CN103438326B - 履带式自适应管道爬行器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种履带式自适应管道爬行器,包括夹持单元、爬行单元和控制单元;爬行单元包括两套履带单元,两个从动锥齿轮、两个张紧轮和一个主动锥齿轮,共同与锥形齿履带传动连接,构成一套履带单元;控制单元包括电控盒,电控盒还与所有同步电机控制连接,每个同步电机分别设置有一个扭矩传感器。本发明的履带式自适应管道爬行器,解决了现有技术不能适应水平井和大位移井不同管径的电缆铺设,驱动力不足,不能克服弯曲管道的爬行,内外侧速度不一致,井段附着力差的问题。可应用于石油勘探,城市管道铺设等场合。

Description

履带式自适应管道爬行器
技术领域
[0001] 本发明属于机械设备技术领域,涉及一种履带式自适应管道爬行器。
背景技术
[0002] 在石油钻井技术中,水平井和大位移井得到了快速的发展,但由于受到井眼工况条件限制,对于井斜度较大,水平井段较长的井段,现有的地面管道牵引器下放井下仪器测井变得很难,依靠设备自身的重力已经无法把井下仪器下到井底,迫切需要相应的技术和工装解决此问题。
[0003] 现有的地面管道牵引器已有很多,也出现了一些井下用的爬行器,但在一定程度上存在一些不足,比如变径能力差、井壁或管壁附着力小、容易打滑卡阻、适应井径范围小、驱动能力不足,越障能力差等,还有就是遇到弯曲井段内外侧对应速度不一致时,容易发生卡阻的问题。
[0004] 因此,开发灵活可靠,能够连续运动,具备一定的驱动能力的辅助工具,完成井下电缆、仪器的铺设和投放,显得十分迫切。另外,在城市的地下管道内铺设电缆,以及石油钻井设备的管道、线槽内铺设电缆等场合,对此类设备也有迫切的需求。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种履带式自适应管道爬行器,解决了现有技术不能适应水平井和大位移井不同管径的电缆铺设,驱动力不足,不能克服弯曲管道的爬行,内外侧速度不一致,井段附着力差的问题。
[0006] 本发明所采用的技术方案是,一种履带式自适应管道爬行器,其特征在于:包括夹持单元、爬行单元和控制单元。
[0007] 本发明的履带式自适应管道爬行器,其特征还在于:
[0008] 夹持单元的结构是,包括卡盘体,卡盘体的轴心通孔称为中间过线孔,卡盘体的前端面上向心安装有三组卡爪,三组卡爪的内圆表面一起构成弧形夹持座,每组卡爪设置有沉头调节螺栓,三组卡爪设置有卡爪驱动机构。
[0009] 爬行单元的结构是,包括固定在卡盘体后端面的支撑筒,支撑筒的中段设置有凸肩,该凸肩内安装有电控盒,支撑筒上沿直径方向对称设置有两套履带单元,
[0010] 每套履带单元包括设置在支撑筒前、后段外表面的两组末端固定座A,每组末端固定座A套装有伸缩短节,伸缩短节另一端套装在固定架套筒A中,并且伸缩短节该端头与固定架套筒A内底之间设置有阻尼弹簧A,固定架套筒A的端头安装有固定架A,每个固定架A中设置有一个从动锥齿轮;
[0011] 在支撑筒的凸肩前、后外表面另外设置有两组末端固定座B,每组末端固定座B另一端与固定架套筒B套接,固定架套筒B与末端固定座B底端之间设置有阻尼弹簧B,固定架套筒B另一端固定安装有固定架B,每个固定架B上设置有一个张紧轮;
[0012] 在两个末端固定座B之间的凸肩外表面上还固定安装有一组电机底座,电机底座上安装有同步电机和主动锥齿轮,同步电机与主动锥齿轮传动连接;
[0013] 至此,上述的两个从动锥齿轮、两个张紧轮和一个主动锥齿轮,共同与锥形齿履带传动连接,构成一套履带单元。
[0014] 同步电机每侧均设置有两套,四个同步电机分别设置有一个扭矩传感器。
[0015] 控制单元包括电控盒,电控盒还与四个同步电机控制连接,各个压力传感器、各个扭矩传感器连接均与电控盒信号连接。
[0016] 本发明的有益效果是:采用可伸缩短节和阻尼弹簧设置,解决了现有的爬行器变径能力差问题,能适用水平井和大位移井变径的井眼或管道内的爬行。现有的爬行器对井壁或管壁附着力小,容易打滑卡阻,越障能力差,本发明采用履带式的爬行方式,把以往爬行器的点接触改为面接触,大大的提高了附着力,同时通过柔性的履带,几乎可以克服各种阻碍,越障能力大大提升。现有的爬行器驱动能力不足,本发明采用了两组双电机驱动模式给系统提供动力,可以很好的保证驱动力。现有的爬行器在弯曲井段内的爬行,由于弯曲井段内外侧对应速度不一致,容易卡阻等,本发明采用内外侧单独控制模式,通过控制内外侧的运动速度,很好的完成弯曲井段的过渡爬行。现有的爬行器大都没有防拉伤等保护措施,本发明安装了多个传感器,测量拉力和压力,通过内置的控制器实现了智能防护,实现自动控制调节和纠正爬行姿态,并根据传感器的信号实现防拉伤等保护。
附图说明
[0017] 图1是本发明装置的结构示意图;
[0018] 图2是本发明装置的夹持单元剖视图(图1中的A-A截面);
[0019] 图3是本发明装置的同步电机的局部剖视图(图1中的B-B截面)。
[0020] 图中,1.卡爪,2.中间过线孔,3.卡盘体,4.从动锥齿轮,5.固定架A,6.固定架套筒A,7.阻尼弹簧A,8.伸缩短节,9.末端固定座A,10.锥形齿履带,11.张紧轮,12.固定架B,13.固定架套筒B,14.阻尼弹簧B,15.末端固定座B,16.压力传感器,17.主动锥齿轮,18.同步电机,19.电机底座,20.扭矩传感器,21.电控盒,22.支撑筒,23.加强筋,24.沉头调节螺栓,25.弧形夹持座。
具体实施方式
[0021] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0022] 本发明履带式自适应管道爬行器的结构是,包括夹持单元、爬行单元和控制单元。
[0023] 如图1、图2所示,夹持单元的结构是,包括卡盘体3,卡盘体3的轴心通孔称为中间过线孔2,卡盘体3的前端面上向心安装有三组卡爪1,三组卡爪I的内圆表面一起构成弧形夹持座25,每组卡爪I设置有沉头调节螺栓24,三组卡爪I设置有卡爪驱动机构。
[0024] 该夹持单元结构及原理同机床上的三爪卡盘类似,通过沉头调节螺栓24可以控制三组卡爪I的向心位置,适合夹持一定范围内的线缆(或设备),由于采用三爪卡盘结构,可以很好的保证对心,使得被夹持线缆(或设备)始终位于卡盘体3的轴心线。
[0025] 参照图1,爬行单元的结构是,包括固定在卡盘体3后端面的支撑筒22,被夹持线缆能够从支撑筒22内腔通孔穿过,支撑筒22的中段设置有凸肩,凸肩两端与支撑筒22设置有加强筋23,该凸肩中安装有电控盒21,支撑筒22上沿直径方向对称设置有两套履带单元,每套履带单元包括设置在支撑筒22前、后段外表面的两组末端固定座A9,每组末端固定座A9套装有可调节的伸缩短节8,伸缩短节8另一端套装在固定架套筒A6中,并且伸缩短节8该端头与固定架套筒A6内底之间设置有阻尼弹簧A7,固定架套筒A6的端头安装有固定架A5,每个固定架A5中设置有一个从动锥齿轮4 ;
[0026] 在支撑筒22的凸肩前、后外表面另外设置有两组末端固定座B15,每组末端固定座B15另一端与固定架套筒B13套接,固定架套筒B13与末端固定座B15底端之间设置有阻尼弹簧B14,固定架套筒B13另一端固定安装有固定架B12,每个固定架B12上设置有一个张紧轮11 ;
[0027] 在两个末端固定座B15之间的凸肩外表面上还固定安装有一组电机底座19,电机底座19上安装有同步电机18和主动锥齿轮17,同步电机18与主动锥齿轮17传动连接;
[0028] 至此,上述的两个从动锥齿轮4、两个张紧轮11和一个主动锥齿轮17,共同与锥形齿履带10传动连接,构成一套履带单元;沿直径对称的两套履带单元分别与所在的井径接触,实现爬行功能。
[0029] 从动锥齿轮4通过固定架A5、固定架套筒A6、阻尼弹簧A7、可调节的伸缩短节8和末端固定座A9实现支撑及伸缩动作。伸缩短节8用来调节从动锥齿轮4的伸出长度,以适应不用孔径的需求,由于从动锥齿轮4的伸缩是柔性的,随着空间孔径的变小,从动锥齿轮4跟随固定架A5在阻尼弹簧A7的作用下在固定架套筒A6内可以自由伸缩,实现在一定范围内不均匀井径内的自动调节。
[0030] 锥形齿履带10是执行爬行的核心部件,用于附着到管壁或井壁上,实现稳定可靠的爬行。现有的轮式爬行机构,其接触为点接触,在管道中或井中遇到障碍容易卡阻,造成不必要的麻烦。而本发明为履带结构,其接触为面接触,几乎可以实现任何情况下的越障,保证稳定可靠的爬行。
[0031] 张紧轮11通过固定架B12、固定架套筒B13、阻尼弹簧B14和末端固定座B15实现支撑及伸缩动作。张紧轮11跟随固定架B12在阻尼弹簧B14的作用下在固定架套筒B13内可以自由伸缩,以自适应不同井径时锥形齿履带10均有一定预紧力,保证驱动轮和从动轮与履带的可靠接触,大大提高驱动和执行的效率。由于从动锥齿轮4为了适应不同井径需要调节高度,容易造成履带松弛,同时当遇到复杂井况时,需要大扭矩驱动爬行,如果没有张紧轮11,可能出现打滑或丢转,所以张紧轮11是本装置的关键部件。
[0032] 每侧的两套同步电机18用于提供爬行的驱动力,四个同步电机18分别设置有各自的扭矩传感器20。本发明采用两套双电机驱动的方式,两个同步电机18两端通过扭矩传感器20把扭矩传递给一个主动锥齿轮17,每个主动锥齿轮17带动一个锥形齿履带10运动实现爬行,驱动能力显著提高。
[0033] 如图3所示,控制单元的结构是,包括电控盒21,电控盒21还与四个同步电机18控制连接,四个同步电机18分别连接有一个扭矩传感器20,各个压力传感器16、各个扭矩传感器20连接均与电控盒21信号连接。四个压力传感器16用于检测四组张紧轮11承受的压力,四个扭矩传感器20用于检测四组同步电机18输出的扭矩值,提供给电控盒21实现闭环控制。特别是在弯曲井段的爬行情况,由于内外侧的井径不同,需要两个锥形齿履带10具有不同的爬行速度,否则会出现卡阻现象。当走到弯曲井段,压力传感器16检测到内外侧的张紧轮11所受的压力,压力大的一侧为内侧,此时需要电控盒21中控制模块采集到此信号后,输出驱动信号给内侧的两组同步电机18,让内侧同步电机18降低驱动转速,以实现弯曲井径内的爬行,随着内外侧的压差的变化而自适应的调节电机输出转速,当恢复到直井段,压力传感器16检测到内外侧压差趋于零,恢复两侧为同步转速,保证整个设备的平稳爬行。由于配备了扭矩传感器20,即可实现系统的防拉断保护,在控制器中预先输入允许最大输出扭矩,当爬行过程中,超过此限制,通过内部逻辑保护程序,实现停止爬行或退出等。
[0034] 另外,在控制单元中安装声光报警装置即可实现报警功能,安装存储设备即可实现故障记录和查询,系统供电根据需要选用电缆供电或电池供电。
[0035] 本发明装置工作时,首先把电缆(或需要输送的井下仪器)固定到夹持单元中,根据被牵引的电缆(或井下仪器)允许的最大牵引力,在控制单元中设定好极限牵引拉力值,根据管道或井眼直径,调节各个伸缩短节8的伸出长度,以预适应待爬行的内径尺寸;然后设定好所有同步电机18的驱动数值,即可进行下井作业。

Claims (3)

1.一种履带式自适应管道爬行器,其特征在于:包括夹持单元、爬行单元和控制单元, 所述的夹持单元的结构是,包括卡盘体(3),卡盘体(3)的轴心通孔称为中间过线孔(2),卡盘体(3)的前端面上向心安装有三组卡爪(I),三组卡爪(I)的内圆表面一起构成弧形夹持座(25),每组卡爪(I)设置有沉头调节螺栓(24),三组卡爪(I)设置有卡爪驱动机构; 所述的爬行单元的结构是,包括固定在卡盘体(3)后端面的支撑筒(22),支撑筒(22)的中段设置有凸肩,该凸肩内安装有电控盒(21),支撑筒(22)上沿直径方向对称设置有两套履带单元, 每套履带单元包括设置在支撑筒(22)前、后段外表面的两组末端固定座A(9),每组末端固定座A (9)套装有伸缩短节(8),伸缩短节(8)另一端套装在固定架套筒A (6)中,并且伸进固定架套筒A(6)中的伸缩短节(8)端头与固定架套筒A(6)内底之间设置有阻尼弹簧A(7),固定架套筒A(6)的端头安装有固定架A(5),每个固定架A(5)中设置有一个从动锥齿轮⑷; 在支撑筒(22)的凸肩前、后外表面另外设置有两组末端固定座B(15),每组末端固定座B(15)另一端与固定架套筒B(13)套接,固定架套筒B(13)与末端固定座B(15)底端之间设置有阻尼弹簧B (14),固定架套筒B (13)另一端固定安装有固定架B (12),每个固定架B(12)上设置有一个张紧轮(11); 在两个末端固定座B(15)之间的凸肩外表面上还固定安装有一组电机底座(19),电机底座(19)上安装有同步电机(18)和主动锥齿轮(17),同步电机(18)与主动锥齿轮(17)传动连接; 至此,上述的两个从动锥齿轮(4)、两个张紧轮(11)和一个主动锥齿轮(17),共同与锥形齿履带(10)传动连接,构成一套履带单元。
2.根据权利要求1所述的履带式自适应管道爬行器,其特征在于:所述的同步电机(18)每侧均设置有两套,四个同步电机(18)分别设置有一个扭矩传感器(20)。
3.根据权利要求1所述的履带式自适应管道爬行器,其特征在于:所述的控制单元包括电控盒(21),电控盒(21)还与四个同步电机(18)控制连接,各个压力传感器(16)、各个扭矩传感器(20)连接均与电控盒(21)信号连接。
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