[实用新型]钻杆自动排放机械臂

说明书

技术领域：

本实用新型涉及一种海上石油钻井平台钻杆自动排放系统机械臂，尤其是具有多个虚约束特征的机械手臂，用于平行型排放架。

背景技术：

目前海上石油钻井越来越受到人们的重视，海上石油钻井是将钻机安装在钻井平台或钻井船上。钻井前，通常钻杆(包括其它钻具)是摆放在甲板上，钻井过程中首先需要将钻杆从甲板移送到井架中的排放架(立根盒)内，然后还要将钻杆从排放架移送到井口进行各种钻井工序操作，或反向顺序将钻杆从井口移送到排放架进而最后再送回到甲板上。这个过程称为钻杆排放操作或称管子处理。传统钻井作业中，钻杆排放操作需要多人合作共同完成，该操作特点是具有危险性，任何一人操作失误，都可能导致其他人员受到伤害并严重影响钻井工序及效率。

在海上常遇风浪，工作环境恶劣，安全情况更为突出。同时，海上钻井作业成本很高，因此，探索使钻杆操作机械化，进而实现钻井过程中的钻杆自动化操作，避免人与钻杆的直接接触，加快钻井速度，缩短钻井周期显得尤为重要。

钻杆自动排放机械臂是钻杆自动排放系统的重要组成部分，海上石油钻井平台钻杆自动排放系统机械臂在国外钻井平台上已有多个方案得到应用，早期的方案是在井架上安装一个机械手臂从而在井口与立根盒之间移送钻杆，后来是在下方安装另外一个机械手臂，上下机械手臂共同在井口与立根盒之间移送钻杆。目前的方案基本是将机械手臂安装在专门的可移动立柱上，各种方案主要区别在于手臂个数、手臂构件运动方式及手臂自由度不同，但在结构简洁性与控制灵活性方面都存在一些不足，而国内在这方面的研究几乎是空白。

发明内容：

本实用新型所要解决的技术问题就是研制一种钻杆自动排放机械臂，使得钻杆立根能够在铅垂及前后两个自由度内自动移送，实现安全高效海上钻井平台钻杆的自动排放。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：钻杆自动排放机械臂具有柱形结构，中心设计有立柱，立柱底部坐落在钻井平台专用轨道上，顶部安装在二层平台专用轨道上，立柱设计有两个自由度，可沿平行型排放架专用轨道移动，以便钻杆立根在不同的排放架位置进行操作，立柱还可以绕自身轴线左右旋转。在立柱上下部位分别安装了举升臂组件和引导臂组件两个机械手臂，两个手臂的末端均装有夹持手爪可以稳定地抓住钻杆立根，立柱带动手臂旋转，可以实现钻杆立根选择面向井口或面向排放架。面向井口时，可以允许钻机在井口进行立根操作，面向排放架时，可以允许对排放架取放钻杆立根。安装于立柱上下的两个机械手臂相对于立柱都具有两个自由度，可以实现两个机械手臂夹持手爪同步上下移动或同步前后移动，从而可以提放钻杆立根或前后送取立根。

安装于立柱上部的举升臂组件由举升主臂、举升副臂、举升臂上支架、伸缩液压缸、举升液压马达、举升臂下支架、举升齿条、举升臂夹持手爪等组成，举升臂上支架空套在立柱上，其下方立柱的两侧固定有齿条，举升臂下支架安装在有齿条的立柱上，内装齿轮减速机构和举升液压马达，举升臂上、下支架之间安装伸缩液压缸，举升主臂的一端与上支架铰接，另一端与举升臂夹持手爪的下部相连接，举升副臂一端铰接在下支架底部，另一端铰接在举升主臂中点。在此基础上，设计了分别平行于举升副臂、立柱、举升主臂的三条附加支撑臂，三条附加支撑臂的一端铰接在一起，另一端各自分别铰接在举升臂下支架上部、举升主臂中点、举升臂夹持手爪上部，这样三条附加支撑臂就与举升主臂及举升副臂构成了两个平行四边形虚约束机构，举升臂组件整体可以沿立柱上下移动，它是由齿轮齿条机构来完成的，举升臂液压马达驱动齿轮减速机构，通过齿轮齿条作用可实现举升臂组件整体上下移动。举升臂组件设计有上下两个支架，下支架以转动副与举升副臂连接，上支架以移动副与举升主臂连接，举升臂夹持手爪的水平取送运动是靠椭圆仪机构原理实现的，举升臂液压缸驱动上支架沿立柱轴线上下运动，则夹持手爪将在水平面内做前后直线运动，可实现钻杆立根靠近或远离立柱。

安装在立柱下部的引导臂组件由引导主臂、引导臂支架、引导臂液压缸、引导副臂、连接块和引导臂夹持手爪组成，引导主臂由两条相平行的臂构成，分别铰接在引导臂支架上，它们的另一端都铰接在连接块上，连接块上还铰接有引导副臂，引导副臂也由两条互相平行的臂构成，引导副臂的另一端连接在引导臂夹持手爪上，引导主臂与引导副臂也构成了两个平行四边形虚约束机构。在引导臂支架和引导副臂之间安装引导臂液压缸。引导臂组件也具有两个自由度，其中一个自由度由引导臂液压缸实现，另一个自由度由举升臂组件通过立根传递实现。