嚴(yán)亮 ，張波 ，梁維剛 ，王耀華 ，張洪 ，趙亮亮 ，殷克平

（1.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002；2.寶石機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備分公司，陜西 寶雞 721002；3.川慶鉆探工程有限公司，成都 610051）

0 引言

在石油鉆機(jī)中，鉆臺(tái)機(jī)械手[1]是一種鉆臺(tái)面立根排放設(shè)備，安裝在鉆臺(tái)面兩立根盒中間，可完成鉆桿立根、鉆鋌立根排放，以及貓道輸送鉆具的緩沖和遞送作業(yè)，可以解放勞動(dòng)力，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，是管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)[2-3]的重要組成部分。目前鉆機(jī)上使用最多的是液壓驅(qū)動(dòng)鉆臺(tái)機(jī)械手，而液控機(jī)械手存在管路線路復(fù)雜、冬季溫度過(guò)低時(shí)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。為解決液控機(jī)械手的問(wèn)題，研發(fā)了伺服電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)鉆臺(tái)機(jī)械手。本文主要介紹伺服電動(dòng)缸在鉆臺(tái)機(jī)械手上的應(yīng)用分析及發(fā)展前景。

1 伺服電動(dòng)缸原理

伺服電動(dòng)缸[4-5]是將伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠或滾柱絲杠一體化設(shè)計(jì)的模塊化產(chǎn)品，將伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將伺服電動(dòng)機(jī)的精確轉(zhuǎn)速控制、精確轉(zhuǎn)數(shù)控制、精確轉(zhuǎn)矩控制等優(yōu)點(diǎn)轉(zhuǎn)變成精確速度控制、精確位置控制、精確推力控制；實(shí)現(xiàn)高精度直線運(yùn)動(dòng)系列的全新革命性產(chǎn)品。

2 伺服電動(dòng)缸的特點(diǎn)

1）采用伺服電動(dòng)機(jī)控制，利用伺服的閉環(huán)控制特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)推力、速度、位置的精密控制。

2）相比傳統(tǒng)液壓缸，電動(dòng)缸具備更可靠的響應(yīng)性、精密的穩(wěn)定性及控制性等。

3）使用壽命長(zhǎng)，可頻繁啟停，具備優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性。

伺服電動(dòng)機(jī)與電動(dòng)缸組合成的伺服電動(dòng)缸可實(shí)現(xiàn)更環(huán)保、更節(jié)能、更干凈的優(yōu)點(diǎn)，很容易與PLC等控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)高精密運(yùn)動(dòng)控制。

3 伺服電缸的結(jié)構(gòu)

伺服電動(dòng)機(jī)與電動(dòng)缸結(jié)構(gòu)形式有兩種，如圖1所示。一種是串聯(lián)式，即電動(dòng)機(jī)與電動(dòng)缸直接安裝，又叫直線式結(jié)構(gòu)，如圖2所示；另一種是并聯(lián)式，即電動(dòng)機(jī)通過(guò)高強(qiáng)度同步帶與電動(dòng)缸體并列安裝，也叫平行式結(jié)構(gòu)或折返式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。不同的安裝結(jié)構(gòu)形式，可更大范圍地滿足現(xiàn)場(chǎng)安裝空間需求。

圖1 伺服電缸的結(jié)構(gòu)形式

圖2 串聯(lián)式（直連式）結(jié)構(gòu)

圖3 并聯(lián)式（平行式）結(jié)構(gòu)

4 伺服電缸在石油鉆機(jī)鉆臺(tái)機(jī)械手上的應(yīng)用

4.1 伺服電動(dòng)缸的選型研究

伺服電動(dòng)缸的選型參數(shù)主要包括電缸負(fù)載、電缸壽命、循環(huán)次數(shù)、運(yùn)行距離和安裝空間等。

4.1.1 載荷

只有在盡可能準(zhǔn)確地知道載荷的情況下，才能找到一個(gè)最經(jīng)濟(jì)合理、可靠的電動(dòng)缸解決方案。電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)缸輸出力的關(guān)系為

式中：F為電動(dòng)缸輸出力，kN；T為電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；R為傳動(dòng)比；L為絲桿導(dǎo)程，mm；η為機(jī)械效率，一般為85%～90%。

通過(guò)式（1）可初步確定電動(dòng)缸的電動(dòng)機(jī)，以滿足載荷需求。

除了應(yīng)用中的最大力之外，隨行程變化的力也非常重要。通過(guò)在整個(gè)工作循環(huán)中隨行程變化的力可得出平均載荷，這個(gè)平均負(fù)載是計(jì)算使用壽命的基礎(chǔ)。

電動(dòng)缸的平均負(fù)載計(jì)算公式為

圖4 電動(dòng)缸負(fù)載和速度隨時(shí)間變化關(guān)系

4.1.2 壽命

電動(dòng)缸的壽命一般指電動(dòng)缸內(nèi)部使用的絲桿壽命，可分為兩部分：一是絲桿的疲勞壽命，可以通過(guò)計(jì)算得出；另一個(gè)是使用壽命，取決于使用條件（如溫度、平均載荷、使用潤(rùn)滑的種類和定期添加潤(rùn)滑的頻率等因素）

使用壽命計(jì)算公式為

式中：L10為電動(dòng)缸壽命；Ca為絲桿路面的基本額定動(dòng)負(fù)荷，kN；Fm為電動(dòng)缸承受的平均負(fù)載，kN；L為絲桿導(dǎo)程，mm。

4.1.3 循環(huán)次數(shù)

通過(guò)盡可能準(zhǔn)確地給出執(zhí)行元件的加速度和速度，或給出循環(huán)時(shí)間和所需距離，能夠選擇到最佳的電動(dòng)缸。

圖5 電動(dòng)缸速度隨時(shí)間變化關(guān)系

4.1.4 運(yùn)行距離和安裝空間

電動(dòng)缸的選型，與其工作的行程和安裝空間關(guān)系密切。電動(dòng)缸在運(yùn)行過(guò)程中，是不允許運(yùn)行到機(jī)械終點(diǎn)的，所以必須在工作行程S工作的兩端分別加長(zhǎng)一段安全行程S安全，其行程之和才是電動(dòng)缸的運(yùn)行距離S，即S=S工作+2S安全，如圖6所示。

圖6 電動(dòng)缸的運(yùn)行距離

可根據(jù)安裝空間需求，選擇串聯(lián)式或并聯(lián)式結(jié)構(gòu)電動(dòng)缸。

4.2 鉆臺(tái)機(jī)械手上伺服電缸的應(yīng)用

鉆臺(tái)機(jī)械手主要由升降系統(tǒng)、偏移系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、主臂伸縮系統(tǒng)、鉗頭開(kāi)合系統(tǒng)等五大系統(tǒng)組成，如圖7所示。下面主要以主臂伸縮系統(tǒng)、偏移系統(tǒng)為主介紹伺服電缸在石油鉆機(jī)鉆臺(tái)機(jī)械手上的應(yīng)用。

圖7 鉆臺(tái)機(jī)械手示意圖

4.2.1 主臂伸縮系統(tǒng)

通過(guò)主油缸的伸縮控制主臂與副臂之間的夾角，進(jìn)而調(diào)整副臂前端與鉆臺(tái)面之間的距離，此連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中始終可以保持鉗頭水平。

通過(guò)伺服電動(dòng)缸代替液壓油缸的研究發(fā)現(xiàn)，利用伺服電動(dòng)缸代替液缸驅(qū)動(dòng)主臂伸縮，不但減少了油路管線，同時(shí)通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)的精確轉(zhuǎn)速控制、精確轉(zhuǎn)數(shù)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆臺(tái)機(jī)械手伸縮臂的精確速度控制及精確位置控制功能，還達(dá)到了減少傳感器的目的。

主臂伸縮系統(tǒng)的伺服電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。為節(jié)省空間，將伺服電動(dòng)缸的伺服電動(dòng)機(jī)與電動(dòng)缸做成并聯(lián)式結(jié)構(gòu)。

4.2.2 偏移系統(tǒng)

液壓驅(qū)動(dòng)時(shí)偏移系統(tǒng)是通過(guò)偏移油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)滑車的移動(dòng)，滑車偏移過(guò)程中，會(huì)通過(guò)傳感器檢測(cè)滑車是否偏移到位。當(dāng)用伺服電動(dòng)缸代替油缸后，伺服電動(dòng)缸通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)缸，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，同樣能實(shí)現(xiàn)滑車的偏移功能，同時(shí)通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)的精確轉(zhuǎn)速控制實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，可以減少位移傳感器，降低制造成本。

圖8 伺服電動(dòng)缸應(yīng)用在主臂伸縮系統(tǒng)

偏移系統(tǒng)的伺服電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。為節(jié)省空間，將伺服電動(dòng)缸的伺服電動(dòng)機(jī)與電動(dòng)缸做成并聯(lián)式結(jié)構(gòu)。

圖10 伺服電動(dòng)缸應(yīng)用于偏移系統(tǒng)

通過(guò)表1對(duì)比發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)缸以其適應(yīng)溫度廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，使其更能滿足油田現(xiàn)場(chǎng)使用需求。

表1 液壓缸與電動(dòng)缸的對(duì)比分析

5 伺服電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)式鉆臺(tái)機(jī)械手的前景

與鉆臺(tái)機(jī)械手上配套液壓驅(qū)動(dòng)相比，運(yùn)用伺服電動(dòng)缸，具有更環(huán)保、更節(jié)能、更干凈的優(yōu)點(diǎn)，并且很容易與PLC等控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)高精密運(yùn)動(dòng)控制，使得石油設(shè)備控制精密化。

伺服電動(dòng)缸在復(fù)雜的環(huán)境下工作只需要定期加注脂潤(rùn)滑，并無(wú)易損件需要維護(hù)更換，減少了大量的售后服務(wù)成本，減輕油田工人的工作強(qiáng)度，使得伺服電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)的設(shè)備得以推廣。

伺服電動(dòng)缸以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精度高、傳動(dòng)效率高、維護(hù)工作量小、環(huán)境污染小、工作環(huán)境適應(yīng)廣等優(yōu)點(diǎn)得到用戶的青睞。但由于電動(dòng)缸、伺服電動(dòng)機(jī)、伺服控制器等配套進(jìn)口部件采購(gòu)成本比液壓缸、控制閥組采購(gòu)成本大，造成總的制造成本比液壓驅(qū)動(dòng)的鉆臺(tái)機(jī)械手高，從而制約了鉆臺(tái)機(jī)械手的電動(dòng)化發(fā)展。