全液压自动猫道研究

２０１６年１月第４４卷第２期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＪａｎ􀆰２０１６Ｖｏｌ􀆰４４Ｎｏ􀆰２ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ􀆰ｉｓｓｎ􀆰１００１－３８８１􀆰２０１６􀆰０２􀆰０３２收稿日期：２０１４－０９－０９基金项目：内蒙古民族大学科学研究项目（ＮＭＤ１３２４）作者简介：刘丽娜（１９８２—），女，硕士，讲师，主要从事机电液一体化方面的科研和教学工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｌｉｎａ０８０５＠１６３􀆰ｃｏｍ。全液压自动猫道研究刘丽娜１，于萍２（１．内蒙古民族大学机械工程学院，内蒙古通辽０２８０００；２．吉林大学机械学院，吉林长春１３００００）摘要：自动猫道是管具自动化处理系统的重要组成部件。为了缩短起下钻时间及减轻操作人员的劳动强度和提高安全性，研制一套由全液压驱动的自动钻具输送装置，实现钻具从地面到钻台面的输送或反向输送。关键词：自动猫道；管具；全液压驱动；输送装置中图分类号：Ｐ６３４􀆰３５　　文献标志码：Ｂ　　文章编号：１００１－３８８１（２０１６）２－１０５－３ＳｔｕｄｙｏｎＨｙｄｒａｕｌｉｃＡｕｔｏｍａｔｉｃＣａｔｗａｌｋＬＩＵＬｉｎａ１，ＹＵＰｉｎｇ２（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｆｏｒｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ，ＴｏｎｇｌｉａｏＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａ０２８０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ，ＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＣｈａｎｇｃｈｕｎＪｉｌｉｎ１３００００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃｃａｔｗａｌｋｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｔｈｅｐｉｐｅａｕｔｏｍａｔｉｃｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｌａｂｏｒｉｎ⁃ｔｅｎｓｉｔｙｆｏｒｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｐｅｒｓｏｎｎｅｌ，ｔｈｅｔｉｍｅｆｏｒｕｐａｎｄｄｏｗｎｄｒｉｌｌｉｎｇａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｓａｆｅｔｙ，ａｓｅｔｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｄｒｉｌｌｉｎｇｂｙｈｙｄｒａｕｌｉｃｄｒｉｖｅｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｄｒｉｌｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｆｒｏｍｇｒｏｕｎｄｔｏｔａｂｌｅｏｒｒｅｖｅｒｓｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｓｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃｃａｔｗａｌｋ；Ｐｉｐｅ；Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｄｒｉｖｅ；Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅ　　自动猫道用于钻井作业时从地面向钻台上输送钻具，及从钻台将卸下的钻具下放到地面，是实现在井场钻杆架上排放的钻具上下钻台的自动化操作装置。目前国内陆地钻机在钻柱输送、建立根、钻柱排放等钻具处理方式上采用最多的仍是传统的猫道，以人力作业为主要操作模式；作业需要多人配合完成，作业人员劳动强度大、危险性高、作业效率极低，易发生人身伤亡事故。钻具上钻台过程如图１所示。而在科学钻探施工中起下钻次数比常规钻探施工要多。随着钻孔深度的增加，起下钻时间在施工总时间中的比例加大［１］。如果取心１００００ｍ，除起下钻占据大量时间外，尚有数千米至上万米钻杆的上、下钻台及钻杆的摆放。为了尽量缩短起下钻时间、减轻操作人员的劳动强度和提高安全性，必须实现钻台操作的自动化和机械化［２］。基于此，研制一套由全液压驱动的自动钻具输送装置，实现钻杆、套管、油管、钻铤和其他钻具从地面到钻台面之间的输送或反向输送，为“地壳一号”万米钻机配套使用，也为超深井钻探提供一种新型装备。图１　上钻具过程１　全液压自动猫道方案研究１􀆰１　功能分解针对猫道的功能和使用条件，可以将其上钻的功能动作分解如下几点：（１）钻具被放置在地面的钻具盒内。需通过机械方式将钻具从钻具盒中取出放置在自动猫道钻杆运移系统上。（２）钻具需要被推送至待举升位置。等待机构向钻机平台举升。（３）举升机构举升。举升滑道将钻具举起。（４）将钻具沿着举升机构向井口推送。１􀆰２　全液压自动猫道方案设计根据上述工作过程，设计猫道方案有如下几种：方案一：传统的举升式猫道［３］。结构如图２所示。方案一结构采用的是与Ｖａｒｃｏ、Ｃａｎｒｉｎｇ等企业相似的举升式动力猫道，能完成万米钻机钻杆输送任务。这种结构的主要优点是采用的是国外较成熟的技术，能实现猫道所要求的功能，结构型式比较成熟。缺点是举升机构起升时平稳性差，晃动较大；旋转臂的移动需要挡块挡住才能停止运动；起升时需要用钢丝绳拖曳，振动较大；举升系统空间位姿难以准确控制［４］。图２　自动猫道总体结构方案二：结构如图３所示。此方案的主要特点是举升臂起升由液压缸辅助支撑，可停留到任意高度，由滑车带动举升臂移动，滑车由马达带动向前移动。这种结构的优点是举升臂稳定性好，在空间的位姿控制较准；拆卸方便，便于运输。图３　可拆式全液压驱动动力猫道方案三：猫道结构主要采用双液压缸举升，优化了猫道钻杆支架的结构，采用竖直液压缸起升，钻杆支撑力较大，起升稳定。滑车推送机构通过４对滚轮组件安装在平台内部的滑道上，通过销轴连接在滑车推送机构上安装撑杆机构及缓冲助力油缸，可以根据提升滑车拉升举升滑道的速度，在平台内部滑动，自动调节机构位置。结构如图４所示。图４　第三轮猫道结构方案四：进一步的优化结构，钻杆支架采用曲面结构，较之以往的平面结构适应性更强，稳定性更好。钻杆支架和平台铰接，工作时钻杆支架与平台成９０°，运输时钻杆支架可收回至平台两翼，减小运输尺寸。如图５所示。图５　曲面结构的钻杆支架猫道在举升滑道上增加了保护机构。防坠落机构是由铰接在举升滑道的液压缸及连杆机构组成，当液压缸动作时，挡柱伸出，防止钻杆坠落伤人。如图６所示。图６　防坠落机构钻杆顶出机构焊接在举升滑道内部，在装置甩杆时，将钻杆从举升滑道顶出至钻杆支架上，如图７所示。·６０１·机床与液压第４４卷图７　钻杆顶出机构同时优化了翻板机构及挡销装置的结构，翻板机构由双缸液压缸控制，液压缸安装至缸筒耳座上，只有一个自由度，缸筒耳座焊接在平台上，通过ＰＬＣ控制液压缸推动翻板，从而控制钻杆的翻进翻出，如图８所示。图８　曲面结构的钻杆支架猫道方案五：在方案四基础上，在举升滑道前段增加了顶出桅杆机构，该机构可以解决钻杆推送位距离井口太远问题，保证推送钻杆平稳运行。当双液压马达驱动链传动机构带动Ｖ型滑板将钻杆推送至坡道位置时，顶出桅杆机构由液压缸驱动，推出钻杆至井口。如图９所示。图９　增加顶出桅杆的猫道结构同时，提升滑车由双缸马达驱动链传动，拉升举升滑道至二层台高度，提升滑车上安装有变角机构，当举升动作开始前，变角机构的液压缸先动作，将与之铰接的举升滑道举升一定角度，以便于提升滑车的拉升动作。变角机构如图１０所示。除上述结构之外，还优化钻杆支架的定位装置。需要在平台尾部增加护栏，在钻具向下甩杆时，对周围设备及人员加以保护，提高设备的操作安全性。图１０　提升滑车及变角机构２　结论钻杆支架采用曲面设计，符合动力学及运动学原理，能有效减少钻具的冲击震动。举升机构由举升臂、液压缸、滑车等组成。在举升过程中，通过控制液压缸的行程，起到助力和缓冲的作用；浮动式平移滑车，运行平稳、无冲击；采用单轴倾角传感器进行举升坡道位姿控制，调整钻杆上钻台的角度；同时举升滑道采用伸缩式液压滑道，可以延长钻具在上钻台时的行程，减少钻杆与液压吊卡的相对高度，便于液压吊卡夹持钻具。项目组完成全液压自动猫道的设计及零部件的加工制造，下一步将液压系统和电气控制联合起来，实现全液压猫道的生产调试。关于超深井钻机全液压自动猫道的全面研究，国内暂无涉及。该项目的研究将对提高我国石油钻采设备中钻具运移装备的水平有所帮助。参考文献：［１］张伟．大陆科学钻探施工用钻探技术和施工战略［Ｊ］．探矿工程：岩土钻掘工程，２００２（３）：５８－６１．［２］李进付，安庆宝，董怀荣．钻台自动化机械手装置的研制［Ｊ］．石油机械，２０１０（１１）：８０－８１．［３］赵淑兰，李文彪，聂永晋．动力猫道技术国内外现状和发展趋势［Ｊ］．石油矿场机械，２０１０，３９（２）：１３－１５．［４］崔学政．海洋钻井平台自动化猫道机设计［Ｊ］．石油矿场机械，２０１１，４０（２）：２０－２３．·７０１·第２期刘丽娜等：全液压自动猫道研究