0 引言

随着石油钻采装备的不断发展以及超深井钻机数量的增加，油田对钻井作业提速提效、降低人工成本、减轻劳动强度及提高钻机自动化水平等有了较高的要求，具有安全性好且自动化控制水平高的管柱处理系统越来越受到油田用户的青睐。陆地钻机钻井作业中管柱处理作业主要包括管柱在管子堆场与钻台间的移运及放置、在钻台上接卸立根、起下钻时的钻柱上卸扣、井架内立根来回移送及排放等操作^[1-2]。

在钻井过程中，由起钻、下钻引起的钻具在钻台面立根盒的排放是一项劳动强度大、任务繁重的工作。目前，钻具的排放主要依靠钻台面的钻井工人用手推扶到达钻台面指定的立根盒或井口位置，对于大多数钻机来说推扶三单根立柱至少需要两名钻井工人，对于近年来已经开始使用的四单根立柱式超深井钻机来说，长度增加、质量加大的立根排放至少需要3名钻井工人。

国外以NOV和RDS等钻井公司为代表，基于独创的液压电控技术，在钻具排放机械手和钻台机器人等领域进行了研究，形成了工业样机，但智能化的钻台机器人并未实现工程应用。

国内个别公司针对钻具排放和推扶等动作研制了简单的钻台排管机构，但动作路径单一、负载较小、稳定性差、效率低，特别是在处理钻铤等大直径钻具时基本不能满足现场作业需求。

针对上述问题，宝鸡石油机械有限责任公司研制了适用于四单根立柱钻机排管用的钻台机械手^[3]。该设备采用机、电、液相结合的技术实现了钻台面钻具排放的机械化和自动化。该钻台机械手对于提高作业效率、降低人工成本、减轻作业强度以及实现大直径钻具机械化排放有重要意义。

1 技术分析 1.1 结构

研制的钻台机械手主要由起升外筒、起升内筒、起升油缸、摩擦限位块、法兰筒、回转支承、马达、基座、主臂外筒、主臂内筒、主油缸、伸缩油缸、倾斜油缸、摩擦限位块、调平油缸和钳头等组成，具体结构如图 1所示。

1.2 工作原理

起升内筒在起升油缸作用下沿着起升外筒竖直运动，使钻台面机械手主体部分升至钻台面以上或钻台面以下。基座依靠马达驱动齿轮啮合绕回转支承的中心旋转，在角度上满足钳头到达井口中心或者立根盒任意位置的要求。

主油缸的伸缩可以改变主臂外筒与钻台面的夹角。倾斜油缸与调平油缸相互作用，始终保证钳头与钻台面平行，满足排放钻具的要求，这种结构不需要人为参与或者使用传感器，简单、方便又经济。伸缩油缸驱动主臂内筒沿主臂外筒做直线运动，在长度上满足钳头到达井口中心或者立根盒任意位置的要求。

通过联合控制马达回转角度、主油缸活塞杆伸出长度以及伸缩油缸活塞杆伸出长度，达到控制钳头相对回转中心转过的角度、作业半径和扶持高度的目的，最终确定钳头的空间位置。这样，钳头能够到达井口与立根盒的任意位置，保证排放钻具没有死角。钻台机械手工作过程如图 2所示。

1.3 主要技术特点

(1) 钻台机械手采用程序控制和液压驱动的形式实现钻具规定动作的排放。起升装置采用伸缩式结构，不工作时缩回至钻台面以下，不占用钻台面空间。

(2) 钻台机械手工作时钳头在倾斜油缸和调平油缸的作用下始终与钻台面保持平行。回转马达驱动机械手，工作范围大，可在360°范围内作业。

(3) 主臂采用伸缩式结构，由主液缸改变其仰角。通过改变主液缸的行程和主臂的伸缩量以调整作业半径，来满足不同位置钻具排放的需求。

(4) 钳头设计适应性强，满足73~248 mm范围内所有钻杆和钻铤四立根排放的要求。

1.4 主要技术参数

扶持钻具范围：ø73~ø248 mm；

最大推/拉力：6 kN；

最大回转扭矩：13 kN·m；

最大作业半径：3 500 mm；

最小作业半径：500 mm；

回转角度：±180°；

回转速度：3 r/min。

2 关键技术研究

钻台机械手工作过程中钳头始终要保持水平状态，研究钻台机械手钳头调平技术是该设备能否满足使用要求的关键。调平机构在特种作业设备上应用非常广泛，常用的调平机构有平行四连杆调平机构、静液压调平机构和电液调平机构等^[4-5]。

本文研究的同构双缸串联调平机构是静液压调平机构的一种，具有结构简单、动作平稳连续的特点。经过研究，同构双缸相距较远时，存在调平滞后现象，且滞后现象随着高度的增加而更加明显^[6-7]，因此笔者在设计静液压调平机构时充分考虑了两个油缸的空间距离。

2.1 调平机构分析

钻台机械手调平机构安装示意图如图 3所示。该调平机构由两个结构相同的油缸组成，两个油缸的杆腔与塞腔分别通过液压胶管连通，下端正向安装的油缸称为倾斜油缸，上端反向安装的油缸称为调平油缸。工作时外界不向这两个两油缸提供液压动力，两个油缸的杆腔与塞腔分别互通形成闭式液压回路。由于液压油不可压缩，所以钻台机械手主臂在外力作用下进行变幅时，此结构相同的两个油缸和闭式液压回路可以确保下端的倾斜油缸被主臂带动伸长(缩短)一定长度，同时上端的调平油缸缩短(伸长)相同的长度。

如图 3所示，当钻台机械手主臂仰角变大时，∠ABC₁变到∠ABC₂，C代表倾斜油缸的前铰点，C₁和C₂是C的两种状态，倾斜油缸伸长一定长度的同时调平油缸缩短相同的长度，即∠A′B′C₁′变到∠A′B′C₂′，C′代表调平油缸前铰点，C₁′和C₂′是C′的两种状态。只要满足钻台机械手主臂从任意一个位置变幅至另一个任意位置的过程中∠A′B′C′减小的角度等于∠ABC增加的角度，即可保证钳头始终处于近似水平状态。本文研究的同构双缸串联调平机构是工程上常用的一种调平机构，△ABC和△A′B′C′这两个相互关联的三角形满足AB=A′B′、BC=B′C′的关系。

下文通过建立调平机构运动模型，分析研究油缸铰点位置以满足在主臂变幅任意时间段内∠A′B′C′减小的角度等于∠ABC增加的角度，实现钳头位置近似水平。

2.2 调平机构运动模型分析

此调平机构铰点布置主要受结构干涉、调平误差、油缸受力和油缸伸缩比4个因素限制。铰点布置在结构上不能产生干涉问题。调平误差需尽量小，保证实现调平功能。尽量减小油缸受力，使油缸受力状况好。油缸伸缩比需满足使用要求，以保证油缸可以制造。

在钻台机械手主臂变幅的过程中倾斜缸和调平缸的运动是互逆的，以倾斜油缸为例来研究调平机构的运动。调平机构运动模型如图 4所示。图 4中，B为绕固定轴旋转的铰点，C₁和C₂在单位圆上，分别代表倾斜缸运动铰点的两个极限位置，A点表示倾斜缸的非运动铰点。设AB长为k，调平角度为α，∠ABC₁=θ。根据结构不干涉的原则可得到以下条件：k＞1，α＞0，θ＞0，α+θ＜π。

2.2.1 结构设计目标一：减小调平误差

设主臂在运动过程中仰角的变化量为λ_j∈[0，α]，∠A′B′C′的变化量为λ_i。

根据三角公式推导调平误差为：

(1)

其中：

(2)

调平误差极大值对应λ_j的取值在α/2附近，标记为δ_o=δ(α/2)。则有：

(3)

其中：

(4)

减小调平误差是结构设计目标之一，即尽可能减小δ_o。

2.2.2 结构设计目标二：减小油缸受力

根据力矩公式F=M/l可求油缸受力F。M是油缸所受力矩，与调平机构之外的延伸结构和载荷有关，笔者取为单位1；l是油缸对B点的力臂。根据正弦和余弦定理有：

(5)

当λ_j=0或λ_j=α时，油缸受力最大为F_max，简化得：

(6)

要减小油缸受力，即尽可能减小F_max。

2.2.3 结构设计目标三：增大油缸伸缩比

通过余弦定理可得油缸伸缩比S：

(7)

工程应用中，在满足S＜1.8的条件下，S越大越好，但并不作为主要设计原则。

2.3 调平机构优化设计

通过上面的分析，将此调平机构的铰点布置问题抽象为一个有约束非线性多目标的数学规划问题，CP中的参数δ_o、F_max、S如前所述。

(8)

根据工程实际，调平角度α一般取值为70°~100°，设计时不作为变量。取α=92°，2≤k≤10，5°≤θ≤180°-α，通过MATLAB编程分析k和θ取不同值时对δ_o、F_max和S的影响，最终得到最优解α=90°、k=5、θ=10°~70°，计算得到钳头的调平误差为0.6°。

2.4 调平机构动力学仿真

应用动力学仿真软件ADAMS对调平机构进行仿真分析。首先通过UG软件建立调平机构的三维模型，其次经过x_ t文件格式导入动力学仿真软件ADAMS，然后根据实际运动情况对模型施加约束和载荷等参数^[8-9]。

根据调平原理，动力学模型的输入条件为倾斜油缸的伸出速度和调平油缸的缩回速度相等，则输入倾斜油缸的伸出速度为STEP(time，0，0，1，20)，调平油缸的缩回速度为STEP(time，0，0，1，-20)。

调平机构的动力学模型如图 5所示。

仿真计算结果为钳头与水平面的夹角随时间变化的曲线，如图 6所示。从仿真结果可知，随着时间的延长，也就是主臂仰角变大的过程中，钳头与水平面的夹角(即调平误差)为一上下波动的曲线，最大值不超过0.45°，与理论计算值很接近，这说明该调平机构满足设计要求。

图 7为不同时刻钻台机械手调平机构的运动状态。由图 7可以看出，钻台机械手的钳头始终处于水平状态。

3 现场应用

从2017年4月至今，该钻台机械手一直在新疆塔里木渤海钻探90009井队的四单根立柱超深井钻机上使用，目前完成两口井的立根排放工作，现场应用照片如图 8所示。现场应用结果显示：设备整体运行平稳，安全可靠，解放了劳动力，提高了作业效率。

根据现场试验测试，其时效性显著，体现在以下两个方面：①从井口向立根台排放127.0 mm钻杆四立根平均用时约12 s，人工排放用时约15 s；②从井口向立根台排放248.0 mm钻铤四立根平均用时约15 s，人工排放用时约25 s。综合对比，采用钻台机械手排放立根相比传统人工在钻台面排放立根效率提高了约25%。

4 结论及认识

(1) 四单根立柱钻机钻台机械手运行平稳，安全可靠，可以实现钻台面四单根立柱的自动排放，大幅减轻了油田作业人员的劳动强度，有效提高了作业效率。

(2) 该钻台机械手采用机、电、液相结合的技术，可远程控制，实现钻台面钻具排放的机械化和自动化，提升了钻机的自动化水平。

(3) 所设计的液压调平机构经过钻台机械手的现场验证，完全满足钳头在任意位置时保持水平的要求，故障率低，能够延长在恶劣环境中工作的时间。

(4) 所设计的液压调平机构还可以应用到石油钻机的其他自动化设备上，特别是管柱处理设备上。