石油钻井机用可移动式钻台排管机器人的制作方法

本发明涉及一种石油钻井机辅助机械装置，特别涉及一种石油钻井机用可移动式钻台排管机器人。

背景技术：

钻井作业是一项投资巨大的风险性工程，钻井装备的优劣直接影响着钻井速度、钻井安全和钻井经济效益。目前，石油钻井现场起下钻作业时管柱的排放以人工操作为主。起钻时，司钻利用井架上的天车、游动滑车和大钩从井内起出管柱，由2名钻工从钻台井口用手将起出后的管柱推至管柱排放架内；下钻时，由2名钻工将管柱从管柱排放架内拉至井口位置，对准连接螺纹，以方便螺纹连接后完成下钻。完成上述起下钻作业中的管柱抓取、释放、移动、排放、定位等工作，钻井工人付出的劳动强度非常大，起下钻速度慢、效率低并且带来很多不安全因素。

现有技术存在以下缺点和不足：人工作业事故率高，工人体力消耗大，工作条件差，工作可持续性差，效率低，人工成本较高经济型差，自动化程度差。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种石油钻井机用可移动式钻台排管机器人。

本发明提到的一种石油钻井机用可移动式钻台排管机器人，其技术方案是包括履带式底盘（10）、升降台（20）、回转台（30）、伸缩臂（40）和电磁抓手（50），所述履带式底盘（10）通过液压动力站提供动力行走功能，同时集成液压动力站和电控箱；升降台（20）安装在履带式底盘（10）的中部，提供动力升降功能；回转台（30）安装在升降台（20）上侧，提供动力回转功能；所述伸缩臂（40）的一端连接在回转台（30）上，另一端连接电磁抓手（50），并且控制电磁抓手（50）的进退动作；所述电磁抓手（50）作为最终的执行部件，可以通过电磁效应吸附固定管柱，实现对管柱的精确移位和排放。

优选的，上述的履带式底盘（10）包括履带行走单元（11）、底盘主梁（12）、电器控制箱（13）、液压动力站（14），在两组履带行走单元（11）之间安装底盘主梁（12）和液压动力站（14），后部空间安装电器控制箱（13）。

优选的，上述的升降台（20）包括升降台底座（21）、回转台安装座（22）、剪式支腿（23）、升降油缸（24）、滑槽（25）、支腿滑轮（26），所述剪式支腿（23）设有两对，每对铰接成X形，上下左右分别形成四个支点，下侧两支点与升降台底座（21）连接，上侧两支点与回转台安装座（22）连接；升降油缸（24）一端铰接于升降台底座（21），另一端铰接于剪式支腿（23）上，通过升降油缸（24）的伸缩，使升降台（20）产生动力升降。

优选的，上述的剪式支腿（23）下侧的连接方式为：一个支点与升降台底座（21）铰接，另一个支点连接到位于滑槽（25）内的支腿滑轮（26）上，形成直线滑动副，上侧的连接方式与下侧一致。

优选的，上述的回转台（30）包括回转底座（31）、伸缩臂安装座（32）、大齿圈（33）、回转液压马达（34）、驱动齿轮（35）、轴承（36），所述回转底座（31）与伸缩臂安装座（32）通过一对轴承（36）连接成可自由回转的结构，回转液压马达（34）安装于回转底座（31）上，大齿圈（33）固定于伸缩臂安装座（32）下侧，回转液压马达（34）通过驱动齿轮（35）与大齿圈（33）的啮合，带动伸缩臂安装座（32）实现动力回转。

优选的，上述的伸缩臂（40）包括伸缩臂座（41）、主臂（42）、副臂（43）、副臂平衡臂（44）、抓手平衡臂（45），抓手平衡杠杆（46）、驱动油缸（47），所述主臂（42）下端与伸缩臂座（41）铰接，上端同时与抓手平衡杠杆（46）和副臂（43）铰接，副臂（43）下端与电磁抓手（50）铰接，副臂平衡臂（44）下端与伸缩臂座（41）铰接，上端与副臂（43）铰接，抓手平衡臂（45）共两件，其中一件两端分别与伸缩臂座（41）和抓手平衡杠杆（46）铰接，另一件的两端分别与电磁抓手（50）和抓手平衡杠杆（46）铰接，驱动油缸（47）一端铰接到主臂（42），另一端铰接于副臂（43）。

优选的，上述的驱动油缸（47）驱动主臂（42）和副臂（43）产生夹角，使电磁抓手（50）可以前伸，伸缩臂座（41）、主臂（42）、副臂（43）和副臂平衡臂（44），此四件相互铰接为四连杆机构，且当主臂（42）和副臂（43）相互运动产生夹角时，此夹角一直保持被垂面等分；另外，伸缩臂座（41）、主臂（42）、抓手平衡臂（45）和抓手平衡杠杆（46）组成平行四边形连杆机构，副臂（43）、抓手平衡臂（45），抓手平衡杠杆（46）和电磁抓手（50）组成同样尺寸的平行四边形连杆机构，依靠此两处平行四边形连杆机构，与前面的四连杆机构效果相结合，可以保持机械爪（10）在同一水平面上做进退动作，在控制伸缩臂使电磁抓手（50）进退的过程中，不会产生高度变化。

优选的，上述的电磁抓手（50）包括抓手固定座（51）、抓手偏摆架（52）、电磁铁（53）、管柱滚轮（54），电磁铁（53）拥有两个呈现V形夹角的表面，在电磁作用下表面产生吸合力以抓取管柱，电磁铁（53）每个吸附面的上下两端均安装有管柱滚轮（54），此滚轮可以使管柱能够离开吸合面微小的距离，可以保证管柱既能够沿着滚轮滚动方向上下移动又不会降低电磁铁对管柱的吸合力。

优选的，上述的抓手偏摆架（52）通过两个相互垂直的自由转轴分别铰接于抓手固定座（51）和电磁铁（53），可以使电磁铁（53）实现两个旋转自由度的偏摆，以适应作业过程中管柱的偏摆，防止因为管柱偏摆而导致电磁抓手（50）外力损坏和吸合力不足问题。

优选的，上述的电磁铁（53）重心位于两个转轴的正下方一段距离，此重心位置使电磁抓手（50）释放管柱后，能够在重力作用下自动摆回初始竖直状态，以适应下一根管柱的吸合。

本发明的有益效果是：大幅度减少操作人员的劳动强度，极大地降低了钻井作业的事故率，同时降低工人了工作危险性，安全性大大提高，节约了人工成本，实现钻台管柱自动排放的全机械化连续作业。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图 2为履带式底盘的结构示意图

图 3为升降台的结构示意图

图 4为升降台升降行程示意图

图 5为回转台的结构示意图

图 6为伸缩臂的结构示意图

图 7为伸缩臂的伸缩位移曲线示意图

图 8为电磁抓手的结构示意图

图 9为电磁抓手的吸合管柱示意图

图中：履带式底盘10、升降台20、回转台30、伸缩臂40和电磁抓手50，履带行走单元11、底盘主梁12、电器控制箱13、液压动力站14，升降台底座21、回转台安装座22、剪式支腿23、升降油缸24、滑槽25、支腿滑轮26，回转底座31、伸缩臂安装座32、大齿圈33、回转液压马达34、驱动齿轮35、轴承36，伸缩臂座41、主臂42、副臂43、副臂平衡臂44、抓手平衡臂45，抓手平衡杠杆46、驱动油缸47，抓手固定座51、抓手偏摆架52、电磁铁53、管柱滚轮54。

具体实施方式

结合附图1-9，对本发明作进一步的描述：

本发明提供一种可移动式钻台排管机器人，如图 1所示，包括履带式底盘10、升降台20、回转台30、伸缩臂40、电磁抓手50。其中，回转台30与伸缩臂40铰接，伸缩臂40与电磁抓手50铰接。其余单元相互连接方式均为可以拆卸固定连接。履带式底盘10通过液压动力提供动力行走功能，同时集成液压动力站和电控箱；升降台20提供动力升降功能；回转台30提供动力回转功能；伸缩臂40用以实现电磁抓手50的进退；电磁抓手50作为最终的执行部件，可以通过电磁效应吸附固定管柱，最终实现管柱的精确移位和排放。

在本发明的具体实施例中，履带式底盘10结构如图 2所示。包括履带行走单元11、底盘主梁12、电器控制箱13、液压动力站14。

履带行走单元11具有液压驱动履带底座的一般结构。由两个液压马达驱动，可以实现单边的独立控制，具有直线、曲线动力行驶和原地转向等功能。底盘主梁12是经过特殊设计的承载结构，它桥接于两个履带行走单元11之间，底部安装液压动力站14，后部安装电器控制箱13，上部安装升降台20，构成了一个集行走、液压动力和电器控制为一体的综合功能设备动力底盘。

在本发明的具体实施例中，升降台20结构如图 3所示。包括升降台底座21、回转台安装座22、剪式支腿23、升降油缸24、滑槽25、支腿滑轮26。

剪式支腿23共两对。每对铰接成X形，上下左右分别形成四个支点。下侧两支点与升降台底座21连接，上侧两支点与回转台安装座22连接。下侧的连接方式为：一个支点与升降台底座21铰接，另一个支点连接到位于滑槽25内的支腿滑轮26上，形成直线滑动副。上侧的连接方式与下侧一致。升降油缸24一端铰接于升降台底座21，另一端铰接于剪式支腿23上。通过升降油缸24的伸缩，使升降台20产生动力升降。升降行程示意图见图 4。

此升降结构具有结构简单，工作稳定，行程大，体积小，能够平稳水平升降，承载力高，抗弯扭，抗倾覆等特点。

在本发明的具体实施例中，回转台30结构如图 5所示。包括回转底座31、伸缩臂安装座32、大齿圈33、回转液压马达34、驱动齿轮35、轴承36。

回转底座31与伸缩臂安装座32通过一对轴承36连接成可自由回转的结构。回转液压马达34安装于回转底座31，大齿圈33固定于伸缩臂安装座32。回转液压马达34通过驱动齿轮35与大齿圈33的啮合，带动伸缩臂安装座32实现动力回转。

在本发明的具体实施例中，伸缩臂40结构如图 6所示。包括伸缩臂座41、主臂42、副臂43、副臂平衡臂44、抓手平衡臂45，抓手平衡杠杆46、驱动油缸47。

伸缩臂40中的所有部件均采用铰接连接。主臂42下端与伸缩臂座41铰接，上端同时与抓手平衡杠杆46和副臂43铰接。副臂43下端与电磁抓手50铰接。副臂平衡臂44下端与伸缩臂座41铰接，上端与副臂43铰接。抓手平衡臂45共两件，其中一件两端分别与伸缩臂座41和抓手平衡杠杆46铰接，另一件与两端分别与电磁抓手50和抓手平衡杠杆46铰接。驱动油缸47一端铰接到主臂42，另一端铰接于副臂43。

驱动油缸47驱动主臂42和副臂43产生夹角，使电磁抓手50可以前伸。伸缩臂座41、主臂42、副臂43和副臂平衡臂44，此4件相互铰接为特殊四连杆机构，其实现的功能是，当主臂42和副臂43相互运动产生夹角时，此夹角一直保持被垂面等分。此功能对保证整个结构的稳定工作至关重要。伸缩臂座41、主臂42、抓手平衡臂45和抓手平衡杠杆46组成平行四边形连杆机构，副臂43、抓手平衡臂45，抓手平衡杠杆46和电磁抓手50组成同样尺寸的平行四边形连杆机构，依靠此两处平行四边形连杆机构，与前面的特殊四连杆机构效果相结合，可以保持机械爪10在同一水平面上做进退动作，具体运动曲线如图 7所示。此功能的意义在于可以使工人操作更加简单直观，在控制伸缩臂使电磁抓手50进退的过程中，不会产生高度变化。

在本发明的具体实施例中，电磁抓手50结构如图 8所示。包括抓手固定座51、抓手偏摆架52、电磁铁53、管柱滚轮54。

吸合管柱示意见图 9。电磁铁53拥有两个呈现V形夹角的表面，在电磁作用下表面产生吸合力以抓取管柱，V形夹角既能增加电磁铁对管柱的吸附和定位能力，又能对管柱的不同直径产生良好的适应。电磁铁53每个吸附面呃上下两端均安装有管柱滚轮54，此滚轮可以使管柱能够离开吸合面微小的距离，可以保证管柱既能够沿着滚轮滚动方向上下移动又不会降低电磁铁对管柱的吸合力。

抓手偏摆架52通过两个相互垂直的自由转轴分别铰接于抓手固定座51和电磁铁53，此结构可以使电磁铁53实现两个旋转自由度的偏摆，以适应作业过程中管柱的偏摆，防止因为管柱偏摆而导致电磁抓手50外力损坏和吸合力不足等问题。

此电磁抓手50结构能够很好的解决设备作业过程中既要适应管柱的上下自由运动和偏摆，又要提供足够的定位精度使其在下钻过程中准确地进行螺纹对准。同时，电磁铁53重心位于两个转轴的正下方一段距离，此重心位置设计使电磁抓手50释放管柱后，能够在重力作用下自动摆回初始竖直状态，以适应下一根管柱的吸合。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。