CN202520252U - 悬挂式自适应自动钻杆柱排放装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种悬挂式自适应自动钻杆排放装置，是由排管器导轨、液压马达、回转编码器、滑车、蜗轮蜗杆回转装置、丝杠副、伸展液压缸、动臂、三角架、纠偏液压缸、桅杆、升降液压缸、桅杆内导杆、机械手、双轴水平倾角传感器和具有PID调节功能的电液比例控制系统组成，排管器导轨固定在K型井架之二层台的舌台底部，夹持机械手安装基础为双层升降式桅杆结构，外部桅杆通过万向节安装于三角架上，利用两个纠偏液压缸驱动；内部桅杆可沿外部桅杆滑动，内部桅杆在平行四边形伸展机构动作时，可在升降液压缸驱动下上下移动，内部桅杆的升降动作可以是与伸展动作同步的，也可以有明确的先后次序，在接卸钻具过程中，内部桅杆处在平衡浮动状态，平衡和浮动功能是通过特定的液压回路及控制方式实现的。

Description

悬挂式自适应自动钻杆柱排放装置

技术领域

本实用新型涉及一种与陆地钻机K型井架配套使用的自动化钻杆柱排放装置，特别涉及一种悬挂式自适应自动钻杆排放装置。主要用于钻杆柱的自动抓取、运移和顺次排列，特别是其所具有的倾斜及侧摆功能可适应钻杆柱排放的角度偏差，并能在钻杆柱接卸过程中进行自动纠偏，以保证钻杆柱立垂，完成钻杆柱与孔口钻具及顶驱输出轴间的顺利联接，从而实现钻杆柱接卸及排放过程的自动化。

背景技术

在石油钻井、大陆科学钻探等深井钻进过程中，起、下钻作业占据了大量的辅助时间。通常为了节省起、下钻时间，钻杆大多以两根或两根以上的钻杆柱形式进行接卸。钻杆柱有序排列在钻井平台立根盒和二层台指梁之间，对于陆地钻机而言，钻杆柱是垂直排放的。为完成钻杆柱接卸工作，必须有一位钻工在二层台操作吊卡并借助绞车运移钻杆，此项工作劳动强度大且不安全。此外，为了提高钻杆柱的接卸效率，对钻工的操作技能也提出了较高的要求。即便是安装了顶驱的钻井系统，此种繁重的任务依然不能解除

专利公开号CA2661631公开了一种美国威德福公司实用新型的钻杆排放装置，其结构原理是在井架原有二层台基础上安装了一种可旋转的伸缩臂式钻杆排放装置，该装置的运动方式为底座回转、动臂伸缩。该装置利用回转及径向辐射式伸缩功能实现钻杆柱定位、抓取和运移，回转功能可将钻杆柱旋转360°，从而使钻杆柱对准回转轴线，完成接卸操作，该实用新型需要在二层台上加装带有中心开式通道的悬臂横梁，结构复杂，定位控制原理复杂，无法提供传统起、下钻作业方式。该实用新型所采用的机械手为横向开合式，宽度大，难以适应狭窄的钻杆柱间隙。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，而提供一种悬挂式自适应自动钻杆排放装置，用以完全替代人力实现钻杆柱接卸工作，本实用新型主要用于与顶驱配套使用，以提高钻井系统整机自动化程度。

本实用新型是由排管器导轨、液压马达、回转编码器、滑车、蜗轮蜗杆回转装置、丝杠副、伸展液压缸、动臂、三角架、纠偏液压缸、桅杆、升降液压缸、桅杆内导杆、机械手、双轴水平倾角传感器和具有PID调节功能的电液比例控制系统组成，排管器导轨固定在K型井架之二层台的舌台底部，滑车通过滑动导向块悬挂在排管器导轨上，丝杠副设置在排管器导轨下方，丝杠副与滑车联接，液压马达与丝杠副联接，液压马达能驱动丝杠副动作，丝杠副可以带动滑车在排管器导轨上前后滑动，滑车下端的延伸体与动臂连接体之间连接蜗轮蜗杆回转装置，蜗轮蜗杆回转装置与液压马达联接，回转编码器控制蜗轮蜗杆回转装置转动角度为0°～180°，其中，0°、90°和180°可以驻足，动臂连接体的下端与三角架之间铰接有平行四边形动臂，平行四边形动臂的一个对角铰接二只伸展液压缸，桅杆的上端以万向轴铰接在三角架外侧上端，桅杆的下段二侧与三角架的下端二侧之间以球铰各联接一只纠偏液压缸，桅杆中穿设桅杆内导杆，桅杆内导杆从桅杆的二端露出，桅杆内导杆下端内侧与桅杆内侧之间铰接双向升降液压缸，二只机械手分别安装在桅杆内导杆上下端内侧，双轴水平倾角传感器安装在桅杆的中段上，具有PID调节功能的电液比例控制系统实现各个执行机构的动作控制。

本实用新型的工作原理和过程是：

1、液压马达驱动丝杠副带动滑车在排管器导轨移动，进而带动下方的装置前后移动，丝杠副具有自锁性；伸展液压缸工作，带动动臂伸展或收缩，进而带动机械手伸展或收缩；本实用新型在平面上的前后移动及左右伸展或收缩，可以将机械手移动到任何位置抓取钻杆柱并送到指定位置；

2、液压马达驱动蜗轮蜗杆回转装置工作，可以将下方的机械手转到左右二侧进行抓取二侧的钻杆柱，或将下方的机械手转到对空，蜗轮蜗杆回转装置具有自锁功能；

3、当二只纠偏液压缸分别一只不动、另一只伸展时，或反向动作时，可以使桅杆及桅杆内导杆左倾或右倾，当二只纠偏液压缸同时不动时，可以使桅杆及桅杆内导杆居中，进而使机械手能抓取到不同倾斜角度或方向的钻杆柱；

4、桅杆内导杆下端内侧与桅杆内侧之间铰接的双向升降液压缸伸或缩，可以使被抓取的钻杆柱按照设计的轨迹移动。

一、本实用新型之平移机构采用了丝杠-螺母直线导轨作业方式，平移机构可驱动排管装置沿二层台走台方向前后移动，当排管装置旋转至-90°或+90°时，借助于回转编码器可使夹持机械手定位于各行钻杆柱，如图8所示，回转编码器与驱动平移机构的液压马达同轴布置，丝杠采用梯形螺纹，且具有自锁功能，可选配滚珠丝杠。驱动丝杠回转的减速机采用蜗轮蜗杆传动，尤其是采用滚珠丝杠时，必须配置蜗轮蜗杆减速机。

二、本实用新型所采用的回转机构为单液压马达驱动的蜗轮蜗杆传动回转支承，这种一体化的传动机构轻巧灵便，是为本实用新型整机配套的最佳部件。此外，可以选择行星减速机驱动的回转支承替代前述部件，二者区别在于蜗轮蜗杆传动具有自锁性，而采用行星减速机作为传动部件则必须加装制动器，用以实现排管装置在-90°、0°或+90°三个特定位置的准确定位和可靠锁紧。

三、本实用新型采用双液压缸驱动的平行四边形机构以实现钻杆柱逐列抓取，用于定位的传感器采用量程为±90°的单轴水平倾角传感器，所排列钻杆柱的位置利用倾角传感器反馈信号根据机构倾斜角度计算得到。水平倾角传感器结构紧凑，精度高响应速度快，确保钻杆柱列定位准确可靠，抓取迅速。

四、钻杆柱运移至顶驱下方孔口中心时，利用两个耳座内装有关节轴承的液压缸构成小三角纠偏机构，纠偏机构通过加装在桅杆上的双轴水平倾角传感器检测角度偏差，进而控制纠偏液压缸动作，将桅杆调垂，以保证钻杆柱立垂，通常由于钻杆柱较长，机械手夹持部位为钻杆柱上部，因此顶驱与钻杆柱的联接易于完成，但下方联接既有钻具仍须扶正装置辅助作业，对于刚性较好的钻杆柱，纠偏机构的作用更为显著。

五、本实用新型所涉及的夹持机械手安装基础为双层升降式桅杆结构，其中外部桅杆通过万向节安装于三角架上，利用两个纠偏液压缸驱动。内部桅杆可沿外部桅杆所提供的导向结构滑动，滑动副导向块内设有润滑脂槽。内部桅杆在平行四边形伸展机构动作时，可在升降液压缸驱动下上下移动，内部桅杆的升降动作可以是与伸展动作同步的，也可以有明确的先后次序，但同步运动需要应用模拟量作为输入的电液比例控制。此外，在接卸钻具过程中，内部桅杆处在平衡浮动状态，平衡和浮动功能是通过特定的液压回路及控制方式实现的。

本实用新型的实用新型点是：

1、采用悬挂式导轨，直接利用舌台作为基础，与美国的专利公开号CA2661631专利结构差别很大，不同于其他任何一种实现此功能的设备。

2、钻杆柱的抓取按照行、列定位，无须旋转，但钻杆排架左右侧切换及向孔口的运移，借助旋转。

3、利用螺旋传动机构即丝杠副进行精确定位，传动副具有自锁性。

4、伸展机构采用液压缸驱动的紧凑的平行四边形机构。

5、配备升降机构，在伸展过程中，升降机构同时动作，保持所携带钻杆柱按照规定轨迹平稳运行。

6、排管机桅杆具有自动调垂功能，通过小三角机构及桅杆万向节实现，自动调垂系统采用PID控制，可使钻杆接卸过程中自动对中。

7、采用蜗轮-蜗杆传动实现排管机回转，用以进行两侧排架内钻杆的切换，以及对准孔口方向；蜗轮蜗杆传动机构具有自锁性，可准确定位于左，中，右三点。

8、排管机机械手可夹持任意直径的钻杆柱。

本实用新型的有益效果：主要用于钻杆柱的自动抓取、运移和顺次排列，特别是其所具有的倾斜及侧摆功能可适应钻杆柱排放的角度偏差，并能在钻杆柱接卸过程中进行自动纠偏，以保证钻杆柱立垂，完成钻杆柱与孔口钻具及顶驱输出轴间的顺利联接，从而实现钻杆柱接卸及排放过程的自动化。

附图说明

图1是本实用新型的使用状态立体示意图。

图2是本实用新型的抓取装置冲向侧面时的侧视图。

图3是本实用新型的伸展机构伸展开时的示意图。

图4是本实用新型的抓取装置冲向孔口时的侧视图。

图5是本实用新型抓取钻杆柱后伸展机构伸展开时的示意图。

图6是本实用新型抓取钻杆柱后纠偏机构伸工作时的示意图。

图7是本实用新型抓取钻杆柱后伸展机构伸展开时的另一示意图。

图8是钻杆柱排列示意图。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3和图4所示，本实施例是由排管器导轨4、液压马达6、回转编码器7、滑车8、蜗轮蜗杆回转装置9、丝杠副11、伸展液压缸12、动臂14、三角架15、纠偏液压缸16、桅杆17、升降液压缸18、桅杆内导杆19、机械手20、22、双轴水平倾角传感器21和具有PID调节功能的电液比例控制系统13组成，排管器导轨4固定在K型井架之二层台3的舌台底部，滑车8通过滑动导向块悬挂在排管器导轨4上，丝杠副11设置在排管器导轨4下方，丝杠副11与滑车8联接，液压马达6与丝杠副11联接，液压马达6能驱动丝杠副11动作，丝杠副11可以带动滑车8在排管器导轨4上前后滑动，滑车8下端的延伸体81与动臂连接体82之间连接蜗轮蜗杆回转装置9，蜗轮蜗杆回转装置9与液压马达91联接，回转编码器7控制蜗轮蜗杆回转装置9转动角度为0°～180°，其中，0°、90°和180°可以驻足，动臂连接体82的下端与三角架15之间铰接有平行四边形动臂14，平行四边形动臂14的一个对角铰接二只伸展液压缸12，桅杆17的上端以万向轴铰接在三角架15外侧上端，桅杆17的下段二侧与三角架15的下端二侧之间以球铰各联接一只纠偏液压缸16，桅杆17中穿设桅杆内导杆19，桅杆内导杆19从桅杆17的二端露出，桅杆内导杆19下端内侧与桅杆17内侧之间铰接双向升降液压缸18，二只机械手20、22分别安装在桅杆内导杆19的上下端内侧，双轴水平倾角传感器21安装在桅杆17的中段上，具有PID调节功能的电液比例控制系统13实现各个执行机构的动作控制。

本实用新型的工作原理和过程是：请参阅图1、图2、图3和图4并配合图5、图6和图7所示；

1、液压马达6驱动丝杠副11带动滑车8在排管器导轨4移动，进而带动下方的装置前后移动，丝杠副11具有自锁性；伸展液压缸12工作，带动动臂14伸展或收缩，进而带动机械手20、22伸展或收缩；本实用新型在平面上的前后移动及左右伸展或收缩，可以将机械手20、22移动到任何位置抓取钻杆柱2并送到指定位置；

2、液压马达91驱动蜗轮蜗杆回转装置9工作，可以将下方的机械手20、22转到左右二侧进行抓取二侧的钻杆柱2，或将下方的机械手20、22转到对空，蜗轮蜗杆回转装置9具有自锁功能；

3、当二只纠偏液压缸16分别一只不动、另一只伸展时，或反向动作时，可以使桅杆17及桅杆内导杆19左倾或右倾，当二只纠偏液压缸16同时不动时，可以使桅杆17及桅杆内导杆19居中，进而使机械手20、22能抓取到不同倾斜角度或方向的钻杆柱2，如图8所示；

4、桅杆内导杆19下端内侧与桅杆17内侧之间铰接的双向升降液压缸18伸或缩，可以使被抓取的钻杆柱2按照设计的轨迹移动。

Claims (1)

1.一种悬挂式自适应自动钻杆排放装置，其特征在于：是由排管器导轨(4)、液压马达(6)、回转编码器(7)、滑车(8)、蜗轮蜗杆回转装置(9)、丝杠副(11)、伸展液压缸(12)、动臂(14)、三角架(15)、纠偏液压缸(16)、桅杆(17)、升降液压缸(18)、桅杆内导杆(19)、机械手(20；22)、双轴水平倾角传感器(21)和具有PID调节功能的电液比例控制系统(13)组成，排管器导轨(4)固定在K型井架之二层台(3)的舌台底部，滑车(8)通过滑动导向块悬挂在排管器导轨(4)上，丝杠副(11)设置在排管器导轨(4)下方，丝杠副(11)与滑车(8)联接，液压马达(6)与丝杠副(11)联接，液压马达(6)能驱动丝杠副(11)动作，丝杠副(11)可以带动滑车(8)在排管器导轨(4)上前后滑动，滑车(8)下端的延伸体(81)与动臂连接体(82)之间连接蜗轮蜗杆回转装置(9)，蜗轮蜗杆回转装置(9)与液压马达(91)联接，回转编码器(7)控制蜗轮蜗杆回转装置(9)转动角度为0°～180°，其中，0°、90°和180°驻足，动臂连接体(82)的下端与三角架(15)之间铰接有平行四边形动臂(14)，平行四边形动臂(14)的一个对角铰接二只伸展液压缸(12)，桅杆(17)的上端以万向轴铰接在三角架(15)外侧上端，桅杆(17)的下段二侧与三角架(15)的下端二侧之间以球铰各联接一只纠偏液压缸(16)，桅杆(17)中穿设桅杆内导杆(19)，桅杆内导杆(19)从桅杆(17)的二端露出，桅杆内导杆(19)下端内侧与桅杆(17)内侧之间铰接双向升降液压缸(18)，二只机械手(20；22)分别安装在桅杆内导杆(19)的上下端内侧，双轴水平倾角传感器(21)安装在桅杆(17)的中段上，具有PID调节功能的电液比例控制系统(13)实现各个执行机构的动作控制。

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