石油井机器人刚柔混合行走机构设计与仿真研究

　　[摘 要]传统伸缩式石油井下牵引器机构已经无法满足当前井下作业需求，因而在此基础上，为了提高石油井机器人适应性，应注重在机器人机构优化过程中采取弹簧支片与刚性连杆刚柔混合方式，即以智能化作业形式，提升作业速度，并通过对2R伪刚体模型的建立，推导行走机构关系方程，改良石油井机器人行走状态，满足当前井下环境作业要求。本文从石油井机器人机构设计要点分析入手，并详细阐述了动力学仿真关键，旨在推进石油井机器人机构的逐步完善。

　　[关键词]石油井 机器人 机构设计 仿真

　　中图分类号：TE938 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）16-0145-01

　　前言：就当前的现状来看，在石油井机器人行走过程中仍然存在着局部错位、凸起、缩径等故障现象影响到了井下作业效果，并在井下套管变形现象的影响下，削弱了石油井机器人使用性能。为此，在石油井机器人实践操控过程中应提高对此问题的重视程度，并注重通过仿真模拟形式探究主要零部件设计参数，达到最佳的机构设计效果。以下就是对刚柔混合行走机构设计问题的详细阐述，望其能为当前设计工序的有序开展提供有利参考。

　　一、石油井机器人刚柔混合行走机构设计

　　（一）总体结构设计

　　在石油井机器人刚柔混合行走机构设计过程中应首先明晰总体结构设计要求，即在总体结构设计作业过程中，应将最大外径值控制在70mm，管径长度为150mm，并适应2.5in-7in行走环境，同时，亦应确保井下送进设备重量为600kg，机器人牵引力最大值为5kN，满足结构设计需求。其次，在总体结构设计过程中应将其划分行走机构、扶正机构、伸缩机构3个组成部分，其中行走机构由液压缸、端接头、套筒、弹簧片、连杆等若干个零件构成，同时，连杆与连杆、弹簧片与连杆、连杆与液压缸盖间保持销轴连接状态，由此达到最佳的行走作业效果[1]。再次，在总体结构设计过程中，由于连杆与液压缸、弹簧片与套筒、连杆与弹簧片连接处角度将随时发生变化，为此，在总体结构设计过程中应保证连接处具有自由转动能力，就此减少弯曲应力，便于石油井机器人快速适应到井下作业环境中，且可依据井下实际作业环境，连接不同尺寸弹簧片，达到最佳的行走机构设计效果。

　　（二）主要零部件结构设计

　　在石油井机器人刚柔混合行走机构零部件结构设计过程中应注重从以下几个层面入手：

　　第一，在弹簧弓片设计过程中应严格遵从“抛物线形”设计要求，并于弹簧两端预留销孔，连接端接头，同时将弹簧弓片中间部分延展至支撑筋，保持支撑筋与弹簧弓片两端平衡性，继而当石油井机器人处在收起行走状态时，外圆直径最小[2]；

　　第二，在连杆、套筒、液压缸端盖等零部件设计过程中，需以平键形方法完成连杆设计，并在连杆某一端，铣出1/2台阶，继而通过销孔与另一个连杆进行连接，就此满足行走机构设计条件，同时以A-A、B-B剖面连接形式，增加连杆行走环境中拉力与压力，并稳固行走状态。而在套筒设计过程中，应将角耳与弹簧片一端进行连接，且将套筒置于液压缸指定位置，形成稳定行走机构。除此之外，在液压缸端盖设计过程中，应铣出3个平面，继而通过B-B剖面连接形式，连接角耳与连杆，最终以一体化液压缸设计模式，提升行走机构运行效果，满足石油井机器人刚柔混合行走条件。

　　（三）行走机构零部件参数设计

　　在石油井机器人刚柔混合行走机构设计过程中为了适应井下环境，应在零部件参数设计过程中注意以下几点：

　　第一，在连杆长度设计过程中，应将连杆与水平夹角控制在55°左右，且当行走机构中心距H1为29.5mm、连杆长度为55mm时，应将连杆与弹簧支片连接点间距离H2控制在10mm，并通过公式：S=2，获取工作行程S数值，就此实现对连杆参数信息的精准化设计；

　　第二，在液压缸各项参数设计过程中，为了满足刚柔混合行走机构运行条件，应注重将工作压力最大值控制在>25MPa的状态下，而荷载最大值>15kN，行程最大值>60mm。同时，在缸筒内径D设计过程中，应注重严格遵从相关规章标准，并利用公式：D=，对D值进行计算，且在D值计算过程中，设定Fmax为15kN，p为25MPa，d为25mm，最终将D值控制在37.587mm状态下，满足行走机构设计要求，实现对石油井机器人的高效应用[3]；

　　第三，在缸筒长度设计过程中，为了达到精准化参数设计效果，需综合考虑材料应力、安全系数等因素的影响，满足刚柔混合行走机构设计要求。

　　二、刚柔混合行走机构动力学仿真

　　（一）多体动力学仿真软件

　　在刚柔混合行走机构动力学仿真过程中，为了规范行走机构设计，应注重利用仿真软件RecurDyn，同时，在仿真软件应用过程中，借助MFBD、Solid Contact、Colink、AutoDesign等功能，建构仿真模型。即在仿真模型建构过程中，健全端接头、活塞杆、液压缸盖、液压缸体、套筒等部件，且将仿真模型视为一体化结构，就此通过转动副操控形式，观察去除行走机构连接销轴运行关系，并借助RecurDyn中She114，对仿真模型进行网格划分，同时保持弹簧支片主体中，宽度为20mm，厚度为3mm，长度为280mm，而单元网格为6.3mm，继而观察细化后网格效果。此外，在仿真模型建构的基础上，亦需选用60Si2MnA为柔性弹簧支片材料，模量E为206GPa，就此整合仿真结果，分析石油井机器人行走机构适应性能，达到最佳的机构设计状态。

　　（二）仿真数据分析

　　从仿真模型观察中获知，当缩径变形幅度为150-145mm时，最大正压力为15377N，液缸最大推力为19034N，被动位移39mm。而当凸起变形幅度为15mm时，最大正压力为15371N，液缸最大推力为733N，被动位移为102mm，当局部错位变形幅度为15mm时，最大正压力为8926N，液缸最大推力为19316N，被动位移为39mm，为此，为了保障行走机构具备变形井段适应性，应注重在行走机构设计过程中综合考虑缩径、凸起、错位等变形因素的影响，达到最佳的行走机构设计状态，满足石油井机器人应用条件。

　　结论：综上可知，为了适应井下环境，在石油井机器人操控过程中，应注重分析凸起、错位、缩径变形范围，同时，在石油井机器人刚柔混合行走机构设计过程中，应注重从总体结构设计、主要零部件结构设计、行走机构零部件参数设计等层面入手，优化行走机构设计细则，且适应于不同井下环境中，带动未来钻修井作业环节的有序开展，缓解石油资源短缺等问题。

　　参考文献：

　　[1]肖玉瑛，王子文.石油管道焊缝处理机器人设计及仿真[J].制造业自动化，2014，11（01）：45-47+56.

　　[2]王庆红，刘晓悦，车威威等.石油管道焊缝防腐机器人自适应管径控制系统设计[J].电子技术与软件工程，2014，20（11）：258-259.

　　[3]吴红磊，白梅.海洋石油工程H型钢切割机器人的应用研究[J].中国重型装备，2015，12（01）：42-44.

　　作者简介：

　　刘攀（1987.07--）；性别：男，籍贯：河南省南阳市，学历：本科，毕业于河南理工大学万方科技学院；现有职称：无；研究方向：石油钻修机设计；