尺蠖式油井管道机器人装置的制作方法

专利名称：尺蠖式油井管道机器人装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机械技术领域的管道机器人装置，特别是一种尺蠖式油井 管道机器人装置。
背景技术：
管道机器人应用于国民经济的许多行业之中，例如石油化工、天然气、核 工业、给排水、管道输送等行业，起着极其重要的作用。
油气井管道内部的操作与检测一直是油气生/"上的重大技术问题，围绕这 一问题石油科技工作者一直在寻找和研究新的装置与工具。在油田的开发过程 中无论是完井、测井还是修井作业都需要在井筒中操作，井下操作主要可分为 两类 一是安装井中工作仪器，完成井中参数的测量；二是检测井的工作状态(尤
其是事故井的状态)，以做出准确的修井作业方案。
油井管道机器人装置在特定的工作环境下具有自己的独特要求.油井是一 种径向尺寸窄小、深入地下、内含油、水、气、泥砂等介质的生产系统。油井
管道机器人装置必须具有以下几种特征1要求该机器人装置具有较强的动力性 能和负荷能力，较高的抗热抗腐蚀能力。2同水下机器人一样在主体部件上要 求全密封，而且油井管道一般有3000米左右的深度，这对爬行装置密封性能有 了更高的要求。3部分油井管道在往下延伸的过程中会形成一个大圆弧，因此 该机器人装置必须具有弯道爬行能力。4有些油井入口管道直径和内管直径不 一致，因此该机器人装置必须具有变直径管道自适应爬行能力。
目前，大部分管道机器人只能用于空管道、气体管道或纯液体管道的各项 检测任务，而无法应对三态混合且高压、高温的环境。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利(申请)号为200610054565.3，
名称为尺蠖式爬行机器人装置，该专利技术自述为"一种尺蠖式爬行机器人
装置，由前卡紧装置、后卡紧装置、伸縮腰、安全锁紧装置等部分组成。利用 交替工作的前后卡紧装置与能伸长和縮短的伸縮腰与配合，作尺蠖式前进。安
全锁紧装置置于前后卡紧装置之间，在机器人失控时，起保护作用。卡紧装置 由电机驱动，产生较大锁紧力，在空间任意方位均能有效工作。该机器人主要 用于管内作业，作为管内运输或者检测的载体，更可广泛应用于爬行工业机器 人领域。"该发明专利虽然解决了目前管道爬行普遍存在的负荷能力不足的问 题，然而，其采用的锁紧方式用电机经柱塞驱动液性介质使外圆基体四周的 薄壁发生弹性变形实现，使其无法应用于油井管道三态混合的复杂环境。目前， 在国内井下送进设备主要是缆绳送进和连续油管送进方式，还没有出现专门用 于油井管道设备送进的尺蠖式爬行装置。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足和缺陷，提供一种基于机械尺蠖式 爬行方式的油井管道机器人装置，使其能够利用三个独立的电机、丝杠螺母系 统作为动力设备进行顶杆机构径向伸縮运动和传动机构轴向伸縮运动以达到高 负荷、高密封性、变管径往复爬行的能力，从而很好的完成以下两类井下操作 一是安装井中工作仪器，完成井中参数的测量；二是检测井的工作状态(尤其是 事故井的状态)，以做出准确的修井作业方案。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明整体结构包括上段、中段、下 段，这三段相互独立。上段、下段结构相同，通过上下段交替顶紧管壁与放松， 配合中段的伸縮运动，以推动上段、拖动下段。反向爬行时，运动次序刚好相 反。
所述上段、下段结构相同，均包括顶杆机构、连接管、第一管头、第一 外管、第一密封圈、第二密封圈、锁定螺母、第一传动机构。其中，连接管、 第一管头、第一传动机构通过螺纹方式安装在第一外管内。第一密封圈、第二 密封圈分别嵌于连接管和第一管头内，采用双密封圈方式密封，锁定螺母以螺 纹连接的方式固定在第一管头和第一传动机构上。顶杆机构通过螺纹方式一端 固定在第一管头， 一端固定在第一传动机构上。
所述传动机构包括滚动导套、导向销、导向销套、轴承套、轴承，电机 外套、步进电机、丝杠、丝杠螺母、伸縮杆。其中电机外套、轴承套、导向销 套均处于外管内，轴承位于轴承套内， 一端由轴承套定位，另一端由电机外套 定位，步进电机固定在步进电机外套上以防止电机轴向运动和径向转动，丝杠 和步进电机连接并通过轴承实现转动，伸縮杆通过螺纹与丝杠螺母连接为一体，
通过丝杠的转动带动丝杠螺母与伸缩杆的轴向运动，导向销通过螺纹固定在导 向销套中，滚动导套位于管头内并通过该管头和导向销套实现轴向定位。
所述顶杆机构包括外铰接头、连接管、内铰接头、基座。顶杆机构通过 螺纹方式一端固定在管头， 一端固定在传动机构的伸縮杆上，基于等腰三角形 底边横向伸縮而顶点作纵向运动的原理通过伸縮杆和管头的相对轴向运动实现 顶杆机构径向的顶紧管壁和放松的运动。其中连接管两端内螺纹旋向相反，两 端分别连接外铰接头和内铰接头时形成外连接杆，两端均连接内铰接头时形成 内连接杆。内连接杆或外连接杆的一端分别通过螺栓和螺母铰接在基座上，另 一端互相铰接，这样形成顶杆机构的一个顶点机构。顶杆机构采用双层基座错 位45°的双顶杆机构，其双层八个顶点机构在空间形成一个圆柱面以完全贴合 管壁，产生较大顶紧力并起到自动扶正作用。
本发明顶杆机构采用分段设计，连接管两端采用不同旋向的内螺纹，通过 拧动连接管对顶杆的长度进行调节以应用于管径变化较大的场合。
本发明中，所述中段没有顶杆机构，其他结构与上段、下段相同。中段包 括第二管头、第二外管、第三密封圈、第四密封圈、第二传动机构。第二管 头、第二传动机构通过螺纹方式安装在外管内。第三密封圈、第四密封圈嵌于 管头内，采用双密封圈方式密封。中段第二传动机构与上下段第一传动机构一 致。
本发明工作过程如下向上爬时，上段由传动机构带动顶杆机构作管壁顶 紧运动，顶紧后，下段放松顶杆机构到处于非顶管状态，中段通过传动系统拖 动中段和下段一起向上运动，到位后，下段由传动机构带动顶杆机构作管壁顶 紧运动，顶紧后，上段放松顶杆机构到处于非顶管状态，中段通过传动系统推 动上段一起向上运动，然后循环上述过程，使之能够实现不断向上爬行。向下 爬时，其运动过程刚好相反。通过前后对称三段式的尺蠖式爬行方式能轻松实 现空间任意直管延伸方向的往复爬行，其载重能力可以达到300公斤以上，且
能在管道轴线圆弧半径为ioo米以上的弯道中爬行。
与现有技术相比，本发明具有以下特点1、结构简单，上中下三段分别独 立且基本一致，使总体零件数大大减少，零件结构多为管件和螺纹连接件，便 于加工制造和装配；2、功能多，既能够承载大负荷运动，最大负荷可达到300 公斤以上，又能在任意空间直管延伸方向上连续爬行；既能在液、气、固体三态混合环境中应用，又能在管道轴线圆弧半径为100米弯道中应用；由于顶杆 机构的独特设计，还能自动适应变直径管道爬行；3、可塑性强，可以在两端加 载各种设备如钻头设备、超生波检测设备、修补设备等，也可以在中段和顶杆 段之间连接各种设备，还可以通过零件尺寸的縮放应用于各种尺寸的管道中。


图1为本发明的整体结构示意图 图中，上段70、中段71和下段72; 图2为上段的结构示意图
图中，上段70包括第一顶杆机构l，第一连接管12，第一管头2，第一 外管6，第一密封圈18，第二密封圈19，第一锁定螺母20，第二锁定螺母21， 第一传动机构17;第一传动机构17包括第一滚动导套3，第一导向销4，第 一导向销套5，第一轴承套7，第一轴承8，第一轴承垫圈9，第一销钉IO，第 一电机外套11，第一步进电机13，第一丝杠14，第一丝杠螺母15，第一伸縮 杆16;
图3为中段的结构示意图
图中，中段71包括第二管头22，第二外管24，第三密封圈32，第四密 封圈39，第五密封圈40，第二传动机构37;
第二传动机构37包括第二滚动导套38、第二导向销23、第二导向销套 25、第二轴承套26、第二轴承27，第二轴承垫圈33，第二电机外套28，第二 销钉29，第二步进电机30，第二丝杠34，第二丝杠螺母35，第二伸縮杆36;
图4为下段的结构示意图
图中，下段72包括第二顶杆机构48，第二连接管31，第三管头47，第 三外管44，第六密封圈50，第七密封圈52，第三锁定螺母49，第四锁定螺母 51，第三传动机构55;
第三传动机构55包括第三滚动导套53，第三导向销46，第三导向销套 45，第三轴承套43，第三轴承57，第三轴承垫圈59，第三销钉41，第三电机 外套42，第三步进电机60，第三丝杠58，第三丝杠螺母56，第三伸縮杆54;
图5为顶杆机构的结构示意图
图中，上段70中的第一顶杆机构1和下段72中的第二顶杆机构48结构一 致，均由以下部件组成螺栓61，螺母62，外铰接头63，连接管64，第一内
铰接头65，第二内铰接头67，基座66。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方
案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的 保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例整体结构由上段70、中段71和下段72三段组成。 这三段在结构上互相独立，所述上段70、下段72交替顶紧管壁与放松，配合中 段71的伸縮运动，以推动上段70、拖动下段72，反向爬行时，运动次序刚好 相反。
如图2所示，上段70包括第一顶杆机构l，第一连接管12，第一管头2， 第一外管6，第一密封圈18，第二密封圈19，第一锁定螺母20，第二锁定螺母 21，第一传动机构17。上段70中第一连接管12、第一管头2、第一传动机构 17通过螺纹方式安装在第一外管6内，第一密封圈18，第二密封圈19分别嵌 于第一连接管12和第一管头2内，采用双密封圈方式密封，第一锁定螺母20， 第二锁定螺母21以螺纹连接的方式分别固定在第一伸縮杆16和第一管头2上。
如图2所示，第一传动机构17包括第一滚动导套3，第一导向销4，第 一导向销套5，第一轴承套7，第一轴承8，第一轴承垫圈9，第一销钉IO，第 一电机外套11，第一步进电机13，第一丝杠14，第一丝杠螺母15，第一伸縮 杆16。第一电机外套11，第一轴承套7，第一导向销套5，均处于第一外管6 内，第一轴承8位于第一轴承套7内， 一端由第一轴承套7定位，另一端由第 一电机外套11定位，第一轴承垫圈9套于第一丝杠14上，第一步进电机13由 第一销钉10分别固定在第一电机外套11上以防止电机轴向运动和径向转动， 第一丝杠14和第一步进电机13连接并分别通过第一轴承8实现转动，第一伸 縮杆16通过螺纹与第一丝杠螺母15连接为一体，通过第一丝杠14的转动带动 第一丝杠螺母15与第一伸縮杆16的轴向运动，第一导向销4通过螺纹固定在 第一导向销套5中，第一滚动导套3位于第一管头2内并通过第一管头2和第 一导向销套5实现轴向定位。
如图2所示，上段70的第一顶杆机构1通过螺纹方式一端固定在第一管头 2， 一端固定在第一传动机构17的第一伸縮杆16上，基于等腰三角形底边横向 伸縮而顶点作纵向运动的原理通过第一伸縮杆16和第一管头2的相对轴向运动 实现第一顶杆机构1径向的顶紧管壁和放松的运动。
如图3所示，中段71包括第二管头22，第二外管24，第三密封圈32， 第四密封圈39，第五密封圈40，第二传动机构37。中段71中第二管头24、第 二传动机构37通过螺纹方式安装在第二外管24内。第三密封圈32内嵌于第二 连接管31，第四密封圈39、第五密封圈嵌于第二管头22内，均采用双密封圈 方式密封。
如图3所示，第二传动机构37包括第二滚动导套38、第二导向销23、 第二导向销套25、第二轴承套26、第二轴承27，第二轴承垫圈33，第二电机 外套28，第二销钉29，第二步进电机30，第二丝杠34，第二丝杠螺母35，第 二伸縮杆36。中段71的第二传动机构37中第二电机外套28、第二轴承套26、 第二导向销套25处于第二外管24内，第二轴承27位于第二轴承套26内，一 端由第二轴承套26定位，另一端由第二电机外套28定位，第二轴承垫圈33套 于第二丝杠34上，第二步进电机30由第二销钉29固定在第二电机外套28上 以防止电机轴向运动和径向转动，第二丝杠34和第二步进电机30连接并通过 第二轴承27实现转动，第二伸缩杆36通过螺纹与第二丝杠螺母35连接为一体， 通过第二丝杠34的转动带动第二丝杠螺母35与第二伸縮杆36的轴向运动以推 拉上段70和下段72，第二导向销23通过螺纹固定在第二导向销套25中，第二 滚动导套38位于第二管头22内并通过第二管头22和第二导向销套25实现轴 向定位。
如图4所示，下段72包括第二顶杆机构48，第二连接管31，第三管头 47，第三外管44，第六密封圈50，第七密封圈52，第三锁定螺母49，第四锁 定螺母51，第三传动机构55。下段72中第二连接管31、第三管头47、第三传 动机构55通过螺纹方式安装在第三外管44内，第六密封圈50、第七密封圈52 嵌于第三管头47内，采用双密封圈方式密封，第三锁定螺母49、第四锁定螺母 51以螺纹连接的方式分别固定在第三伸縮杆54和第三管头47上。
如图4所示，第三传动机构55包括第三滚动导套53，第三导向销46， 第三导向销套45，第三轴承套43，第三轴承57，第三轴承垫圈59，第三销钉 41，第三电机外套42，第三步进电机60，第三丝杠58，第三丝杠螺母56，第 三伸縮杆54。下段72的第三传动机构55中第三电机外套42、第三轴承套43、 第三导向销套45均分别处于第三外管44内，第三轴承57分别位于第三轴承套
43内， 一端由第三轴承套43定位，另一端由第三电机外套42定位，第三轴承 垫圈59套于第三丝杠58上，第三步进电机60由第三销钉41固定在第三电机 外套42上以防止电机轴向运动和径向转动，第三丝杠58和第三步进电机60连 接并通过第三轴承57实现转动，第三伸縮杆54通过螺纹与第三丝杠螺母56连 接为一体，通过第三丝杠58的转动带动第三丝杠螺母56与第三伸縮杆54的轴 向运动，第三导向销46通过螺纹固定在第三导向销套45中，第三滚动导套53 位于第三管头47内并通过第三管头47和第三导向销套45实现轴向定位。
如图4所示，下段72的第二顶杆机构48通过螺纹方式一端固定在第三管 头47, —端固定在第三传动机构55的第三伸縮杆54上，基于等腰三角形底边 横向伸縮而顶点作纵向运动的原理通过第三伸縮杆54和第三管头47的相对轴 向运动实现第二顶杆机构48径向的顶紧管壁和放松的运动。
如图5所示，上段70的第一顶杆机构1和下段72的第二顶杆机构48结构 一致，均由以下方式组成连接管64两端内螺纹旋向相反，分别连接外铰接头 63和内铰接头65时形成外连接杆69，而连接内铰接头65和内铰接头67时形 成内连接杆68。内连接杆68、外连接杆69的一端分别通过螺栓61和螺母62 铰接在基座66上，另一端互相铰接，这样形成顶杆机构的一个顶点机构。
顶杆机构采用双层基座错位45°的双顶杆机构，其双层八个顶点机构在空 间形成一个圆柱面以完全贴合管壁，产生较大顶紧力并起到自动扶正作用。
机器人整体爬行方式如下向上爬时， 一，上段70由第一传动机构17带 动第一顶杆机构l作管壁顶紧运动，顶紧后；二，下段72放松第二顶杆机构48 到处于非顶管状态，中段71通过第二传动机构37拖动自身和下段72 —起作向 上运动，到位后；三，下段72由第三传动机构55带动第二顶杆机构48作管壁 顶紧运动，顶紧后；四，上段71放松第一顶杆机构1到处于非顶管状态，中段 71通过第二传动机构37推动上段70向上运动。循环上述一、二、三、四，使 之能够实现不断向上爬行。向下爬时，其运动过程刚好相反， 一，下段72由第 三传动机构55带动第二顶杆机构48作管壁顶紧运动，顶紧后；二，上段70放 松第一顶杆机构1到处于非顶管状态，中段71通过第二传动机构37带动上段 70向下运动，到位后；三，上段70由第一传动机构17带动第一顶杆机构1作 管壁顶紧运动，顶紧后；四，下段72放松第二顶杆机构55到处于非顶管状态， 中段71通过第二传动机构37推动自身和下段72 —起向下运动。循环上述一、
二、三、四，使之能够实现不断向下爬行。通过前后对称三段式的尺蠖式爬行 方式能轻松实现空间任意直管延伸方向的往复爬行，其载重能力可以达到300 公斤以上，且能在管道轴线圆弧半径为100米以上的弯道中爬行。。
权利要求
1、一种尺蠖式油井管道机器人装置，包括上段、中段、下段，三段相互独立，其特征在于，所述上段、下段结构相同，均包括顶杆机构、连接管、第一管头、第一外管、第一密封圈、第二密封圈、锁定螺母、第一传动机构，其中，连接管、第一管头、第一传动机构通过螺纹方式安装在第一外管内，第一密封圈、第二密封圈分别嵌于连接管和第一管头内，锁定螺母以螺纹连接的方式固定在第一管头和第一传动机构上，顶杆机构通过螺纹方式一端固定在第一管头，一端固定在第一传动机构上；中段包括第二管头、第二外管、第三密封圈、第四密封圈、第二传动机构，第二管头、第二传动机构通过螺纹方式安装在外管内，第三密封圈、第四密封圈嵌于管头内，中段第二传动机构与上下段第一传动机构一致；所述上段、下段交替顶紧管壁与放松，配合中段的伸缩运动，以推动上段、拖动下段，反向爬行时，运动次序刚好相反。
2、 根据权利要求1所述的尺蠖式油井管道机器人装置，其特征是，所述第 一传动机构和第二传动机构结构相同，均包括滚动导套、导向销、导向销套、 轴承套、轴承，电机外套、步进电机、丝杠、丝杠螺母、伸縮杆，其中电机外 套、轴承套、导向销套均处于外管内，轴承位于轴承套内， 一端由轴承套定位， 另一端由电机外套定位，步进电机固定在步进电机外套上以防止电机轴向运动 和径向转动，丝杠和步进电机连接并通过轴承实现转动，伸縮杆通过螺纹与丝 杠螺母连接为一体，通过丝杠的转动带动丝杠螺母与伸縮杆的轴向运动，导向 销通过螺纹固定在导向销套中，滚动导套位于管头内并通过该管头和导向销套 实现轴向定位。
3、 根据权利要求1所述的尺蠖式油井管道机器人装置，其特征是，所述顶 杆机构包括外铰接头、连接管、内铰接头、基座，其中连接管两端内螺纹旋 向相反，两端分别连接外铰接头和内铰接头时形成外连接杆，两端均连接内铰 接头时形成内连接杆，内连接杆或外连接杆的一端分别通过螺栓和螺母铰接在 基座上，另一端互相铰接，这样形成顶杆机构的一个顶点机构。
4、 根据权利要求1所述的尺蠖式油井管道机器人装置，其特征是，所述顶杆机构为双层基座错位45°的双顶杆机构，其双层八个顶点机构在空间形成一 个圆柱面以完全贴合管壁。
5、 根据权利要求1或3或4所述的尺蠖式油井管道机器人装置，其特征是， 所述顶杆机构通过螺纹方式一端固定在管头， 一端固定在传动机构的伸縮杆上， 基于等腰三角形底边横向伸縮而顶点作纵向运动、通过伸縮杆和管头的相对轴 向运动实现顶杆机构径向的顶紧管壁和放松的运动。
6、 根据权利要求1或3或4所述的尺蠖式油井管道机器人装置，其特征是， 所述顶杆机构为分段形式。
全文摘要
一种尺蠖式油井管道机器人装置，包括上段、中段、下段，三段相互独立，所述上下段结构相同，其中连接管、第一管头、第一传动机构通过螺纹方式安装在第一外管内，两密封圈分别嵌于连接管和第一管头内，锁定螺母固定在第一管头和第一传动机构上，顶杆机构通过螺纹方式一端固定在第一管头，一端固定在第一传动机构上；所述中段没有顶杆机构，其他结构与上下段相同。上下段交替顶紧管壁与放松，配合中段的伸缩运动，以推动上段、拖动下段，反向爬行时，运动次序刚好相反。本发明用于油井管道中仪器的安装，完成井中参数的测量，检测井的工作状态，也可作为其他领域管道设备运输和检测的载体。
文档编号F16L55/34GK101169214SQ20071017122
公开日2008年4月30日 申请日期2007年11月29日 优先权日2007年11月29日
发明者怀 王, 胡德金, 蔡菊香, 许申恺, 容 邓 申请人:上海交通大学