摘要：基于新型無鉆機鉆探機器人，設(shè)計一種推靠支撐機構(gòu)，對其進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作模型分析。該機構(gòu)結(jié)構(gòu)上采用兩對軸向交錯排布的液壓缸，既增加了推靠支撐的行程，又增強了徑向支撐強度；同時前后支撐機構(gòu)和牽引機構(gòu)協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)井下鉆探機器人的徑向偏置和軸向?qū)蜃藨B(tài)調(diào)整。對關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行力學(xué)分析和設(shè)計參數(shù)校核，保障機構(gòu)的穩(wěn)定性。樣機的液壓系統(tǒng)在30 MPa壓力下穩(wěn)定溢流，為機器人的最大推靠支撐力達到40 kN提供了現(xiàn)實依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鉆探機器人；推靠支撐；無鉆機鉆探

中圖分類號：TE928" 文獻標志碼：A" 文章編號：1671-0797（2023）07-0019-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.07.005

0" " 引言

井下機器人是加強油氣開發(fā)勘探的有力工具，具有成本低、風險低、環(huán)境友好、全自動和遠程監(jiān)控等特點，是未來智能油氣鉆探的發(fā)展方向[1-3]，可在深井、超深井、大斜度井和大位移水平井中進行作業(yè)儀器的輸送和其他輔助作業(yè)[4-5]，如測井機器人、排水采氣機器人[6]、鉆孔機器人[7]、液壓牽引機器人[8]和連續(xù)油管鉆井機器人[9-10]。

輪式、伸縮式和獾式機器人是油氣井下機器人的主要類型[4-5]，均由支撐機構(gòu)、能源供給、控制和驅(qū)動系統(tǒng)組成，其中支撐行走是基礎(chǔ)[11]，主要提供一個對井壁或套管的正壓力，以獲得摩擦力實現(xiàn)牽引爬行。支撐機構(gòu)有自鎖滑塊、液壓活塞、齒輪、蝸輪蝸桿、絲杠和凸輪等。

國外的Sondex輪式牽引機器人[12]、刀片式三連桿井下牽引機器人[13]及伸縮式井下牽引機器人[14]均采用雙向鎖止，但推靠支撐的每個機構(gòu)只有一對支撐，機器人軀體容易產(chǎn)生偏移，且提供的牽引支撐力較小。國內(nèi)的伸縮式雙向鎖止機構(gòu)能提供較大的牽引力，但易發(fā)生自鎖，產(chǎn)生井下卡堵[15]。Badger Explorer獾式鉆探器[16]無須鉆井平臺，減少了工作程序和人力耗費，但鉆速較慢，井孔被巖屑填充，無法進行鉆井液錄井和取心作業(yè)，支撐機構(gòu)則需要提供更大的牽引支撐力。伸縮式鉆探機器人通過牽引缸和支撐缸軸向布置[7]，優(yōu)化支撐機構(gòu)和鉆井液流道，以提供所需鉆壓，實現(xiàn)牽引及動態(tài)破巖[9-10]。

基于新型往復(fù)蠕動式無鉆機鉆探機器人[17]，本文提出一種液壓缸徑向布置的推靠支撐機構(gòu)，通過輔助支撐傳遞較大牽引力，通過軀體位置和姿態(tài)調(diào)整減少牽引時軀體與井壁的摩擦，以適應(yīng)井下復(fù)雜環(huán)境。

1" " 推靠支撐機構(gòu)與工作機理

1.1" " 推靠支撐機構(gòu)設(shè)計

無鉆機鉆探機器人推靠支撐機構(gòu)的總體布局如圖1所示，主要由鉆頭、前/后推靠支撐機構(gòu)、前/后牽引機構(gòu)、敦實機構(gòu)和控制系統(tǒng)等組成，且前/后支撐、牽引的機械結(jié)構(gòu)相同，共同協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)完成支撐和爬行動作。

單個推靠支撐機械結(jié)構(gòu)如圖2所示，液壓缸采用中心對稱的方式，軸向呈十字支撐。雙作用液壓缸通過柱塞桿上的活塞分隔進油腔和回油腔，進油腔進油，柱塞桿穩(wěn)定推出，回油腔進油，柱塞桿回收復(fù)位。

液壓驅(qū)動的結(jié)構(gòu)如圖3所示，運行路徑為伺服電機—減速機—柱塞泵，接著泵（輸出壓力油）—單向閥—溢流閥—電磁控制閥（4只）—液壓缸，完成缸體控制。液壓控制系統(tǒng)通過反饋信號（MPU-6050實時計算輔助支撐臂擺動姿態(tài)）實現(xiàn)柱塞桿伸出距離的定位并維持壓力的恒定輸出。

1.2" " 推靠支撐原理

推靠支撐機構(gòu)采用直動導(dǎo)桿滑塊運動方式，如圖4所示。柱塞桿W為動力桿，推動支撐板滑軌V同時上移和左移，輔助支撐臂U引導(dǎo)滑軌V保持水平狀態(tài)與井壁平行。

1.3" " 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)能夠提供較大的驅(qū)動力，但是其結(jié)構(gòu)和元器件較為復(fù)雜，密封要求高。其四缸油路運行路徑如圖5所示。

1.4" " 推靠支撐運動模態(tài)

前/后推靠支撐機構(gòu)通過八個液壓缸與牽引機構(gòu)協(xié)調(diào)配合，完成無鉆機鉆探機器人的三種運動模態(tài)：鉆進或回退、徑向偏置調(diào)整、軸向姿態(tài)導(dǎo)向。

機器人的鉆進動作通過推靠機構(gòu)的支撐與伸縮來實現(xiàn)，狀態(tài)a為初始狀態(tài)，前/后推靠支撐板全部推出，并與井壁緊固支撐機器人軀體，其他各狀態(tài)如圖6所示，鉆進時相應(yīng)運動過程如下：

（1）狀態(tài)a到狀態(tài)b：前牽引機構(gòu)緩慢伸出，推動鉆頭鉆進至最大距離后，前推靠支撐機構(gòu)柱塞桿收回，后推靠支撐機構(gòu)保持穩(wěn)定支撐。

（2）狀態(tài)b到狀態(tài)c：后牽引機構(gòu)緩慢伸出，前牽引機構(gòu)配合后牽引機構(gòu)進行收縮，前推靠支撐機構(gòu)向前伸出至最大距離后支撐板全部推出。

（3）狀態(tài)c到狀態(tài)d：后推靠支撐機構(gòu)的支撐板全部收回，敦實機構(gòu)配合后牽引機構(gòu)緩慢收縮。

（4）狀態(tài)d到狀態(tài)e：后牽引機構(gòu)收縮至最小位置，后推靠支撐機構(gòu)全部推出支撐，整體恢復(fù)至初始狀態(tài)a，周期動作完成，機器人獲得一定的鉆進深度。

機器人回退動作與鉆進相反，不再贅述。

機器人的徑向偏置調(diào)整過程如圖7所示，狀態(tài)1中，X1柱塞桿與X2柱塞桿、Y1柱塞桿與Y2柱塞桿均徑向中心對稱排布，沿軸向十字支撐。當兩對柱塞桿在行程上協(xié)調(diào)同步收縮至狀態(tài)2，X1與Y1柱塞桿收縮，X2與Y2柱塞桿伸出時，則可實現(xiàn)徑向偏置。

機器人的軸向姿態(tài)導(dǎo)向過程如圖8所示，當X1與X4柱塞桿收縮、X2與X3柱塞桿伸出，另外的兩對支撐協(xié)調(diào)伸縮，則機器人軀體軸線與井孔軸線傾斜一個角度α，同時牽引機構(gòu)帶動鉆頭按照其軀體姿態(tài)緩慢鉆進，長距離累積后，可實現(xiàn)導(dǎo)向鉆進。

2" " 推靠支撐機構(gòu)力學(xué)分析

2.1" " 機構(gòu)承載力與支撐臂角度關(guān)系

推靠支撐機構(gòu)的承載力（以下簡稱“機構(gòu)承載力”）是指由機器人伸縮機構(gòu)支持部分軀體伸縮前進時作用于支撐機構(gòu)上的力（圖6中狀態(tài)a至b時，前推靠支撐機構(gòu)需提供鉆頭鉆進的鉆壓）。由于推靠支撐機構(gòu)中心對稱，受力基本對稱，以圖9中一對推靠支撐板為例進行受力分析。

左側(cè)輔助支撐臂②為二力桿，F(xiàn)21與F23是作用力與反作用力，大小相等，方向相反，作用在同一條直線上，分解出的Fx與Fx′大小相等，方向相反，F(xiàn)y與Fy′亦同。綜合受力分析得出機構(gòu)承載力大小公式：

式中：FC為推靠支撐機構(gòu)的承載力（N）；μ為井壁的摩擦系數(shù)；FN為柱塞桿推出力（正壓力）（N）；γ為反作用力F21與承載力方向上所夾的銳角（°）。

可知機構(gòu)承載力取決于三個要素——FN、μ和γ，其中FN≤40 kN，μ取值范圍為0.1～0.4，γ的大小關(guān)聯(lián)輔助支撐臂和柱塞桿的伸出長度，影響推靠支撐機構(gòu)的最大結(jié)構(gòu)承載力。那么，F(xiàn)N取40 kN時，可以得出機構(gòu)承載力與支撐角度、摩擦系數(shù)的關(guān)系，如表1所示。

當γ為75°、摩擦系數(shù)較大時，機構(gòu)承載力通過輔助支撐臂施加在支撐板的摩擦角內(nèi)，支撐機構(gòu)形成自鎖，無論多大的力均無法使支撐板相對井壁滑動。實際運行中需避免機構(gòu)自鎖且提供較大牽引力，γ在45°～60°時，在地下鉆進的封閉空間內(nèi)，支撐板與井壁摩擦系數(shù)大于0.2，則兩對推靠支撐結(jié)構(gòu)的牽引力將大于40 kN，前/后推靠支撐機構(gòu)也將提供超過40 kN的鉆壓。

2.2" " 液壓缸缸壁厚度δ分析

液壓缸主要部件包括缸蓋、柱塞桿和缸體。機器人外徑為170 mm，其內(nèi)置的巖屑管道直徑為25 mm，設(shè)計的液壓缸缸體內(nèi)徑D=40 mm，柱塞桿桿徑d=0.7D，柱塞桿總長為140 mm，缸體材料為42CrMo合金。根據(jù)表2所示的缸體材料力學(xué)性能，柱塞桿推出力FN=40 kN時，缸內(nèi)壓強約為32 MPa，為中高壓系統(tǒng)，同等壓強下柱塞收縮力約為20 kN。

對于中高壓系統(tǒng)，或者D/δlt;3.2，液壓缸的缸筒厚度按照厚壁筒計算。綜合塑性材料和脆性材料的許用應(yīng)力計算，分別采用第四和第二強度理論，得到液壓缸缸壁厚度δ≥4.17 mm，符合32 MPa的壓強要求。

2.3" " 柱塞桿活塞密封分析

柱塞桿上的活塞厚度一般為其活塞直徑的0.6～1.0倍，活塞處外徑為40 mm，為了增大行程，取活塞厚度≥24 mm，擬定選取h=30 mm。同時進行薄弱點以及安全系數(shù)分析，避免活塞密封失效，其中活塞處的等效應(yīng)力分析如圖10所示。

選用與42CrMo合金相近屈服強度的材料，并通過夾具顧問模擬固定柱塞，通過外部載荷顧問輸入軸向力總數(shù)為40 kN，劃分網(wǎng)格并進行運算。得到最大等效應(yīng)力為1.489×108 N/m2，小于屈服力（1.07×109 N/m2），安全系數(shù)如圖11所示，薄弱點為7.185，遠大于安全系數(shù)標準，柱塞桿活塞強度滿足設(shè)計要求。

柱塞桿活塞的受力變形位移分析如圖12所示，可見柱塞主要受力部位徑向的變形位移量為2.461×10-3 mm，兩側(cè)膨脹位移最大約為0.005 mm，在柱塞桿加工及密封圈配合誤差的范圍內(nèi)。

綜合活塞的等效應(yīng)力和位移分析，可知柱塞桿活塞高壓密封穩(wěn)定。

2.4" " 柱塞桿桿徑d校核分析

柱塞桿是液壓缸傳遞力的主要零件，其桿徑一般為活塞直徑的0.7D，即d=28 mm。

（1）根據(jù)強度要求來計算柱塞桿桿徑d。柱塞桿在穩(wěn)定狀態(tài)下要滿足：

式中：F為柱塞桿受到的作用力（與推力一致）（N）；[σ]為柱塞桿材料的許用應(yīng)力（MPa）。

根據(jù)F=FN=40 kN，[σ]=σb/n，求得d≥15.35 mm，d=28 mm符合條件。

（2）根據(jù)保證柱塞桿不產(chǎn)生縱向彎曲要求計算，即柱塞桿臨界載荷要比實際承受載荷大3.5～6（安全系數(shù)）倍。

參照非等截面法查形狀系數(shù)表，得極限載荷Fk≈575 171.9 N，F(xiàn)k/F=575 171.9/40 000≈14.38，遠大于安全系數(shù)，柱塞桿可保持穩(wěn)定。

3" " 推靠支撐機構(gòu)樣機

推靠支撐機構(gòu)動力裝置如圖13所示，伺服電機為80法蘭1 kW直流，扭矩為3 N·m，減速機減速比為3，降速增扭達9 N·m；1.25MCY14-1B的軸向柱塞泵壓力為31.5 MPa，最高轉(zhuǎn)速1 500 r/min；6 mm通徑的單向閥，40 MPa可調(diào)溢流閥以及O型三位四通電磁閥；輸油管道為8～12 mm無縫鋼管，接頭為卡套式接頭。

樣機采用了一對推靠支撐進行試制，試制材料為45號鋼（抗拉強度600 MPa、屈服強度355 MPa），總長度約為1.7 m，其推出狀態(tài)如圖14所示。運行狀態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)單獨伸縮以及同時伸縮，最大伸出推靠直徑為300 mm，單個缸體伸出最大距離約為65 mm，單個伸縮時間可控制在15 s以內(nèi)，輸油管道中溢流閥在30 MPa及以內(nèi)可穩(wěn)定溢流。

4" " 結(jié)論

（1）本文提出了一種液壓缸徑向布置的井下無鉆機鉆探機器人推靠支撐機構(gòu)，采用雙作用液壓缸簡化推靠支撐結(jié)構(gòu)的伸縮控制，通過正壓力提高支撐板與井壁摩擦力的方式提供足夠的牽引力。

（2）建立徑向布局的液壓支撐十字交錯結(jié)構(gòu)，各液壓缸獨立控制，能夠有效調(diào)整機器人徑向偏置和軸向姿態(tài)導(dǎo)向。

（3）對推靠支撐結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力分析，驗證了設(shè)計結(jié)構(gòu)的可行性和穩(wěn)定性，可提供足夠的牽引力和鉆壓。

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收稿日期：2022-12-14

作者簡介：姬賽（1995—），男，江蘇人，在讀碩士研究生，研究方向：地球物理儀器。

通信作者：程為彬（1970—），男，安徽人，博士，教授，研究方向：油氣井下智能測控技術(shù)、石油儀器及其智能化。