9) 可以看出,当结构参数θ1θ2、摩擦因数和螺旋角确定后,负载力与弹簧预紧力之间的关系即可确定。在实际设计中取θ1=45°,θ2=40°,β=8°,摩擦因数f=0.4,则负载为5 400 N时所需的弹簧预紧力为:

(10)

得到F0之后就可以根据弹簧的工作长度计算弹簧刚度。

3 牵引器的动力学仿真

由于作业工具工作时,要保证其运行平稳,质心位于管道的轴线上,并且具有一定的牵引能力,必须对牵引器进行动态仿真分析。仿真分析的主要目的是验证力学模型的正确性,分析电机的输出扭矩以及牵引器的牵引性能。

3.1 建立仿真模型

为了验证设计的有效性,牵引器三维模型采用Pro/E软件进行建模,通过ADAMS的数据交换接口模块实现两者的数据交换,将Parasolid格式的CAD模型导入到ADAMS中,如图 6所示为在Pro/E中建立后导入到ADAMS中的牵引器三维模型。

图 6 螺旋轮式牵引器运动仿真模型 Fig.6 Motion simulation model of spiral wheel tractor

根据螺旋式牵引器的实际工作情况,将牵引器各机构用对应的转动副和滑移副等连接起来,成为一个整体。为驱动轮、扶正轮和管壁之间添加接触力(contact),并设置好轮子与管壁间的摩擦因数。

3.2 力学模型的验证

牵引器在正常工作过程中,需要保证轮与管壁的充分接触,使轮与管壁的压力在一个合适的范围内,既不会因压力过大而导致轮的压溃,又不会因压力过小而发生滑移。轮与管壁的压力和弹簧力的关系密切,因此对弹簧力和正压力的仿真十分必要。弹簧力与正压力关系曲线如图 7所示。

各驱动轮和支撑轮均为对称布置,所受正压力情况相同,图中只给出了其中一个轮的正压力曲线。由前文的分析可知,单个驱动轮的正压力为:

(11)

可以看出图中曲线与式(11) 相符。

3.3 电机扭矩和最大牵引力仿真分析

在仿真分析牵引器最大牵引力时,设定样机初始参数。驱动轮与管壁摩擦因数为0.4,弹簧预紧力为4 500 N,弹簧刚度为70 N/m;减速机输出转速为120 r/min。

在牵引器尾部添加一随时间逐步增大的负载力F=2 000+200t,对样机进行20 s、200步的交互式仿真,分析牵引器的扭矩和最大牵引力。如图 8所示,牵引器在管道内的位移曲线呈抛物线型,表明其移动速度逐渐减小至负值,当速度为0时的负载力即为牵引器的最大牵引力,即为5 500 N。

图 7 弹簧力-正压力关系曲线图 Fig.7 Spring force vs. positive pressure

图 8 最大牵引力仿真曲线 Fig.8 Simulation curve of maximum traction force

图 9所示为驱动轴上的扭矩变化,即为电机经减速器后的输出扭矩。由图中曲线可知,在牵引器达到最大牵引力时,所需电机扭矩在55 N·m左右,这为电机选型提供了依据。

图 9 电机输出扭矩仿真 Fig.9 Motor output torque simulation

4 样机试验研究

基于螺旋式驱动原理设计的牵引器试验样机如图 10所示。为了验证牵引器的管道通过能力以及牵引性能,在长10 m,内径125 mm,外径为135 mm的平直无缝钢管中进行牵引器爬行试验。

图 10 螺旋轮式牵引机器人试验样机 Fig.10 Experimental prototype of spiral wheel traction robot

在牵引器的最大牵引力试验时,试验原理如图 11所示。套管固定,将拉力计一端固定在墙面上,另一端连接在牵引机器人尾部。接通电源后,驱动机构转动,带动牵引机器人沿轴向前进。钢丝绳张紧后测力计开始有示数,当驱动轮与套管管壁之间临界打滑时,测力计示数即为最大牵引力值。

图 11 牵引力测试原理图 Fig.11 Schematic diagram of traction force test scheme

管道模拟试验结果表明:该牵引器样机可以平稳地在管道中爬行,最大输出牵引力可达5 400 N,满足设计条件的要求。

5 结 论

(1) 将螺旋驱动机构成功应用于轮式水平井牵引机器人,该机械人可适应ø139.7 mm石油管道,使用了3组爬行臂支撑结构,具有良好的定心效果和运动稳定性。

(2) 建立了支撑机构和驱动机构力学模型,推导了机器人输出牵引力的计算公式。运用ADAMS建立了仿真模型,验证了设计的可行性。

(3) 牵引器配备1台直流减速电机,可使螺旋头在旋转运动的同时逐步张开,提高了电机使用效率。

参考文献
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[8] 白相林, 张旭堂, 刘文剑. 水平井牵引机器人自动定心机构动态仿真[J]. 石油勘探与开发, 2010, 37(1): 104–110.
[9] 刘清友, 李雨佳, 任涛, 等. 主动螺旋驱动式管道机器人[J]. 机器人, 2014, 36(6): 711–718.
[10] 曾华军, 李军, 刘文剑, 等. 基于复合形法的水平井牵引器驱动臂设计[J]. 石油机械, 2010, 38(11): 33–35.

文章信息

吴超群, 刘晨阳, 刘明尧, 张凤辉, 张玺亮
Wu Chaoqun, Liu Chenyang, Liu Mingyao, Zhang Fenghui, Zhang Xiliang
螺旋轮式水平井牵引机器人设计与分析
Design of Spiral Wheel Horizontal Well Traction Robot
石油机械, 2016, 44(11): 63-67
China Petroleum Machinery, 2016, 44(11): 63-67.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2016.11.013

文章历史

收稿日期: 2016-06-06

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