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２０２３年第５２卷第６期第４７页石油矿场机械犗犐犔 犉犐犈犔犇 犈犙犝犐犘犕犈犖犜２０２３，５２（６）：４７ ５３文章编号：１００１ ３４８２（２０２３）０６ ００４７ ０７修井用钻台机械手设计与仿真关春丽（胜利油田胜机石油装备有限公司，山东东营２５７０００）摘要：修井作业过程中，需要对管柱进行大量的起下、排放作业，劳动强度大、安全风险高。
钻台机械手能够实现管柱在操作平台与排放架之间的移送操作，可有效提高作业效率，降低劳动强度，提升修井作业自动化水平，为此研制了一种专门用于修井作业的钻台机械手，并对钻台机械手的结构、主要技术参数、技术特点进行了阐述。
采用静力学分析方法对臂架各构件进行受力分析，验证臂架满足强度理论要求；运用ＡＤＡＭＳ软件对臂架伸展推扶管柱过程进行运动仿真，为钻台机械手臂架轨迹控制及变幅油缸计算选型提供依据，验证了钻台机械手水平推力及推扶半径满足技术参数要求。
修井用钻台机械手的成功研制及推广应用，促进了大修自动化管柱处理系统的发展。
关键词：修井；钻台机械手；静力学分析；运动仿真；ＡＤＡＭＳ中图分类号：ＴＥ９３５ 文献标识码：Ａ 犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ ３４８２．２０２３．０６．００６犇犲狊犻犵狀犪狀犱犛犻犿狌犾犪狋犻狅狀狅犳犇狉犻犾犾犉犾狅狅狉犕犪狀犻狆狌犾犪狋狅狉犳狅狉犠狅狉犽狅狏犲狉犗狆犲狉犪狋犻狅狀ＧＵＡＮＣｈｕｎｌｉ（犛犺犲狀犵犾犻犗犻犾犳犻犲犾犱犛犺犲狀犵犼犻犗犻犾犈狇狌犻狆犿犲狀狋犆狅．，犔狋犱．，犇狅狀犵狔犻狀犵２５７０００，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｗｏｒｋｏｖｅｒｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｃａｒｒｙｏｕｔａｌｏｔｏｆｔｒｉｐｐｉｎｇａｎｄｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅｐｉｐｅｓｔｒｉｎｇ，ｗｈｉｃｈｈａｓｈｉｇｈｌａｂｏｒｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｎｄｈｉｇｈｓａｆｅｔｙｒｉｓｋ．Ｔｈｅｄｒｉｌｌｆｌｏｏｒｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｃａｎｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｔｒａｎｓｆｅｒｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｉｐｅｓｔｒｉｎｇｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｏｐｅｒ ａｔｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍａｎｄｔｈｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｒａｃｋ，ｗｈｉｃｈｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｒｅｄｕｃｅｌａｂｏｒｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｏｎｌｅｖｅｌｏｆｗｏｒｋｏｖｅｒｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ａｄｒｉｌｌｆｌｏｏｒｍａ ｎｉｐｕｌａｔｏｒｓｐｅｃｉａｌｌｙｕｓｅｄｉｎｗｅｌｌｗｏｒｋｏｖｅｒｏｐｅｒａｔｉｏｎｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｍａｉｎｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｄｒｉｌｌｆｌｏｏｒｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｗｅｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅｓｔａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｆｏｒｃｅｏｆｅａｃｈｍｅｍｂｅｒｏｆｔｈｅｂｏｏｍ，ｖｅｒｉｆｙｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｂｏｏｍｍｅｔｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｔｈｅｏｒｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．ＡＤＡＭＳｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｅｘｔｅｎｄｉｎｇａｎｄｐｕｓｈｉｎｇｔｈｅｐｉｐｅｓｔｒｉｎｇ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇａｂａｓｉｓｆｏｒｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｂｏｏｍｐａｔｈａｎｄｃａｌ ｃｕｌａｔｉｎｇａｎｄｓｅｌｅｃｔｉｎｇｔｈｅｖａｒｉａｂｌｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｃｙｌｉｎｄｅｒ，ａｓｗｅｌｌａｓｖｅｒｉｆｙｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｔｈｒｕｓｔａｎｄｐｕｓｈｉｎｇｒａｄｉｕｓｏｆｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｍｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｐｏｐｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｄｒｉｌｌｆｌｏｏｒｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓｆｏｒｗｏｒｋｏｖｅｒｈａｖｅｐｒｏ ｍｏｔｅｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｎａｕｔｏｍａｔｉｃｗｏｒｋｏｖｅｒｓｔｒｉｎｇｈａｎｄｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｗｏｒｋｏｖｅｒ；ｄｒｉｌｌｆｌｏｏｒｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ；ｓｔａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓ；ｍｏｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＡＤＡＭＳ 近年来，随着修井作业装备应用技术的不断发展，油田对修井作业提速提效、降低人工成本、减轻 收稿日期：２０２３ ０６ ０８ 基金项目：中国石油化工股份有限公司科研项目“大修自动化作业及一体化全电驱修井技术装备研制”（ＳＩＮＯＰＥＣ２０２０制２０２００６０３）。
撬装式钻机钻具排放机械臂机构设计与仿真钻具排放设备是自动化钻井的重要组成部分,以往国内外的一些研究和产品主要是针对作业环境比较恶劣的海洋钻机和大型陆地钻机的。
这些排放设备,由于体积结构比较大的原因,并不适合安装在钻台面积较为紧凑的小型撬装式钻机上,在国内小型撬装式钻机上,钻台钻具的排放工作依旧采用着人工推拉的方式进行作业。
因此,研究设计一种适用于小型撬装式钻机的钻台钻具排放装置,对于改善工人劳动条件,降低劳动危险性和提高作业效率有着积极的意义。
本文在研究以往钻具排放设备的基础上,利用现代机械设计理论与UG三维设计软件设计了一个可用于小型撬装式钻机的钻具排放机械臂,利用UG运动仿真模块对其进行了运动可行性分析,通过UG载荷传递模块和ANSYS有限元软件对各主要部件进行了受力计算和强度分析,根据机械臂最大工作负载为其设计了一套符合工作要求的液压控制系统。
通过研究取得的主要研究成果有：(1)在研究撬装式钻机钻台布局特点及钻具排放的功能需求基础上,设计了可适用于撬装式钻机的钻具排放机械臂,绘制了机械臂各机构的零件图并进行了虚拟装配,干涉检查结果表明各零件之间不存在干涉,机械臂的机械结构设计是合理的。
(2)建立了机械臂的运动仿真模型,模拟了装置的运动状况,绘制了机械臂的轨迹追踪图、位移、速度、加速线等变化曲线,通过对仿真曲线的分析,验证了机械臂在运动方面是可行的。
(3)模拟机械臂在最大负载下工作,对主要部件在工作过程中的受力情况进行了分析,并结合ANSYS有限元软件得到了机械臂关键部件的应力变化情况并进行了强度分析,分析结果证明了机械臂在最大负载下工作是安全的。
(4)根据机械臂的结构设计和动作流程,应用CAD软件绘制了机械臂的液压控制系统原理图。
根据机械臂的最大工作负载计算了各执行元件所需最大驱动力,进而对液压执行元件进行了选取。
通过研究,设计了一种适合于小型撬装式钻机上应用的钻台钻具排放机械臂机构。
该机械臂高仅2.6m,并且只需占用平台面积0.25m2,可以安装于两立根盒之间空位处。
煤矿井下钻杆装卸机械臂设计与应用目录一、内容综述 (2)1. 研究背景和意义 (2)2. 国内外研究现状及发展趋势 (3)3. 本课题研究目的和任务 (5)二、煤矿井下钻杆装卸现状分析 (6)1. 现有钻杆装卸方式 (7)2. 存在的问题分析 (7)3. 机械化装卸的必要性 (9)三、机械臂设计理论基础 (10)1. 机械臂结构设计概述 (11)2. 机械臂运动学分析 (12)3. 机械臂动力学分析 (14)四、煤矿井下钻杆装卸机械臂设计 (15)1. 设计原则与思路 (17)2. 机械臂结构设计 (18)3. 关键部件选型与计算 (19)4. 控制系统设计 (20)五、机械臂应用与试验 (22)1. 机械臂在煤矿井下的应用 (24)2. 实际操作流程介绍 (25)3. 效果评估与数据分析 (26)4. 问题反馈与改进建议 (27)六、机械臂维护与保养 (28)1. 日常使用注意事项 (29)2. 定期检查与保养内容 (31)3. 故障诊断与排除方法 (32)七、结论与展望 (33)1. 研究成果总结 (34)2. 课题展望与未来发展趋势 (35)一、内容综述煤矿井下钻杆装卸机械臂作为煤炭开采的关键设备，其设计与应用对于提升矿井作业效率、保障工作安全以及降低劳动强度具有重要意义。
本论文全面综述了煤矿井下钻杆装卸机械臂的设计理念、结构组成、功能特点以及在实际应用中的表现。
在设计方面，我们着重介绍了机械臂的机械结构、控制系统和传感器等核心部件的设计思路与实现方法。
通过优化设计，提高了机械臂的精度、稳定性和可靠性，以满足煤矿井下复杂多变的作业环境要求。
在应用方面，我们结合具体煤矿的实际情况，对机械臂进行了详细的现场试验和工程应用验证。
实验数据表明，该机械臂在提高钻杆装卸效率、降低人工成本等方面具有显著优势，为煤矿企业带来了可观的经济效益和社会效益。
煤矿井下钻杆装卸机械臂的设计与应用对于推动煤炭工业的现代化发展具有重要意义。
机械臂运动分析与仿真建模中期报告指导老师：xx队员：xxx xxxxxx机械臂运动分析与仿真建模项目简介：（1）项目背景工业机器人具有工作效率高、稳定可靠、重复精度好、能在高危环境下作业等优势。
在传统制造业，特别是劳动密集型产业的转型升级中可发挥重要作用。
随着机器人技术研究领域的不断发展，机器人仿真系统成为机器人设计和研究的一个灵活工具，发挥着重要的作用。
虚拟样机技术又称机械系统动态仿真技术，是从分析和解决产品整体性能角度出发，来改进产品设计、提高产品性能的新技术。
ADAMS软件是美国机械动力公司研发的，是世界上应用最广泛、最具权威性的机械系统动力学仿真分析软件，可进行动力学、运动学和静态仿真。
（2）虚拟样机技术的特点（1）模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费。
（2）缩短产品投向市场的时间。
（3）经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本。
（4）在产品的设计阶段发现潜在问题。
（5）增加产品和工程的可靠性。
项目研究目标及主要内容：（1）理解机械臂的运动规律（2）完成三维软件及仿真软件的学习（3）对机械臂进行符合实际情况的运动学仿真计划任务：（1）小组参与研究机械臂的运动原理，根据自己的理解，将其抽象化（2）得到仿真结果后，可以根据小组讨论出的意见合理改良机械臂的运动方式。
工作思路：项目技术路线：（1）机械臂运动分析，描述对应空间位置（2）机械臂三维建模（3）在ADAMS中仿真（4）调试优化项目阶段进展：平移和旋转坐标系映射及复合变换（1）平移坐标变换设坐标系{B}与{A}的方位一致，但坐标系{B}与坐标系{A}的原点不重合。
相对于坐标系{A}，坐标{B}的位置用位置矢量A P描述，如图所示。
设点 P 在坐标系Bo{B}中的位置为，那么可通过矢量相加得到点 P 相对于坐标系{A}的位置矢量，即= +旋转坐标变换设坐标系{B}和坐标系{A}的坐标原点相同，但它们的方位不同，如图所示。
用旋转矩阵描述坐标{B}相对于{A}的方位。
煤矿井下钻杆装卸机械臂设计与应用
彭光宇
【期刊名称】《煤炭技术》
【年(卷),期】2024(43)4
【摘要】针对液驱钻杆装卸机械臂控制精度低,动作连贯性差,不利于实现钻机智能化的问题。
以防爆伺服控制技术为切入点,结合钻探施工工艺技术,设计六自由度电驱防爆机械臂,用于煤矿井下钻杆自动装卸,打造新一代智能化钻杆装卸平台。
首先分析了钻杆装卸机械臂主要参数,根据参数要求设计机械臂结构方案,再进行机械臂驱动部件选型计算,最后通过运动学仿真与分析,验证机械臂满足钻杆装卸要求。
现场试验表明,设计的钻杆装卸机械臂运行稳定,智能化程度高,适用于煤矿井下恶劣环境。
【总页数】4页(P255-258)
【作者】彭光宇
【作者单位】中煤科工西安研究院(集团)有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TP241
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