[发明专利]一种管具移运机械手

说明书

技术领域

本发明涉及一种管具移运机械手，特别涉及一种海洋石油钻井平台排放立根钻杆、钻铤作业用的新型管具移运机械手，属于石油钻采设备机械技术领域。

背景技术

排管机是一种石油钻机管子处理系统中的运输机具。在钻井作业中为了快速钻井作业，通常需要提前将钻杆，钻铤和套管多根连接成立根，存放在井架指梁内部。排管机就是在立根被抓取、移运、拆立根和接钻柱的过程中夹持移运立根的机械手。

陆地钻机上的排管机因受作业空间限制基本是单机械手操作。但单机械手抓持立根时只能夹持最上端单根靠上的1/3高度位置，机械手夹持位置下方将近20m长的管具处于失控状态，整个立根在移运过程中晃动很大，难以准确定位。在移运过程中始终需要台面上有一个人扶着立根下段。排管处于半自动化阶段。

海洋钻井平台上作业空间大，需要的管具直径范围广，且国际石油协会要求凡是作业于海上的钻机必须配备自动化管具处理系统，所以排管机的基本都是具备上、下双机械手结构，只有双机械手才能将27米多的管具抓牢。上、下机械手作用的两点位置分别位于立根的第一根和第三根单根的中间位置。上机械手夹持管具，下机械手扶正管具，避免立根左右甩动，尤其是在浮动式平台上，扶正机械手的作用尤为必要。但现有设备上的机械手的机械臂结构形式基本是以下两形式：第一种是上、下机械手的机械臂采用完全相同的2连杆机构(如图17)。该机构上、下机械臂均由一个刚性连杆a、驱动液缸b、滑车架c、轨道立根d和提升装置h组成。其中连杆a的D点固定在滑车架c上，E点与油缸b铰接，A点连接抓持管具的夹钳e；驱动液缸b的F点也固定在滑车架c上；滑车架c通过提升装置可上下运动，各铰接点D、E、A、F通过销轴连接。在运输管具时整个机构靠液缸b的伸缩驱动连杆a的A铰点运动，从而实现夹钳运输夹持的管具的功能。第二种是上、下机械手的机械臂结构不同，上机械臂是平行四边形结构，下机械臂采用双平行四边形连杆机构(如图18)。该机构上臂由一个竖直方向上长度可变的驱动杆FD、一个刚性连杆FE及一个形状为平行四边形的刚性构件ABCD组成，其中AB杆和CD杆等长，BC杆和AD杆等长；并且B点相对A点位置固定，C点相对D点位置固定；E点到A、D两点的距离相等且EF＝AD/2，AF在一条直线上且与DF垂直，ADF形成一直角三角形。CD杆的C、D点铰接在上滑车a上，F点铰接在下滑车b上，下滑车固定在主梁d上，上滑车a可沿主梁d上下滑动；AB杆的A、B连接上机械手q1。驱动杆F点在整个机构运用过程中固定，当仅驱动杆长度发生变化时，上滑车a沿主梁d上下滑动，从而带动上机械手q1在水平方向做直线运动。下臂由一个可绕铰点旋转的驱动杆XY、两个形状可变但始终是平行四边形的刚性构件GHKI和LMON组成，其中GI杆、HM杆、MO杆和LN杆等长；IK杆、GH杆、LM杆和NO杆等长；HK杆和MO杆的四个铰点H、K、M、N铰接在一个刚性构件上，且构成与水平面平行的等腰梯形；L、N连接下机械手q2；驱动杆XY的Y点铰接在连杆NO上。当驱动杆XY长度发生变化时，X点位置固定，XY杆围绕X点旋转，从而带动下机械手q2在水平方向做直线运动。上、下机械手同时同步动作，即可实现移运管具f的工作(如f到f’)。

上述两种结构机械手存在以下不足：1、图17所示的机械臂结构中上、下机械臂的结构完全相同，看似简单但在机械臂缩回和伸出过程中，连杆a的A点起始位置与终止位置A’不在同一直线上，其运动轨迹AA’呈弧形，这就造成夹钳的起始位置和终止位置不在同一高度上，也就导致管具在伸出和缩回过程中距离台面的高度不一致。若达到起始位置和终止位置时夹钳高度上的一致，需要在油缸驱动机械臂伸出的同时还要通过提升装置完成D、F点(即滑车架c)竖直方向上的位置调整，控制复杂且速度慢。2、图18所示的机械臂结构中，上、下机械臂的结构不同，上臂是单平行四边形机构；下臂是双平行四边形机构。这种机构克服了图1机构中存在的机械臂在伸出和缩回的同时还要通过提升装置配合调整管具高度的不足，但其又引发了另一个控制上的难题。在移运管具的过程中需要保持上、下机械手同步运动，而这个同步运动的实现是通过位移传感器检测驱动杆的伸缩距离来实现的，通过控制驱动杆的速度来控制机械手伸出的速度。从结构中可以看出上、下机械臂结构不同，驱动杆的位置不同。在运动中上、下两个驱动杆的伸缩距离也是不一样的。进而编程和控制还是很复杂，且调试难度大。3、另外，上述两种结构排管机在单根上卸扣时，整个管具重量都会作用在下边的钻柱上，易造成钻具螺纹损坏。在排放立根时，机械手松开立根的瞬间，立根会对台面造成很大冲击。