無鉆機(jī)鉆探機(jī)器人推靠支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

摘

要：基于新型無鉆機(jī)鉆探機(jī)器人，設(shè)計(jì)一種推靠支撐機(jī)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作模型分析。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)上采用兩對(duì)軸向交錯(cuò)排布的液壓缸，既增加了推靠支撐的行程，又增強(qiáng)了徑向支撐強(qiáng)度；同時(shí)前后支撐機(jī)構(gòu)和牽引機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)井下鉆探機(jī)器人的徑向偏置和軸向?qū)蜃藨B(tài)調(diào)整。對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行力學(xué)分析和設(shè)計(jì)參數(shù)校核，保障機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。樣機(jī)的液壓系統(tǒng)在30MPa壓力下穩(wěn)定溢流，為機(jī)器人的最大推靠支撐力達(dá)到40kN提供了現(xiàn)實(shí)依據(jù)。關(guān)鍵詞：鉆探機(jī)器人；推靠支撐；無鉆機(jī)鉆探0

引言井下機(jī)器人是加強(qiáng)油氣開發(fā)勘探的有力工具，具有成本低、風(fēng)險(xiǎn)低、環(huán)境友好、全自動(dòng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控等特點(diǎn)，是未來智能油氣鉆探的發(fā)展方向，可在深井、超深井、大斜度井和大位移水平井中進(jìn)行作業(yè)儀器的輸送和其他輔助作業(yè)，如測井機(jī)器人、排水采氣機(jī)器人、鉆孔機(jī)器人、液壓牽引機(jī)器人[8]和連續(xù)油管鉆井機(jī)器人。輪式、伸縮式和獾式機(jī)器人是油氣井下機(jī)器人的主要類型，均由支撐機(jī)構(gòu)、能源供給、控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，其中支撐行走是基礎(chǔ)，主要提供一個(gè)對(duì)井壁或套管的正壓力，以獲得摩擦力實(shí)現(xiàn)牽引爬行。支撐機(jī)構(gòu)有自鎖滑塊、液壓活塞、齒輪、蝸輪蝸桿、絲杠和凸輪等。國外的Sondex輪式牽引機(jī)器人、刀片式三連桿井下牽引機(jī)器人及伸縮式井下牽引機(jī)器人均采用雙向鎖止，但推靠支撐的每個(gè)機(jī)構(gòu)只有一對(duì)支撐，機(jī)器人軀體容易產(chǎn)生偏移，且提供的牽引支撐力較小。國內(nèi)的伸縮式雙向鎖止機(jī)構(gòu)能提供較大的牽引力，但易發(fā)生自鎖，產(chǎn)生井下卡堵。BadgerExplorer獾式鉆探器無須鉆井平臺(tái)，減少了工作程序和人力耗費(fèi)，但鉆速較慢，井孔被巖屑填充，無法進(jìn)行鉆井液錄井和取心作業(yè)，支撐機(jī)構(gòu)則需要提供更大的牽引支撐力。伸縮式鉆探機(jī)器人通過牽引缸和支撐缸軸向布置，優(yōu)化支撐機(jī)構(gòu)和鉆井液流道，以提供所需鉆壓，實(shí)現(xiàn)牽引及動(dòng)態(tài)破巖?；谛滦屯鶑?fù)蠕動(dòng)式無鉆機(jī)鉆探機(jī)器人，本文提出一種液壓缸徑向布置的推靠支撐機(jī)構(gòu)，通過輔助支撐傳遞較大牽引力，通過軀體位置和姿態(tài)調(diào)整減少牽引時(shí)軀體與井壁的摩擦，以適應(yīng)井下復(fù)雜環(huán)境。1

推靠支撐機(jī)構(gòu)與工作機(jī)理1.1

推靠支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)無鉆機(jī)鉆探機(jī)器人推靠支撐機(jī)構(gòu)的總體布局如圖1所示，主要由鉆頭、前/后推靠支撐機(jī)構(gòu)、前/后牽引機(jī)構(gòu)、敦實(shí)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)等組成，且前/后支撐、牽引的機(jī)械結(jié)構(gòu)相同，共同協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)完成支撐和爬行動(dòng)作。單個(gè)推靠支撐機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，液壓缸采用中心對(duì)稱的方式，軸向呈十字支撐。雙作用液壓缸通過柱塞桿上的活塞分隔進(jìn)油腔和回油腔，進(jìn)油腔進(jìn)油，柱塞桿穩(wěn)定推出，回油腔進(jìn)油，柱塞桿回收復(fù)位。液壓驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，運(yùn)行路徑為伺服電機(jī)—減速機(jī)—柱塞泵，接著泵（輸出壓力油）—單向閥—溢流閥—電磁控制閥（4只）—液壓缸，完成缸體控制。液壓控制系統(tǒng)通過反饋信號(hào)（MPU-6050實(shí)時(shí)計(jì)算輔助支撐臂擺動(dòng)姿態(tài)）實(shí)現(xiàn)柱塞桿伸出距離的定位并維持壓力的恒定輸出。1.2

推靠支撐原理推靠支撐機(jī)構(gòu)采用直動(dòng)導(dǎo)桿滑塊運(yùn)動(dòng)方式，如圖4所示。柱塞桿W為動(dòng)力桿，推動(dòng)支撐板滑軌V同時(shí)上移和左移，輔助支撐臂U引導(dǎo)滑軌V保持水平狀態(tài)與井壁平行。1.3

液壓系統(tǒng)液壓系統(tǒng)能夠提供較大的驅(qū)動(dòng)力，但是其結(jié)構(gòu)和元器件較為復(fù)雜，密封要求高。其四缸油路運(yùn)行路徑如圖5所示。1.4

推靠支撐運(yùn)動(dòng)模態(tài)前/后推靠支撐機(jī)構(gòu)通過八個(gè)液壓缸與牽引機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)配合，完成無鉆機(jī)鉆探機(jī)器人的三種運(yùn)動(dòng)模態(tài)：鉆進(jìn)或回退、徑向偏置調(diào)整、軸向姿態(tài)導(dǎo)向。機(jī)器人的鉆進(jìn)動(dòng)作通過推靠機(jī)構(gòu)的支撐與伸縮來實(shí)現(xiàn)，狀態(tài)a為初始狀態(tài)，前/后推靠支撐板全部推出，并與井壁緊固支撐機(jī)器人軀體，其他各狀態(tài)如圖6所示，鉆進(jìn)時(shí)相應(yīng)運(yùn)動(dòng)過程如下：（1）狀態(tài)a到狀態(tài)b：前牽引機(jī)構(gòu)緩慢伸出，推動(dòng)鉆頭鉆進(jìn)至最大距離后，前推靠支撐機(jī)構(gòu)柱塞桿收回，后推靠支撐機(jī)構(gòu)保持穩(wěn)定支撐。（2）狀態(tài)b到狀態(tài)c：后牽引機(jī)構(gòu)緩慢伸出，前牽引機(jī)構(gòu)配合后牽引機(jī)構(gòu)進(jìn)行收縮，前推靠支撐機(jī)構(gòu)向前伸出至最大距離后支撐板全部推出。（3）狀態(tài)c到狀態(tài)d：后推靠支撐機(jī)構(gòu)的支撐板全部收回，敦實(shí)機(jī)構(gòu)配合后牽引機(jī)構(gòu)緩慢收縮。（4）狀態(tài)d到狀態(tài)e：后牽引機(jī)構(gòu)收縮至最小位置，后推靠支撐機(jī)構(gòu)全部推出支撐，整體恢復(fù)至初始狀態(tài)a，周期動(dòng)作完成，機(jī)器人獲得一定的鉆進(jìn)深度。機(jī)器人回退動(dòng)作與鉆進(jìn)相反，不再贅述。機(jī)器人的徑向偏置調(diào)整過程如圖7所示，狀態(tài)1中，X1柱塞桿與X2柱塞桿、Y1柱塞桿與Y2柱塞桿均徑向中心對(duì)稱排布，沿軸向十字支撐。當(dāng)兩對(duì)柱塞桿在行程上協(xié)調(diào)同步收縮至狀態(tài)2，X1與Y1柱塞桿收縮，X2與Y2柱塞桿伸出時(shí)，則可實(shí)現(xiàn)徑向偏置。機(jī)器人的軸向姿態(tài)導(dǎo)向過程如圖8所示，當(dāng)X1與X4柱塞桿收縮、X2與X3柱塞桿伸出，另外的兩對(duì)支撐協(xié)調(diào)伸縮，則機(jī)器人軀體軸線與井孔軸線傾斜一個(gè)角度α，同時(shí)牽引機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鉆頭按照其軀體姿態(tài)緩慢鉆進(jìn)，長距離累積后，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向鉆進(jìn)。2

推靠支撐機(jī)構(gòu)力學(xué)分析2.1

機(jī)構(gòu)承載力與支撐臂角度關(guān)系推靠支撐機(jī)構(gòu)的承載力（以下簡稱“機(jī)構(gòu)承載力”）是指由機(jī)器人伸縮機(jī)構(gòu)支持部分軀體伸縮前進(jìn)時(shí)作用于支撐機(jī)構(gòu)上的力（圖6中狀態(tài)a至b時(shí)，前推靠支撐機(jī)構(gòu)需提供鉆頭鉆進(jìn)的鉆壓）。由于推靠支撐機(jī)構(gòu)中心對(duì)稱，受力基本對(duì)稱，以圖9中一對(duì)推靠支撐板為例進(jìn)行受力分析。左側(cè)輔助支撐臂②為二力桿，F(xiàn)21與F23是作用力與反作用力，大小相等，方向相反，作用在同一條直線上，分解出的Fx與Fx′大小相等，方向相反，F(xiàn)y與Fy′亦同。綜合受力分析得出機(jī)構(gòu)承載力大小公式：式中：FC為推靠支撐機(jī)構(gòu)的承載力（N）；μ為井壁的摩擦系數(shù)；FN為柱塞桿推出力（正壓力）（N）；γ為反作用力F21與承載力方向上所夾的銳角（°）?？芍獧C(jī)構(gòu)承載力取決于三個(gè)要素——FN、μ和γ，其中FN≤40

kN，μ取值范圍為0.1～0.4，γ的大小關(guān)聯(lián)輔助支撐臂和柱塞桿的伸出長度，影響推靠支撐機(jī)構(gòu)的最大結(jié)構(gòu)承載力。那么，F(xiàn)N取40kN時(shí)，可以得出機(jī)構(gòu)承載力與支撐角度、摩擦系數(shù)的關(guān)系，如表1所示。當(dāng)γ為75°、摩擦系數(shù)較大時(shí)，機(jī)構(gòu)承載力通過輔助支撐臂施加在支撐板的摩擦角內(nèi)，支撐機(jī)構(gòu)形成自鎖，無論多大的力均無法使支撐板相對(duì)井壁滑動(dòng)。實(shí)際運(yùn)行中需避免機(jī)構(gòu)自鎖且提供較大牽引力，γ在45°～60°時(shí)，在地下鉆進(jìn)的封閉空間內(nèi)，支撐板與井壁摩擦系數(shù)大于0.2，則兩對(duì)推靠支撐結(jié)構(gòu)的牽引力將大于40kN，前/后推靠支撐機(jī)構(gòu)也將提供超過40kN的鉆壓。2.2

液壓缸缸壁厚度δ分析液壓缸主要部件包括缸蓋、柱塞桿和缸體。機(jī)器人外徑為170mm，其內(nèi)置的巖屑管道直徑為25mm，設(shè)計(jì)的液壓缸缸體內(nèi)徑D=40

mm，柱塞桿桿徑d=0.7D，柱塞桿總長為140mm，缸體材料為42CrMo合金。根據(jù)表2所示的缸體材料力學(xué)性能，柱塞桿推出力FN=40kN時(shí)，缸內(nèi)壓強(qiáng)約為32MPa，為中高壓系統(tǒng)，同等壓強(qiáng)下柱塞收縮力約為20kN。對(duì)于中高壓系統(tǒng)，或者D/δ＜3.2，液壓缸的缸筒厚度按照厚壁筒計(jì)算。綜合塑性材料和脆性材料的許用應(yīng)力計(jì)算，分別采用第四和第二強(qiáng)度理論，得到液壓缸缸壁厚度δ≥4.17mm，符合32MPa的壓強(qiáng)要求。2.3

柱塞桿活塞密封分析柱塞桿上的活塞厚度一般為其活塞直徑的0.6～1.0倍，活塞處外徑為40

mm，為了增大行程，取活塞厚度≥24

mm，擬定選取h=30mm。同時(shí)進(jìn)行薄弱點(diǎn)以及安全系數(shù)分析，避免活塞密封失效，其中活塞處的等效應(yīng)力分析如圖10所示。選用與42CrMo合金相近屈服強(qiáng)度的材料，并通過夾具顧問模擬固定柱塞，通過外部載荷顧問輸入軸向力總數(shù)為40kN，劃分網(wǎng)格并進(jìn)行運(yùn)算。得到最大等效應(yīng)力為1.489×108N/m2，小于屈服力（1.07×109

N/m2），安全系數(shù)如圖11所示，薄弱點(diǎn)為7.185，遠(yuǎn)大于安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，柱塞桿活塞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。柱塞桿活塞的受力變形位移分析如圖12所示，可見柱塞主要受力部位徑向的變形位移量為2.461×10-3

mm，兩側(cè)膨脹位移最大約為0.005mm，在柱塞桿加工及密封圈配合誤差的范圍內(nèi)。綜合活塞的等效應(yīng)力和位移分析，可知柱塞桿活塞高壓密封穩(wěn)定。2.4

柱塞桿桿徑d校核分析柱塞桿是液壓缸傳遞力的主要零件，其桿徑一般為活塞直徑的0.7D，即d=28mm。（1）根據(jù)強(qiáng)度要求來計(jì)算柱塞桿桿徑d。柱塞桿在穩(wěn)定狀態(tài)下要滿足：式中：F為柱塞桿受到的作用力（與推力一致）（N）；[σ]為柱塞桿材料的許用應(yīng)力（MPa）。根據(jù)F=FN=40

kN，[σ]=σb/n，求得d≥15.35

mm，d=28mm符合條件。（2）根據(jù)保證柱塞桿不產(chǎn)生縱向彎曲要求計(jì)算，即柱塞桿臨界載荷要比實(shí)際承受載荷大3.5～6（安全系數(shù)）倍。參照非等截面法查形狀系數(shù)表，得極限載荷Fk≈575

171.9

N，F(xiàn)k/F=575171.9/40

000≈14.38，遠(yuǎn)大于安全系數(shù)，柱塞桿可保持穩(wěn)定。3

推靠支撐機(jī)構(gòu)樣機(jī)推靠支撐機(jī)構(gòu)動(dòng)力裝置如圖13所示，伺服電機(jī)為80法蘭1kW直流，扭矩為3N·m，減速機(jī)減速比為3，降速增扭達(dá)9N·m；1.25MCY14-1B的軸向柱塞泵壓力為31.5MPa，最高轉(zhuǎn)速1500r/min；6mm通徑的單向閥，40MPa可調(diào)溢流閥以及O型三位四通電磁閥；輸油管道為8～12mm無縫鋼管，接頭為卡套式接頭。樣機(jī)采用了一對(duì)推靠支撐進(jìn)行試制，試制材料為45號(hào)鋼（抗拉強(qiáng)度600MPa、屈服強(qiáng)度355MPa），總長度約為1.7m，其推出狀態(tài)如圖14所示。運(yùn)行狀態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)單獨(dú)伸縮以及同時(shí)伸縮，最大伸出推靠直徑為300mm，單個(gè)缸體伸出最大距離約為65mm，單個(gè)伸縮時(shí)間可控制在15s以內(nèi)，輸油管道