CN105298413B - 海洋钻井平台管柱自动化移运装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋钻井平台管柱自动化移运装置，解决了现有管柱移运机构自由度低，精确度及连贯性不高等问题。包括底座、机械臂系统及末端执行器，其中的机械臂系统由四根机械臂组成，前两根机械臂较长，可以高效快速的将抓取装置移送到钻杆附近；后两根机械臂较短，刚度也比大臂好，可以补偿大臂带来的精度误差，从而对抓取管柱进行精确定位。另外，机械臂系统及末端执行器处多个关节和自由度的设计使抓取过程中更有连续性，提高了抓取的准确度和灵活性。

Description

海洋钻井平台管柱自动化移运装置

技术领域

本发明涉及一种管柱自动移运装置。

背景技术

在海洋钻井平台中，钻杆等管柱自动传送系统是自动化钻井设备的重要组成部分，它能够完成钻杆的夹持、搬运等操作，代替人工实现钻杆在井口与存储仓库间往复自动传送。它可以有效的提高钻井作业安全性，降低工作人员的劳动强度，缩短作业周期，节约作业成本，提高钻杆传送的自动化水平和工作效率。

目前国内对钻杆自动化传送系统的研究和应用才刚刚起步，钻杆的传送更多的依赖于人工操作或只能实现部分的自动化传送，远不能满足现代自动化钻井的要求。

现有钻杆自动化移运装置大多采用低自由度两到三根机械臂组成，而且两个大臂由于尺寸大，驱动动作停止时也会在末端产生振动，在对钻杆进行抓取时，影响定位与抓取精度，且在钻杆处理过程中不具有连贯性，影响抓取的效率和工作进程。

发明内容

针对上述的问题，本发明提出了一种多自由度管柱自动化移运装置，该装置能够实现管柱排放和抓取的自动化操作，提高了控制过程的精确度和连贯性。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种海洋钻井平台管柱自动化移运装置，包括机体执行系统，以及为执行系统提供动力和控制的液压系统；所述机体执行系统包括底座回转装置、机械臂系统及末端执行器，其中：

所述底座回转装置，包括底座、第一回转支承、第一液压马达、第一回转接头、第一传动齿轮；

所述底座基体为圆柱状，内部中空，底座通过其底部的法兰盘结构螺栓固定在钻井平台上，底座侧壁开有进入口，上述液压系统中的液压站通过该进入口放入底座内，底座上端面中心设有回转支承槽，底座侧面还设有方形凹槽，第一液压马达固定在该方形凹槽内；

所述第一回转支承的内圈为直齿结构，第一液压马达的输出轴与第一传动齿轮键连接，第一传动齿轮与第一回转支承内圈的直齿结构相啮合，第一传动齿轮与第一回转支承坐入回转支承槽内，第一回转支承的外圈螺栓连接在底座上；

所述第一回转接头，包括底盘及铰支座，铰支座焊接在底盘中心，底盘与回转支承的内圈螺栓连接。

所述机械臂系统，包括第一臂、第二臂、第三臂及第四臂，臂内部中空，第一臂与第二臂等长，第三臂与第四臂等长，第一臂是第三臂长度的5-8倍，第一臂至第四臂的横截面积逐级递减，其中第一臂的尾端与第一回转接头的铰支座铰接，第一臂的两侧与铰支座之间分别设置第一液压缸，第一臂的前端与第二臂的后端铰接，第二臂的尾端与第一臂的上端之间设置第二液压缸，第二臂的前端与第三臂的后端铰接，第三臂的尾端与第二臂的上端之间设置第三液压缸，第三臂的前端与第四臂的尾端铰接，第四臂的中部与第三臂的中部之间设置第四液压缸，第四臂的前端铰接末端执行器；上述第一臂与回转接头之间、四个臂之间及第四臂与末端执行器之间共形成5个竖直方向转动关节，且转动关节的轴线相互平行。

所述末端执行器，包括第二回转接头、回转台、第二液压马达、第二回转支承、第二传动齿轮、支架及机械抓手；

所述第二回转接头，包括底盘及铰支座，铰支座与第四臂的前端铰接，铰支座与第四臂之间还连接有第五液压缸，第二液压马达螺栓固定在底盘上；

所述回转台，其上表面设有圆形槽，第二回转支承的外圈与第二传动齿轮相啮合并共同坐入该圆形槽中心，第二回转接头的底盘嵌入该圆形槽内，且第二回转接头的底盘与第二回转支承内圈螺栓连接，回转台与第二回转支承外圈螺栓连接，第二液压马达的输出轴与第二传动齿轮键连接；

所述支架的基体为长条状，其中部铰接在回转台正下方，并在支架与回转台之间设置三角支撑机构；

所述机械抓手，包括夹持式抓手、驱动机构及传力机构，所述夹持式抓手，包括手部、手腕及手臂，夹持式抓手的两根手臂上方分别铰接在上述支架的一端，支架的另一端对称铰接另一夹持式抓手；所述驱动机构包括第六液压缸，第六液压缸垂直固定在两手臂中间的支架下底板上，第六液压缸顶杆的末端固定连接块；所述传力机构，包括偶数根连杆，连杆的两端分别铰接在夹持式抓手的手腕部及连接块之间，上述连杆镜像设置。

本发明的有益效果：

1、首先机械臂系统采用四根机械臂连接，前两根机械臂较长，可以高效快速的将抓取装置移送到钻杆附近；后两根机械臂较短，在对抓取装置的精确定位中有良好的效果。两个大臂在大范围内定位时会产生弹性变形，由于尺寸太大，驱动动作停止时也会在末端产生振动，影响定位与抓取精度，而本设计在末端加了两个小臂，刚度比大臂好，可以补偿大臂带来的精度误差。机械臂系统及末端执行器处多个关节和自由度的设计使抓取过程中更有连续性，提高了抓取的准确度和灵活性；

2、其次，机械臂设计成中空结构，对臂的横截面积设计成逐级递减的形式，第一根臂横截面积最大，第四根臂最小；壁的厚度从第一根大臂开始，逐级递减，有利于减轻机械臂的总体质量；对各机械臂内加有筋板，增加了机械臂的抗弯性能；

3、另外，底座回转装置利用回转支承来实现固定和扭矩传递，结构简单可靠，能够同时承受轴向力、径向力、倾翻力矩等，有利于保持大功率抓取装置在水平旋转过程中的稳定性与安全性；同时液压马达通过小齿轮的传递与回转支承啮合，能够起到减速的效果，使旋转过程平滑可控；

4、最后，液压系统采用双联齿轮泵供油，把等量的油分别输入两个尺寸相同的液压缸，确保机械臂两侧对称液压缸能够同步伸缩，以保证机械臂作业过程中的平稳运行和支撑强度。液压马达是将液压能转化为机械能的装置，可实现连续的旋转运动，此机械装置采用液压马达控制水平面内的旋转运动，易于获得较大的力矩，传递过程比较平稳，能够往复运动，易于防止过载事故；

本发明能够完成海洋石油钻采过程中钻杆抓取任务，节省了工人的劳动强度，提高了工作效率，有效地避免了钻采过程中存在的安全隐患。

附图说明

图1是本发明海洋钻井平台管柱自动化移运装置总装图。

图2是底座回转装置结构图。

图3是图2的局部放大图。

图4是底座的结构示意图。

图5是第一回转支承的结构示意图。

图6是第一回转接头的结构示意图。

图7是机械臂系统的结构示意图。

图8第一臂的结构示意图。

图9是第二臂的结构示意图。

图10是第三臂的结构示意图。

图11是第四臂的结构示意图。

图12是末端执行器的结构示意图。

图13是末端执行器中的第二回转接头、回转台、第二液压马达、第二回转支承及第二传动齿轮连接关系图。

图14是末端执行器与第四臂连接关系图。

图15是第二回转接头的结构示意图。

图16是回转台的结构示意图。

图17是支架的结构示意图。

图18是支架与回转台连接图。

图19是机械抓手的结构示意图。

图20是夹持式抓手的结构示意图。

图21是连接块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

一种海洋钻井平台管柱自动化移运装置，包括机体执行系统，以及为执行系统提供动力和控制的液压系统；由图1所示：所述机体执行系统包括底座回转装置1、机械臂系统2及末端执行器3，其中：

由图2结合图3所示：所述底座回转装置1，包括底座1-1、第一回转支承1-2、第一液压马达1-3、第一回转接头1-4、第一传动齿轮1-5。

由图4结合图3所示：所述底座1-1基体为圆柱状，内部中空，底座1-1通过其底部的法兰盘结构螺栓固定在钻井平台上，底座侧壁开有进入口1-1-1，上述液压系统中的液压站通过该进入口1-1-1置于底座1-1内，底座1-1上端面中心设有回转支承槽1-1-2，底座1-1侧面还设有方形凹槽1-1-3，第一液压马达1-3固定在该方形凹槽1-1-3内。

由图5结合图2所示：所述第一回转支承1-2的内圈为直齿结构1-2-1，第一液压马达1-3的输出轴与第一传动齿轮1-5键连接，第一传动齿轮1-5与第一回转支承内圈的直齿结构1-2-1相啮合，第一传动齿轮1-5与第一回转支承1-2坐入底座的回转支承槽1-1-2内，第一回转支承1-2的外圈螺栓连接在底座1-1上。

由图6结合图2所示：所述第一回转接头1-4，包括底盘1-4-1及铰支座1-4-2，铰支座1-4-2焊接在底盘1-4-1中心，底盘1-4-1与第一回转支承1-2的内圈螺栓连接。

由图7结合图8、图9、图10及图11所示：所述机械臂系统2，包括第一臂2-1、第二臂2-2、第三臂2-3及第四臂2-4，所有的臂为空心臂，其中：第一臂2-1与第二臂2-2等长，第三臂2-3与第四臂2-4等长，第一臂2-1是第三臂2-3长度的5-8倍，第一臂2-1至第四臂2-4的横截面积逐级递减； 第一臂2-1的底部与第一回转接头的铰支座1-4-2铰接，第一臂2-1的两侧与铰支座1-4-2之间分别设置第一液压缸2-5，第一臂2-1的顶部与第二臂2-2的下部铰接，第二臂2-2的底部与第一臂2-1的上部之间设置第二液压缸2-6，第二臂2-2的顶部与第三臂2-3的中部铰接，第三臂2-3的底部与第二臂2-2的上部之间设置第三液压缸2-7，第三臂2-3的顶部与第四臂2-4的底部铰接，第四臂2-4的中部与第三臂2-3的上部之间设置第四液压缸2-8，第四臂2-4的顶部铰接末端执行器3；上述第一臂2-1与第一回转接头1-4之间、四个臂之间及第四臂与末端执行器3之间共形成5个竖直方向转动关节，且转动关节的轴线相互平行。

由图12结合图13所示：所述末端执行器5，包括第二回转接头5-1、回转台5-2、第二液压马达5-3、第二回转支承5-4、第二传动齿轮5-5、支架5-6及机械抓手5-7。

由图14结合图15所示：所述第二回转接头5-1，包括铰支座5-1-1及底盘5-1-2，铰支座5-1-1与第四臂2-4的顶部铰接，铰支座5-1-1与第四臂之间还连接有第五液压缸2-9，第二液压马达5-3螺栓固定在底盘5-1-2上。

由图16结合图13所示：所述回转台5-2，其上表面设有圆形槽5-2-1，第二回转支承5-4的外圈与第二传动齿轮5-5相啮合并共同坐入该圆形槽5-2-1中心，第二回转接头的底盘5-1-2嵌入该圆形槽5-2-1内，且第二回转接头的底盘5-1-2与第二回转支承5-4内圈螺栓连接，回转台5-2与第二回转支承5-4外圈螺栓连接，第二液压马达5-3的输出轴与第二传动齿轮5-5键连接。

由图17、图18结合图14所示：所述支架5-6的基体为长条状，其中部铰接在回转台5-2正下方，支架5-6两端分别设置铰支座5-6-1，并在支架5-6与回转台5-2之间铰接有拉杆5-6-2，支架5-6、回转台5-2及拉杆5-6-2共同形成三角支撑机构。

由图19所示：所述机械抓手5-7，包括夹持式抓手5-7-1、驱动液压缸5-7-2、连接块5-7-3及传力机构；由图20所示：所述夹持式抓手5-7-1，包括手部5-7-1-1、手腕部5-7-1-2及手臂部5-7-1-3，手腕部5-7-1-2处设置铰接结构，夹持式抓手5-7-1的两根手臂5-7-1-3上方分别铰接在支架5-6的铰支座5-6-1上；所述驱动液压缸5-7-2垂直固定在夹持式抓手的两手臂中间的支架下底板上，驱动液压缸5-7-2顶端固定连接块5-7-3；由图21所示：所述连接块5-7-3下方对称设置铰支结构5-7-3-1；所述传力机构，包括偶数根连杆5-7-4，连杆5-7-4的两端分别铰接在夹持式抓手的手腕部5-7-1-2及连接块的铰支结构5-7-3-1之间，上述连杆镜像设置。

下面给出利用本装置作业的过程：

一、抓取管柱过程

1、利用第一液压马达带动第一传动齿轮旋转，由于第一传动齿轮的啮合带动底座的第一回转支承内圈旋转；第一回转支承内圈与第一回转接头相连，因此第一回转接头开始旋转，进而带动整个机械臂系统旋转；

2、驱动四根机械臂，控制机械臂系统中液压缸的伸缩，使第四臂到达要抓管柱的上方，然后调节第四液压缸，使末端执行器能够处于要抓取管柱的正上方；同时需要调节第五液压缸，使末端执行器保持竖直状态；

3、调节第二液压马达，使两夹持式抓手的中心连线与要抓取管柱的轴线平行；

4、伸长驱动液压缸，使夹持式抓手打开，向下移动末端执行器，抓到管柱后收缩驱动液压缸，闭合抓手，完成管柱的抓取过程。

二、释放管柱过程

1、在对管柱完成抓取过程后，调节四根机械臂处液压缸和第一液压马达，将管柱运送到指定位置；

2、调节第四液压缸以及第二液压马达，使管柱处于目标位置稍上处，同时调节第五液压缸，使末端执行器始终保持竖直位置；

3、伸长驱动液压缸，打开夹持式抓手，放下管柱后提升末端执行器高度，收缩驱动液压缸，关闭夹持式抓手，完成对管柱的释放任务。

Claims (1)

1.一种海洋钻井平台管柱自动化移运装置，包括机体执行系统，以及为机体执行系统提供动力和控制的液压系统；所述机体执行系统包括底座回转装置、机械臂系统及末端执行器，其特征在于：

所述底座回转装置，包括底座、第一回转支承、第一液压马达、第一回转接头、第一传动齿轮；

所述底座基体为圆柱状，内部中空，底座通过其底部的法兰盘结构螺栓固定在钻井平台上，底座侧壁开有进入口，上述液压系统中的液压站通过该进入口放入底座内，底座上端面中心设有回转支承槽，底座侧面还设有方形凹槽，第一液压马达固定在该方形凹槽内；

所述第一回转支承的内圈为直齿结构，第一液压马达的输出轴与第一传动齿轮键连接，第一传动齿轮与第一回转支承内圈的直齿结构相啮合，第一传动齿轮与第一回转支承坐入回转支承槽内，第一回转支承的外圈螺栓连接在底座上；

所述第一回转接头，包括第一底盘及第一铰支座，第一铰支座焊接在底盘中心，底盘与第一回转支承的内圈螺栓连接；

所述机械臂系统，包括第一臂、第二臂、第三臂及第四臂，臂内部中空，第一臂与第二臂等长，第三臂与第四臂等长，第一臂是第三臂长度的5-8倍，第一臂至第四臂的横截面积逐级递减，其中第一臂的尾端与第一回转接头的第一铰支座铰接，第一臂的两侧与第一铰支座之间对称设置两个第一液压缸，第一臂的前端与第二臂的后端铰接，第二臂的尾端与第一臂的上端之间设置第二液压缸，第二臂的前端与第三臂的后端铰接，第三臂的尾端与第二臂的上端之间设置第三液压缸，第三臂的前端与第四臂的尾端铰接，第四臂的中部与第三臂的中部之间设置第四液压缸，第四臂的前端铰接末端执行器；上述第一臂与回转接头之间、四个臂之间及第四臂与末端执行器之间共形成5个竖直方向转动关节，且转动关节的轴线相互平行；

所述末端执行器，包括第二回转接头、回转台、第二液压马达、第二回转支承、第二传动齿轮、支架及机械抓手；

所述第二回转接头，包括第二底盘及第二铰支座，第二铰支座与第四臂的前端铰接，第二铰支座与第四臂之间还连接有第五液压缸，第二液压马达螺栓固定在第二底盘上；

所述回转台，其上表面设有圆形槽，第二回转支承的外圈与第二传动齿轮相啮合并共同坐入该圆形槽中心，第二回转接头的第二底盘嵌入该圆形槽内，且第二回转接头的第二底盘与第二回转支承内圈螺栓连接，回转台与第二回转支承外圈螺栓连接，第二液压马达的输出轴与第二传动齿轮键连接；

所述支架的基体为长条状，其中部铰接在回转台正下方，并在支架与回转台之间设置三角支撑机构；

所述机械抓手，包括夹持式抓手、驱动机构及传力机构，所述夹持式抓手，包括手部、手腕及手臂，夹持式抓手的两根手臂上方分别铰接在上述支架的一端，支架的另一端对称铰接另一夹持式抓手；所述驱动机构包括第六液压缸，第六液压缸垂直固定在两手臂中间的支架下底板上，第六液压缸顶杆的末端固定连接块；所述传力机构，包括偶数根连杆，连杆的两端分别铰接在夹持式抓手的手腕部及连接块之间，上述连杆镜像设置。