專利名稱：懸掛式自適應自動鉆桿柱排放裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種與陸地鉆機K型井架配套使用的自動化鉆桿柱排放裝置，特別涉及一種懸掛式自適應自動鉆桿排放裝置。主要用于鉆桿柱的自動抓取、運移和順次排列，特別是其所具有的傾斜及側擺功能可適應鉆桿柱排放的角度偏差，并能在鉆桿柱接卸過程中進行自動糾偏，以保證鉆桿柱立垂，完成鉆桿柱與孔口鉆具及頂驅輸出軸間的順利聯(lián)接，從而實現(xiàn)鉆桿柱接卸及排放過程的自動化。
背景技術：
在石油鉆井、大陸科學鉆探等深井鉆進過程中，起、下鉆作業(yè)占據(jù)了大量的輔助時間。通常為了節(jié)省起、下鉆時間，鉆桿大多以兩根或兩根以上的鉆桿柱形式進行接卸。鉆桿柱有序排列在鉆井平臺立根盒和二層臺指梁之間，對于陸地鉆機而言，鉆桿柱是垂直排放的。為完成鉆桿柱接卸工作，必須有一位鉆工在二層臺操作吊卡并借助絞車運移鉆桿，此項工作勞動強度大且不安全。此外，為了提高鉆桿柱的接卸效率，對鉆工的操作技能也提出了較高的要求。即便是安裝了頂驅的鉆井系統(tǒng)，此種繁重的任務依然不能解除專利公開號CA2661631公開了一種美國威德福公司實用新型的鉆桿排放裝置，其結構原理是在井架原有二層臺基礎上安裝了一種可旋轉的伸縮臂式鉆桿排放裝置，該裝置的運動方式為底座回轉、動臂伸縮。該裝置利用回轉及徑向輻射式伸縮功能實現(xiàn)鉆桿柱定位、抓取和運移，回轉功能可將鉆桿柱旋轉360°，從而使鉆桿柱對準回轉軸線，完成接卸操作，該實用新型需要在二層臺上加裝帶有中心開式通道的懸臂橫梁，結構復雜，定位控制原理復雜，無法提供傳統(tǒng)起、下鉆作業(yè)方式。該實用新型所采用的機械手為橫向開合式，寬度大，難以適應狹窄的鉆桿柱間隙。
發(fā)明內容本實用新型的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術存在的問題，而提供一種懸掛式自適應自動鉆桿排放裝置，用以完全替代人力實現(xiàn)鉆桿柱接卸工作，本實用新型主要用于與頂驅配套使用，以提高鉆井系統(tǒng)整機自動化程度。本實用新型是由排管器導軌、液壓馬達、回轉編碼器、滑車、蝸輪蝸桿回轉裝置、絲杠副、伸展液壓缸、動臂、三角架、糾偏液壓缸、桅桿、升降液壓缸、桅桿內導桿、機械手、雙軸水平傾角傳感器和具有PID調節(jié)功能的電液比例控制系統(tǒng)組成，排管器導軌固定在K型井架之二層臺的舌臺底部，滑車通過滑動導向塊懸掛在排管器導軌上，絲杠副設置在排管器導軌下方，絲杠副與滑車聯(lián)接，液壓馬達與絲杠副聯(lián)接，液壓馬達能驅動絲杠副動作，絲杠副可以帶動滑車在排管器導軌上前后滑動，滑車下端的延伸體與動臂連接體之間連接蝸輪蝸桿回轉裝置，蝸輪蝸桿回轉裝置與液壓馬達聯(lián)接，回轉編碼器控制蝸輪蝸桿回轉裝置轉動角度為0° 180°，其中，0°、90°和180°可以駐足，動臂連接體的下端與三角架之間鉸接有平行四邊形動臂，平行四邊形動臂的一個對角鉸接二只伸展液壓缸，桅桿的上端以萬向軸鉸接在三角架外側上端，桅桿的下段二側與三角架的下端二側之間以球鉸各聯(lián)接一只糾偏液壓缸，桅桿中穿設桅桿內導桿，桅桿內導桿從桅桿的二端露出，桅桿內導桿下端內側與桅桿內側之間鉸接雙向升降液壓缸，二只機械手分別安裝在桅桿內導桿上下端內側，雙軸水平傾角傳感器安裝在桅桿的中段上，具有PID調節(jié)功能的電液比例控制系統(tǒng)實現(xiàn)各個執(zhí)行機構的動作控制。本實用新型的工作原理和過程是I、液壓馬達驅動絲杠副帶動滑車在排管器導軌移動，進而帶動下方的裝置前后移動，絲杠副具有自鎖性；伸展液壓缸工作，帶動動臂伸展或收縮，進而帶動機械手伸展或收縮；本實用新型在平面上的前后移動及左右伸展或收縮，可以將機械手移動到任何位置抓取鉆桿柱并送到指定位置；2、液壓馬達驅動蝸輪蝸桿回轉裝置工作，可以將下方的機械手轉到左右二側進行抓取二側的鉆桿柱，或將下方的機械手轉到對空，蝸輪蝸桿回轉裝置具有自鎖功能；3、當二只糾偏液壓缸分別一只不動、另一只伸展時，或反向動作時，可以使桅桿及桅桿內導桿左傾或右傾，當二只糾偏液壓缸同時不動時，可以使桅桿及桅桿內導桿居中，進而使機械手能抓取到不同傾斜角度或方向的鉆桿柱；4、桅桿內導桿下端內側與桅桿內側之間鉸接的雙向升降液壓缸伸或縮，可以使被抓取的鉆桿柱按照設計的軌跡移動。一、本實用新型之平移機構采用了絲杠-螺母直線導軌作業(yè)方式，平移機構可驅動排管裝置沿二層臺走臺方向前后移動，當排管裝置旋轉至-90°或+90°時，借助于回轉編碼器可使夾持機械手定位于各行鉆桿柱，如圖8所示，回轉編碼器與驅動平移機構的液壓馬達同軸布置，絲杠采用梯形螺紋，且具有自鎖功能，可選配滾珠絲杠。驅動絲杠回轉的減速機采用蝸輪蝸桿傳動，尤其是采用滾珠絲杠時，必須配置蝸輪蝸桿減速機。二、本實用新型所采用的回轉機構為單液壓馬達驅動的蝸輪蝸桿傳動回轉支承，這種一體化的傳動機構輕巧靈便，是為本實用新型整機配套的最佳部件。此外，可以選擇行星減速機驅動的回轉支承替代前述部件，二者區(qū)別在于蝸輪蝸桿傳動具有自鎖性，而采用行星減速機作為傳動部件則必須加裝制動器，用以實現(xiàn)排管裝置在-90°、0°或+90°三個特定位置的準確定位和可靠鎖緊。三、本實用新型采用雙液壓缸驅動的平行四邊形機構以實現(xiàn)鉆桿柱逐列抓取，用于定位的傳感器采用量程為±90°的單軸水平傾角傳感器，所排列鉆桿柱的位置利用傾角傳感器反饋信號根據(jù)機構傾斜角度計算得到。水平傾角傳感器結構緊湊，精度高響應速度快，確保鉆桿柱列定位準確可靠，抓取迅速。四、鉆桿柱運移至頂驅下方孔口中心時，利用兩個耳座內裝有關節(jié)軸承的液壓缸構成小三角糾偏機構，糾偏機構通過加裝在桅桿上的雙軸水平傾角傳感器檢測角度偏差，進而控制糾偏液壓缸動作，將桅桿調垂，以保證鉆桿柱立垂，通常由于鉆桿柱較長，機械手夾持部位為鉆桿柱上部，因此頂驅與鉆桿柱的聯(lián)接易于完成，但下方聯(lián)接既有鉆具仍須扶正裝置輔助作業(yè)，對于剛性較好的鉆桿柱，糾偏機構的作用更為顯著。五、本實用新型所涉及的夾持機械手安裝基礎為雙層升降式桅桿結構，其中外部桅桿通過萬向節(jié)安裝于三角架上，利用兩個糾偏液壓缸驅動。內部桅桿可沿外部桅桿所提供的導向結構滑動，滑動副導向塊內設有潤滑脂槽。內部桅桿在平行四邊形伸展機構動作時，可在升降液壓缸驅動下上下移動，內部桅桿的升降動作可以是與伸展動作同步的，也可以有明確的先后次序，但同步運動需要應用模擬量作為輸入的電液比例控制。此外，在接卸鉆具過程中，內部桅桿處在平衡浮動狀態(tài)，平衡和浮動功能是通過特定的液壓回路及控制方式實現(xiàn)的。本實用新型的實用新型點是I、采用懸掛式導軌，直接利用舌臺作為基礎，與美國的專利公開號CA2661631專利結構差別很大，不同于其他任何一種實現(xiàn)此功能的設備。2、鉆桿柱的抓取按照行、列定位，無須旋轉，但鉆桿排架左右側切換及向孔口的運移，借助旋轉。3、利用螺旋傳動機構即絲杠副進行精確定位，傳動副具有自鎖性。4、伸展機構采用液壓缸驅動的緊湊的平行四邊形機構。5、配備升降機構，在伸展過程中，升降機構同時動作，保持所攜帶鉆桿柱按照規(guī)定 軌跡平穩(wěn)運行。6、排管機桅桿具有自動調垂功能，通過小三角機構及桅桿萬向節(jié)實現(xiàn)，自動調垂系統(tǒng)采用PID控制，可使鉆桿接卸過程中自動對中。7、采用蝸輪-蝸桿傳動實現(xiàn)排管機回轉，用以進行兩側排架內鉆桿的切換，以及對準孔口方向；蝸輪蝸桿傳動機構具有自鎖性，可準確定位于左，中，右三點。8、排管機機械手可夾持任意直徑的鉆桿柱。本實用新型的有益效果主要用于鉆桿柱的自動抓取、運移和順次排列，特別是其所具有的傾斜及側擺功能可適應鉆桿柱排放的角度偏差，并能在鉆桿柱接卸過程中進行自動糾偏，以保證鉆桿柱立垂，完成鉆桿柱與孔口鉆具及頂驅輸出軸間的順利聯(lián)接，從而實現(xiàn)鉆桿柱接卸及排放過程的自動化。

圖I是本實用新型的使用狀態(tài)立體示意圖。圖2是本實用新型的抓取裝置沖向側面時的側視圖。圖3是本實用新型的伸展機構伸展開時的示意圖。圖4是本實用新型的抓取裝置沖向孔口時的側視圖。圖5是本實用新型抓取鉆桿柱后伸展機構伸展開時的示意圖。圖6是本實用新型抓取鉆桿柱后糾偏機構伸工作時的示意圖。圖7是本實用新型抓取鉆桿柱后伸展機構伸展開時的另一示意圖。圖8是鉆桿柱排列示意圖。
具體實施方式
請參閱圖I、圖2、圖3和圖4所示，本實施例是由排管器導軌4、液壓馬達6、回轉編碼器7、滑車8、蝸輪蝸桿回轉裝置9、絲杠副11、伸展液壓缸12、動臂14、三角架15、糾偏液壓缸16、桅桿17、升降液壓缸18、桅桿內導桿19、機械手20、22、雙軸水平傾角傳感器21和具有PID調節(jié)功能的電液比例控制系統(tǒng)13組成，排管器導軌4固定在K型井架之二層臺3的舌臺底部，滑車8通過滑動導向塊懸掛在排管器導軌4上，絲杠副11設置在排管器導軌4下方，絲杠副11與滑車8聯(lián)接，液壓馬達6與絲杠副11聯(lián)接，液壓馬達6能驅動絲杠副11動作，絲杠副11可以帶動滑車8在排管器導軌4上前后滑動，滑車8下端的延伸體81與動臂連接體82之間連接蝸輪蝸桿回轉裝置9，蝸輪蝸桿回轉裝置9與液壓馬達91聯(lián)接，回轉編碼器7控制蝸輪蝸桿回轉裝置9轉動角度為0° 180°，其中，0°、90°和180°可以駐足，動臂連接體82的下端與三角架15之間鉸接有平行四邊形動臂14，平行四邊形動臂14的一個對角鉸接二只伸展液壓缸12，桅桿17的上端以萬向軸鉸接在三角架15外側上端，桅桿17的下段二側與三角架15的下端二側之間以球鉸各聯(lián)接一只糾偏液壓缸16，桅桿17中穿設桅桿內導桿19,桅桿內導桿19從桅桿17的二端露出，桅桿內導桿19下端內側與桅桿17內側之間鉸接雙向升降液壓缸18, 二只機械手20、22分別安裝在桅桿內導桿19的上下端內側，雙軸水平傾角傳感器21安裝在桅桿17的中段上，具有PID調節(jié)功能的電液比例控制系統(tǒng)13實現(xiàn)各個執(zhí)行機構的動作控制。本實用新型的工作原理和過程是請參閱圖I、圖2、圖3和圖4并配合圖5、圖6和圖7所示；I、液壓馬達6驅動絲杠副11帶動滑車8在排管器導軌4移動，進而帶動下方的裝 置前后移動，絲杠副11具有自鎖性；伸展液壓缸12工作，帶動動臂14伸展或收縮，進而帶動機械手20、22伸展或收縮；本實用新型在平面上的前后移動及左右伸展或收縮，可以將機械手20、22移動到任何位置抓取鉆桿柱2并送到指定位置；2、液壓馬達91驅動蝸輪蝸桿回轉裝置9工作，可以將下方的機械手20、22轉到左右二側進行抓取二側的鉆桿柱2，或將下方的機械手20、22轉到對空，蝸輪蝸桿回轉裝置9具有自鎖功能；3、當二只糾偏液壓缸16分別一只不動、另一只伸展時，或反向動作時，可以使桅桿17及桅桿內導桿19左傾或右傾,當二只糾偏液壓缸16同時不動時,可以使桅桿17及桅桿內導桿19居中，進而使機械手20、22能抓取到不同傾斜角度或方向的鉆桿柱2，如圖8所示；4、桅桿內導桿19下端內側與桅桿17內側之間鉸接的雙向升降液壓缸18伸或縮，可以使被抓取的鉆桿柱2按照設計的軌跡移動。
權利要求1.一種懸掛式自適應自動鉆桿排放裝置，其特征在于是由排管器導軌(4)、液壓馬達(6)、回轉編碼器(7)、滑車⑶、蝸輪蝸桿回轉裝置(9)、絲杠副(11)、伸展液壓缸(12)、動臂(14)、三角架(15)、糾偏液壓缸(16)、桅桿(17)、升降液壓缸(18)、桅桿內導桿(19)、機械手(20 ;22)、雙軸水平傾角傳感器(21)和具有PID調節(jié)功能的電液比例控制系統(tǒng)(13)組成，排管器導軌(4)固定在K型井架之二層臺(3)的舌臺底部，滑車(8)通過滑動導向塊懸掛在排管器導軌(4)上，絲杠副(11)設置在排管器導軌(4)下方，絲杠副(11)與滑車(8)聯(lián)接，液壓馬達(6)與絲杠副(11)聯(lián)接，液壓馬達(6)能驅動絲杠副(11)動作，絲杠副(11)可以帶動滑車(8)在排管器導軌(4)上前后滑動，滑車(8)下端的延伸體(81)與動臂連接體(82)之間連接蝸輪蝸桿回轉裝置(9)，蝸輪蝸桿回轉裝置(9)與液壓馬達(91)聯(lián)接，回轉編碼器(7)控制蝸輪蝸桿回轉裝置(9)轉動角度為0° 180°，其中，0°、90°和180°駐足，動臂連接體(82)的下端與三角架(15)之間鉸接有平行四邊形動臂(14)，平行四邊形動臂(14)的一個對角鉸接二只伸展液壓缸(12)，桅桿(17)的上端以萬向軸鉸接在三角架(15)外側上端，桅桿(17)的下段二側與三角架(15)的下端二側之間以球鉸各聯(lián)接一只糾偏液壓缸(16),桅桿(17)中穿設桅桿內導桿(19),桅桿內導桿(19)從桅桿(17)的二端露出，桅桿內導桿(19)下端內側與桅桿(17)內側之間鉸接雙向升降液壓缸(18)，二只機械手(20 ;22)分別安裝在桅桿內導桿(19)的上下端內側，雙軸水平傾角傳感器(21)安裝在桅桿(17)的中段上，具有PID調節(jié)功能的電液比例控制系統(tǒng)(13)實現(xiàn)各個執(zhí)行機構的動作控制。
專利摘要本實用新型公開了一種懸掛式自適應自動鉆桿排放裝置，是由排管器導軌、液壓馬達、回轉編碼器、滑車、蝸輪蝸桿回轉裝置、絲杠副、伸展液壓缸、動臂、三角架、糾偏液壓缸、桅桿、升降液壓缸、桅桿內導桿、機械手、雙軸水平傾角傳感器和具有PID調節(jié)功能的電液比例控制系統(tǒng)組成，排管器導軌固定在K型井架之二層臺的舌臺底部，夾持機械手安裝基礎為雙層升降式桅桿結構，外部桅桿通過萬向節(jié)安裝于三角架上，利用兩個糾偏液壓缸驅動；內部桅桿可沿外部桅桿滑動，內部桅桿在平行四邊形伸展機構動作時，可在升降液壓缸驅動下上下移動，內部桅桿的升降動作可以是與伸展動作同步的，也可以有明確的先后次序，在接卸鉆具過程中，內部桅桿處在平衡浮動狀態(tài)，平衡和浮動功能是通過特定的液壓回路及控制方式實現(xiàn)的。
文檔編號E21B19/14GK202520252SQ20122012433
公開日2012年11月7日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權日2012年3月29日
發(fā)明者孫友宏, 張飛宇, 沙永柏, 王四一, 王清巖, 高科 申請人:吉林大學