水平井牽引機器人關鍵技術研究.pdf

1、產(chǎn)液剖面測試技術是水平井開發(fā)的重要配套技術，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，水平井牽引機器人作為管道機器人的一種，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“水平井牽引機器人研制”，并于2007年得到“863”國家高技術研究發(fā)展計劃項目(2007AA06Z231)的支持。其目標是研制一種能將測井儀器輸送到水平井目標測試段的管道機器人。本文圍繞牽引機器人機械系統(tǒng)中的關鍵技術，

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

3、情況進行計算，得到輪齒的壓入角及齒形角的取值范圍。
　　牽引機器人系統(tǒng)工作的安全性也是非常重要的，對于采用輪式驅(qū)動的牽引機器人，驅(qū)動臂可靠張開與閉合是機器人正常工作的必要條件，為此設計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，利用螺管力與彈簧力組合作用，實現(xiàn)嚙合與脫開。根據(jù)電磁離合器的結構特點及功能要求，建立力學模型。以線圈高度最小為優(yōu)化目標，完成電磁參數(shù)和結構參數(shù)優(yōu)化；并在ADAMS平臺上對其工作狀態(tài)進行仿

4、真分析，驗證設計的正確性，利用優(yōu)化后的結構參數(shù)完成電磁離合器結構設計。
　　接下來，對牽引機器人另一關鍵機構—自動定心機構進行優(yōu)化研究，采用偏置式4對臂8輪結構形式，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，建立力學模型和仿真模型。利用ADAMS提供的DOE工具，通過研究優(yōu)化目標與設計變量之間的敏感度，找出相關度最大的作為設計變量，完成結構參數(shù)優(yōu)化。利用優(yōu)化后的模型進行管內(nèi)越障分析，發(fā)現(xiàn)原設計方案的不足之處，并提出新的結構

5、方案。
　　牽引機器人關鍵結構確定后，可以對牽引機器人整體進行仿真研究。先對爬行輪結構形式與機器人卡堵問題進行分析，得出無差速驅(qū)動是導致機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)臺階障礙時的運動狀態(tài)進行仿真研究，進一步證明無差速驅(qū)動是造成機器人卡堵的原因。為了使機器人能順利越障，必須使非越障輪具備打滑的條件。然后對牽引機器人

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