CN203515388U - 一种新型自动排管机械手 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种钻机二层台管柱排管用的新型机械手。本机械手包括：导轨机构1、小车2、法兰基座3、机械臂4和6、联动铰座5、夹持钳7、电液气控制系统等。小车位于导轨机构内，并能在导轨机构内直线移动。并且小车可输出一旋转轴，旋转轴可驱动机械臂实现旋转运动。机械臂由前、后臂两节组成，后臂末端铰接有油缸，油缸可实现后臂的摆动，前臂通过联动铰座机构连接于后臂。前臂前端安装有夹持钳，夹持钳时夹钳手指与立柱之间保留一定的间隙，并且夹持钳头部有限位机构，防止立柱脱出。本实用新型机械手主要用于钻井二层台上替代井架工移运管柱，实现了管柱排放过程的自动化，极大地提高了作业率和安全性，避免井架工在恶劣、危险的环节下工作。

Description

一种新型自动排管机械手

技术领域

本发明属于石油设备技术领域，涉及一种钻机二层台管柱自动排放的机械手。 

背景技术

在我国现有钻井作业中，起下钻时立根在二层台上的抓取与排放还是依靠人工。起下一柱立根需要井架工站在三十多米的高空，依靠双手来移动立根上部，完成一柱立根的起下作业。井架工在二层台上作业时，集繁重的体力劳动、恶劣的工作环境、危险的高空作业于一身，而且效率较低，任何一个环节出现问题都容易发生事故。为了解决目前这种传统作业费时、费力、效率低、环境恶劣、安全性差的问题，国内开发了一些类似机械抓手的二层台管柱排放装置，但受国内高端装备研发和制造水平的限制，都还处于研究试验阶段，没有取得很好的应用。 

中国专利申请：201120075828.5二层台管柱排放系统；200320109918.7石油钻机二层台机械手；200520125802.1井架二层平台使用的动力机械臂；200520125802.1和200320109918.7仅涉及一种井架二层台使用的动力机械手臂，只提供钻井施工过程中特定某点对管柱的抓取和释放动作，即只能定点转动，没有集成在二层台面的直线运动单元，不具备良好的排管功能；专利200520125802.1的夹钳部分与手臂部分机械结构较为复杂和笨重，均采用双液压缸联动控制，由于夹钳必须保持水平去夹持管柱决定了两机械臂的运动是关联的，这就要求液压控制系统较为复杂（比如压力检测点较多和需要有补偿回路等），同时其钳口部分采用滚轮结构夹持管径范围不可调；专利200320109918.7为一种低位安装用的机械手，采用单臂平行四边形机构，单臂过长且不可折叠存在排管过程中管柱晃动较大，进出指梁较困难；专利201120075828.5为一种自动化的排放机械手系统，具有丝杠导轨和旋转结构，可实现一定程度二层台管柱的自动排放，机械臂和机械手部分都采用了双油缸联动控制，机械手的水平运动是靠传感器不断检测和调节油缸来实现，而不是靠四边形结构本身，结构和控制复杂；夹钳部分采用了柱塞油缸活塞直接推动钳牙板抱紧管柱的工作方式，整个机械臂受力和力矩较大，导致机械臂必须设计为比较笨重，总的来说，这种机械手，结构较为庞大，与二层台的适应性差，可维护性差。 

鉴于以上机械手存在的问题，本发明采用一种新型轻便结构设计，提供一种夹持性能安全高效、组装快捷、与国内二层台适应性好、后期维护性好的开放式管柱自动排放系统解决方案。 

发明内容

本发明提供了一种轻便型钻机二层台管柱排管用机械手，在自动控制技术的支持下，利用该机械手能将管柱自动放入或取出二层平台的指梁，实现管柱排放过程自动化，解决了现有二层台管柱排放靠人作业，工作环境恶劣、工作效率低、作业风险高、劳动强度大的问题。 

本发明采用的技术方案是，一种新型自动排管机械手由导轨机构、小车、机械臂、夹持钳、电液气控制系统组成。导轨机构与二层台猴台进行一体化设计，小车可在导轨机构内直线移动。小车可输出一旋转轴，旋转轴上固结有一法兰基座，法兰基座下方安装有一组机械臂，旋转机构可驱动机械臂实现旋转运动。小车在导轨机构内移动的距离及旋转轴旋转的角度，均可由安装的传感器进行测量。机械臂由前臂、后臂组成，并均为平行四边形机构，后臂末端铰接于法兰基座上，前臂末端依靠联动铰座铰接于后臂前端，并且可绕各自铰点摆动，动力通过铰座传递给前臂。在后臂末端铰接有油缸，油缸另一端铰接于法兰基座上，并且利用位移传感器测试油缸伸缩行程，进而精确控制整个机械臂的作业半径。前臂前端安装有夹持钳，夹持钳可自动调节开度，使得夹钳手指与立柱之间保留一定的间隙，并且夹持钳头部有限位机构，防止立柱脱出。并且在机械臂上安装有视频监控系统，可直观看到立柱在夹持钳内的状态。 

本发明的有益效果是，提供一种二层台管柱的自动排放解决方案，排放立根作业与现有的人工操作相比，省去了井架工，降低了工人的劳动强度，避免了人身伤害，提高了作业效率。设备本身结构轻便紧凑，操作方便，对钻机二层台改动量小，可以全自动抓取、排放管柱，全程可视频监控，可省去井架工，由司钻完成二层台的排管作业。与现有设备相比，机械结构得到简化，体积和重量大大减少，设备成本降低而安全可靠性大幅提高，在设备搬运和安装时更快，后期可维护性更好，具有显著的经济效益和社会效益。 

附图说明

图1是本发明自动排管机械手的展开状态示意图； 

图2是本发明导轨机构结构示意图；

图3是本发明小车结构示意图；

图4是本发明机械臂结构示意图；

图5是本发明夹持钳结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-5描述本发明的一种实施案例（本发明的示意性实施案例及其说明用于详细解释本专利的实施目的、技术方案和优点，但并不作为对本专利的限定）。 

如图1所示，本发明装置的结构示意图。本发明装置包括由导轨机构1、后臂4、前臂6、夹持钳7等部分组成。其中：导轨机构与二层台猴台进行一体化设计，小车可携带机械臂在导轨内直线移动。机械臂分前、后臂两节，前、后臂通过联动铰座铰接在一起。机械臂均为平行四边形结构，后臂末端与法兰基座之间铰接有伸缩油缸，前臂末端通过联动铰座铰接在后臂前端，后臂油缸伸缩时，动力经过后臂，过联动铰座，输出到前臂，进而使得机械臂前伸与收回。前臂前端安装有夹持钳，实现对立柱的包络夹持操作。夹钳的开合，机械臂的伸缩与旋转，配合小车的直线移动，即可实现不同位置对管柱的抓取与摆放动作，通过计算机程序控制即能实现二层台立柱的自动排放。 

图2所示为本发明的导轨机构1与移动小车2，导轨机构1与二层台猴台一体化设计，是整个自动排管机械手的安装运行基础。整个框架的两边铺设有平行导轨8，小车2通过滑动轴承9安装于导轨上。导轨机构上平面安装有固定齿条10，与其配合齿轮安装于小车2内，驱动装置通过驱动齿轮转动，实现小车在导轨内的直线移动。 

图3为小车内部结构示意图，由图可知小车由壳体12、齿轮传动箱13-14、齿轮箱驱动马达20、蜗轮蜗杆减速器16、蜗轮蜗杆减速器驱动马达15、滑动轴承9组成。马达20驱动齿轮传动箱内齿轮转动，通过齿轮13与导轨机构内固定齿条10啮合，将直线移动的动力传递给小车。马达15驱动蜗杆转动，进而带动涡轮旋转，将旋转动力输出到机械臂上，另外本装置还很好的利用了蜗轮蜗杆机构的反向自锁性。 

图4为机械臂结构示意图，机械臂由前臂4、联动铰座5、后臂6及法兰基座3组成，前后臂均平行四边形结构，通过法兰基座与小车旋转输出轴相连，后臂与法兰基座铰连，伸缩油缸分别与后臂和基座相连，可以实现后臂绕法兰基座铰点摆动。前臂通联动基座与后臂前端铰链一起，保证了这两个臂摆杆机构的运动关联，根据平行四边形对边始终平行的特点，当油缸活塞杆动作使后臂绕小车法兰基座铰点摆动时，前臂的前端亦产生相对运动，并总能保持水平，保证了抓取管柱时夹持钳始终处于水平位置，油缸活塞杆行程决定了控制整个自动排管机械手的作业半径。 

图5为夹持钳结构示意图，夹持钳主要由钳头挡块16、手指17、若干连杆18，驱动油缸19等组成。通过夹钳油缸行程控制，带动连杆使手指做不同程度的张合运动以适应不同外径的钻杆或钻铤立根需要。钳头挡板处安装有扭簧，手指内装有气缸。抓管时，气缸此时为空行程不动作，管柱挤开钳头挡板进入钳头内部，油缸收缩，夹臂包络管柱，不夹紧，钳头挡板在扭簧的扭力作用下自动闭合，保证运动过程中夹持的安全性。释放管时，反行程通气，气缸活塞杆拉开钳口挡板，机械臂收回，夹持钳移出。 

整套设备的主要特点是：（1）系统轻便、紧凑，该机械手为轻量化设计，采用拨、拉、推、移的工作方式，机械结构得到简化，体积和重量大大减少，在设备搬运和安装时速度更快。（2）作业效率高：该机械手利用双四边形结构省略了一个油缸，操作流程及控制系统更简单灵活。（3）机电液一体化控制技术：采用液压驱动方式，包括2个油缸和2个低速大扭矩油马达，对机械手和机械臂的运动轨迹进行控制。（4）兼容性好：二层台猴台与导轨机构进行一体化设计，未改变原有二层台管柱排放区及井架工行走空间，可方便快捷地应用于新、旧钻机上。（5）设备费用和维护成本低，与现有技术相比，系统整体上结构紧凑轻便，零部件减少，成本低，通用性强，后期可维护性强，适应国内钻井和修井作业的特点。 

以上所述的具体实施案例，对本发明专利的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明专利的一种具体实施而已，凡在本发明专利的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种新型自动排管机械手，其特征在于：所述机械手由导轨机构、小车、机械臂、夹持钳组成；导轨机构与二层台猴台一体化设计，在导轨机构内安装有小车，小车可在导轨机构内直线移动，小车可输出一旋转轴；旋转轴下方有一组机械臂，机械臂上安装有夹持钳。

2.根据权利要求书1所述的新型自动排管机械手，其特征在于：所述导轨机构与二层台猴台一体化设计，导轨机构替代了二层台猴台。

3.根据权利要求书1所述的自动排管机械手，其特征在于：所述小车安装于导轨机构内，并可在导轨机构内直线移动，小车可输出一旋转轴，旋转轴上固结有一法兰基座，法兰基座下方安装有一组机械臂，小车在导轨机构内移动的距离及旋转轴旋转的角度，均可由安装的传感器进行测量。

4.根据权利要求书1所述的自动排管机械手，其特征在于：所述一组机械臂均为平行四边形机构，该组机械臂由后臂及前臂组成；后臂末端铰接于法兰基座上，在后臂末端铰接一油缸，油缸另一端铰接于法兰基座上；后臂前端通过联动铰座机构与前臂末端相连，前臂前端安装有夹持钳；且后臂铰接的油缸处安装有位移测量传感器及机械臂上安装有视频系统。

5.根据权利要求书1所述的自动排管机械手，其特征在于：所述夹持钳可自动调节开度，夹持时夹持钳两手指与立柱之间保留一定间隙，不夹紧，并且夹持钳钳头处有限位机构，防止立柱脱出。

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