水平井牽引機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、產(chǎn)液剖面測試技術(shù)是水平井開發(fā)的重要配套技術(shù)，同垂直井相比，需要解決將測試儀器輸送到水平目的井段的難題，水平井牽引機(jī)器人作為管道機(jī)器人的一種，在水平井測試過程中表現(xiàn)出的優(yōu)勢已被廣泛認(rèn)可。本課題來源于與大慶油田公司的合作課題“水平井牽引機(jī)器人研制”，并于2007年得到“863”國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2007AA06Z231)的支持。其目標(biāo)是研制一種能將測井儀器輸送到水平井目標(biāo)測試段的管道機(jī)器人。本文圍繞牽引機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，

2、采用優(yōu)化與仿真方法對其進(jìn)行研究。
　　首先給出牽引機(jī)器人系統(tǒng)的組成，制定機(jī)械系統(tǒng)的總體方案，進(jìn)行井下執(zhí)行單元的設(shè)計(jì)及自動定心機(jī)構(gòu)和電磁離合器的方案設(shè)計(jì)。井下執(zhí)行單元是牽引機(jī)器人的核心，由動作機(jī)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成，分別用來控制驅(qū)動臂張合與爬行輪轉(zhuǎn)動。利用模塊化設(shè)計(jì)思想，確定驅(qū)動單元的結(jié)構(gòu)形式，建立牽引力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型，并對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對影響牽引力的因素進(jìn)行深入研究。提出采用齒形輪結(jié)構(gòu)來提高牽引力的方法，對輪齒與管壁間的壓入

3、情況進(jìn)行計(jì)算，得到輪齒的壓入角及齒形角的取值范圍。
　　牽引機(jī)器人系統(tǒng)工作的安全性也是非常重要的，對于采用輪式驅(qū)動的牽引機(jī)器人，驅(qū)動臂可靠張開與閉合是機(jī)器人正常工作的必要條件，為此設(shè)計(jì)一種新型螺旋槽式電磁離合器。集成牙嵌式離合器與電磁離合器的特點(diǎn)，利用螺管力與彈簧力組合作用，實(shí)現(xiàn)嚙合與脫開。根據(jù)電磁離合器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功能要求，建立力學(xué)模型。以線圈高度最小為優(yōu)化目標(biāo)，完成電磁參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化；并在ADAMS平臺上對其工作狀態(tài)進(jìn)行仿

4、真分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，利用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)完成電磁離合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
　　接下來，對牽引機(jī)器人另一關(guān)鍵機(jī)構(gòu)—自動定心機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究，采用偏置式4對臂8輪結(jié)構(gòu)形式，利用壓縮彈簧蓄能。根據(jù)其不同工作狀態(tài)下的受力特點(diǎn)，建立力學(xué)模型和仿真模型。利用ADAMS提供的DOE工具，通過研究優(yōu)化目標(biāo)與設(shè)計(jì)變量之間的敏感度，找出相關(guān)度最大的作為設(shè)計(jì)變量，完成結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。利用優(yōu)化后的模型進(jìn)行管內(nèi)越障分析，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)方案的不足之處，并提出新的結(jié)構(gòu)

5、方案。
　　牽引機(jī)器人關(guān)鍵結(jié)構(gòu)確定后，可以對牽引機(jī)器人整體進(jìn)行仿真研究。先對爬行輪結(jié)構(gòu)形式與機(jī)器人卡堵問題進(jìn)行分析，得出無差速驅(qū)動是導(dǎo)致機(jī)器人無法越障的最直接原因。分析非越障輪與越障輪的速度匹配與驅(qū)動臂長度及爬行輪陷入接縫的深度之間的關(guān)系，對無差速驅(qū)動下驅(qū)動單元跨越不同寬度管接縫和管內(nèi)臺階障礙時(shí)的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行仿真研究，進(jìn)一步證明無差速驅(qū)動是造成機(jī)器人卡堵的原因。為了使機(jī)器人能順利越障，必須使非越障輪具備打滑的條件。然后對牽引機(jī)器人

6、整體在直管障礙和彎管情況下的通過性進(jìn)行仿真研究，獲得牽引機(jī)器人越障時(shí)各部件的工作特點(diǎn)，對牽引機(jī)器人通過油井圓弧段的工作狀態(tài)進(jìn)行分析，給出牽引機(jī)器人在油井中過彎的許可條件。
　　最后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，通過電磁離合器的功能試驗(yàn)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電磁離合器可以滿足要求；通過地面管道爬行試驗(yàn)，全面檢驗(yàn)牽引機(jī)器人井下執(zhí)行單元工作情況，并在試驗(yàn)中對牽引力進(jìn)行測量；通過現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證所研制的牽引機(jī)器人達(dá)到預(yù)期功能要求，為后續(xù)的性能提高，提供理論依據(jù)和技