樊姍

(華中科技大學(xué)文華學(xué)院，湖北武漢430074)

無(wú)論對(duì)于巖心鉆機(jī)還是石油鉆機(jī)而言，提下鉆大約占整個(gè)鉆探過(guò)程的30%，是決定鉆探效率的重要因素之一。提下鉆自動(dòng)化在石油鉆機(jī)上已經(jīng)有了大規(guī)模的研究和應(yīng)用，而對(duì)于巖心鉆機(jī)而言，提下鉆自動(dòng)化的研究還處于剛起步的階段。對(duì)巖心鉆機(jī)提下鉆機(jī)械手的液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)自動(dòng)化、智能化巖心鉆機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用具有一定的意義。

1 巖心鉆機(jī)提下鉆工藝分析

提鉆過(guò)程中，當(dāng)動(dòng)力頭將第一根鉆桿完全提升至孔口后，先由孔口夾持器夾緊第二根鉆桿的上端，孔口的擰管夾持器夾緊第一根鉆桿的末端，用一定力矩?cái)Q卸鉆桿，使第一根鉆桿和第二根鉆桿之間有所松動(dòng)，擰管夾持器松開(kāi)，液壓卡盤反向旋轉(zhuǎn)，卸第一根鉆桿，當(dāng)?shù)谝桓@桿和第二根鉆桿之間完全松開(kāi)后，液壓卡盤夾緊第一根鉆桿，由動(dòng)力頭帶動(dòng)卡盤和第一根鉆桿向上移動(dòng)距離H1(移動(dòng)距離H1＞卡盤夾緊鉆桿的長(zhǎng)度H2)后停止，機(jī)械手移動(dòng)過(guò)來(lái)，手指夾緊第一根鉆桿中間部分，液壓卡盤松開(kāi)，機(jī)械手夾緊第一根鉆桿向下移動(dòng)距離H3(H2＜H3＜H1)，機(jī)械手按照規(guī)劃好的路徑移動(dòng)，將第一根鉆桿搬運(yùn)至鉆桿架，放下第一根鉆桿，回到原始位置。動(dòng)力頭向下運(yùn)動(dòng)至孔口，由液壓卡盤夾緊第二根鉆桿的上端，孔口夾持器松開(kāi)，動(dòng)力頭帶動(dòng)液壓卡盤和第二根鉆桿向上提升直至第二根鉆桿完全在孔口上方，動(dòng)力頭停止，后續(xù)的動(dòng)作同卸第一根鉆桿。

2 巖心鉆機(jī)提下鉆機(jī)械手的方案設(shè)計(jì)

該提下鉆機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)的結(jié)構(gòu)形式，占據(jù)空間位置小，工作范圍大。其主要組成機(jī)構(gòu)有:升降機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)，手部夾持機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)等。該機(jī)械手包含5 個(gè)自由度:手臂的升降運(yùn)動(dòng)、手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)、手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及手指在夾持物件時(shí)的開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)。

該提下鉆機(jī)械手的手部采用夾持式手部，因鉆桿為圓柱形工件，采用“V”形手指便于自動(dòng)定心，夾緊平穩(wěn)可靠，夾持誤差小。手指開(kāi)合由直線往復(fù)式液壓缸實(shí)現(xiàn)。手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸，用于一定力矩的擰卸鉆桿，回轉(zhuǎn)角度一般不大于300°。手臂伸縮即實(shí)現(xiàn)機(jī)械手伸縮，通過(guò)直線往復(fù)式液壓缸實(shí)現(xiàn)，手臂升降通過(guò)立柱直線往復(fù)式液壓缸實(shí)現(xiàn)。手臂回轉(zhuǎn)通過(guò)立柱底部回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)為:將手腕回轉(zhuǎn)液壓缸的回轉(zhuǎn)軸作為手指開(kāi)合液壓缸的缸體，手指開(kāi)合動(dòng)作由手指開(kāi)合液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)使得手腕與手部的結(jié)構(gòu)緊湊，起到了減小手部質(zhì)量、便于手部運(yùn)動(dòng)的作用。

3 提下鉆機(jī)械手的動(dòng)作順序分析

該提下鉆機(jī)械手不僅要具有提下鉆桿的功能，還要具有實(shí)現(xiàn)在孔口與鉆桿排放架之間移送鉆桿的功能。結(jié)合巖心鉆機(jī)提下鉆的工藝，確定提下鉆機(jī)械手的主要?jiǎng)幼靼ㄊ直鄣纳怠⑹直鄣纳炜s、手臂的回轉(zhuǎn)、手腕的回轉(zhuǎn)以及手指的開(kāi)合。因此該提下鉆機(jī)械手的液壓系統(tǒng)分為5 個(gè)支路，分別為手臂升降油路、手臂伸縮油路、手臂回轉(zhuǎn)油路、手腕回轉(zhuǎn)油路和手指開(kāi)合油路。圖1 為巖心鉆機(jī)的提下鉆結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 全液壓動(dòng)力頭式巖心鉆機(jī)的提下鉆結(jié)構(gòu)示意圖

提下鉆機(jī)械手的提鉆動(dòng)作順序如下所述:手臂伸出→手指張開(kāi)→手指閉合(卸鉆桿)→手臂下降→手臂縮回→手臂旋轉(zhuǎn)(反)→手臂伸出→手腕旋轉(zhuǎn)(正)→手指張開(kāi)(放鉆桿)→手臂縮回→手指閉合→手腕旋轉(zhuǎn)(反)→手臂上升→手臂旋轉(zhuǎn)(正)→停止

下鉆過(guò)程與提鉆過(guò)程動(dòng)作順序相反。

4 提下鉆機(jī)械手的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)中的主要液壓回路選好后，再考慮系統(tǒng)中的輔助油路(如卸荷等油路)。結(jié)合液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體思路，對(duì)主要液壓回路和輔助油路進(jìn)行合并完善，成為如圖2所示的提下鉆機(jī)械手的液壓系統(tǒng)。

圖2 提下鉆機(jī)械手液壓系統(tǒng)圖

(1)液壓系統(tǒng)的供油系統(tǒng)

考慮到提下鉆機(jī)械手工作過(guò)程中，機(jī)械手的各個(gè)部位是分別動(dòng)作的，手指夾緊缸、手腕回轉(zhuǎn)缸和手臂回轉(zhuǎn)缸所需流量較為接近，手臂升降液壓缸和手臂伸縮液壓缸所需的流量較為接近，且兩組液壓缸所需的流量相差較大，故采用雙泵供油系統(tǒng)，可避免溢流損失過(guò)大，減少系統(tǒng)發(fā)熱。大流量泵為手臂升降液壓缸及手臂伸縮液壓缸供油，小流量泵為手臂回轉(zhuǎn)液壓缸、手腕回轉(zhuǎn)液壓缸及手指夾緊液壓缸供油，大小流量泵各有分工，起到節(jié)能的作用。

(2)液壓系統(tǒng)的換向回路

在提下鉆機(jī)械手的液壓系統(tǒng)中，各液壓缸的換向回路決定了手腕及手臂的各換向動(dòng)作。系統(tǒng)采用可編程程序控制器對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行自動(dòng)控制，系統(tǒng)的壓力和流量都不高，因此選用電磁換向閥回路，有較高的自動(dòng)化程度，定位較準(zhǔn)確。系統(tǒng)中夾緊液壓缸換向采用二位二通電磁閥;手臂回轉(zhuǎn)液壓缸和手腕回轉(zhuǎn)液壓缸的換向閥均采用中位“O”型三位四通電磁換向閥。此外手臂伸縮液壓缸和手臂升降液壓缸采用三位四通電液換向閥，可以調(diào)整換向時(shí)間，同時(shí)還可以增加緩沖效果。

(3)液壓系統(tǒng)的調(diào)速方案

整個(gè)液壓系統(tǒng)中，各液壓缸工作所需的流量相差較大，不可能都使用液壓泵的全流量工作。為使液壓缸平穩(wěn)運(yùn)行，各液壓缸可以選擇進(jìn)油路或回油路節(jié)流調(diào)速，一般選用節(jié)流閥調(diào)速即可。該提下鉆機(jī)械手的手臂伸縮、手臂升降、手臂回轉(zhuǎn)、手腕回轉(zhuǎn)等各回路中，各液壓缸均采用兩個(gè)單向節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)速。

(4)液壓系統(tǒng)的安全可靠性

為保證系統(tǒng)的安全可靠性，防止手臂升降缸因自重自由下滑，在回路中增加平衡回路，采用了單向順序閥來(lái)平衡。夾緊液壓缸在夾緊工件時(shí)，為不受系統(tǒng)壓力波動(dòng)的影響以及防止失電等意外情況，應(yīng)加鎖緊保壓回路。在該液壓系統(tǒng)中，為保證夾緊缸夾持工作的可靠性選用了液控單向閥來(lái)保壓和鎖緊。

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合巖心鉆機(jī)提下鉆工藝，對(duì)提下鉆機(jī)械手在提鉆和下鉆過(guò)程中的動(dòng)作及其順序分別進(jìn)行了闡述，明確了機(jī)械手液壓系統(tǒng)的主體部分，對(duì)該提下鉆機(jī)械手液壓系統(tǒng)的供油回路、換向回路、調(diào)速回路及系統(tǒng)的安全可靠性進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。巖心鉆機(jī)提下鉆機(jī)械手的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于提下鉆自動(dòng)化方面的研究起到一定的鋪墊作用，對(duì)自動(dòng)化、智能化巖心鉆機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用具有一定的意義。

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