[发明专利]钻具搬运机械手

说明书

技术领域

本发明涉及石油钻采机械设备，尤其涉及一种石油钻机作业中用于搬运钻具的机械手。

背景技术

石油钻机作业中用于搬运钻具的机械手主要包括滑车、夹钳和机械臂连杆机构。通常采用绞车、滑轮组和钢丝绳系统来带动滑车沿导轨移动，使其完成整个机械手搬运钻具过程中的上下移动和导向功能；夹钳主要负责夹持钻具；机械臂连杆机构主要完成钻具的举升和搬运。

现有的钻具搬运机械手的机构原理图如图1所示：该机构主要由一个刚性机械臂a、驱动油缸b、滑车架c、轨道立柱d、夹钳e和提升装置h组成，其中轨道立柱d为竖直设置，滑车架c滑动设置在轨道立柱d上，提升装置h可以带动滑车架c沿轨道立柱d上下移动；机械臂a一端与滑车架c铰接，另一端与夹钳e铰接，驱动油缸b一端与滑车架c连接，另一端与机械臂a连接。该机械手在搬运钻具的时候，依靠驱动油缸b的伸缩，使机械臂a绕其与滑车架c的铰接点转动，从而带动夹钳e上夹持的钻具f运动，实现对钻具f的搬运。

上述钻具搬运机械手存在以下缺点, 如图1所示：

（1）在钻具f的搬运过程中，夹钳e的初始位置K和终止位置K′不在同一水平线上，其运动轨迹呈弧形，这就造成夹钳e的位置在整个运动过程中高度位置和水平位置都在时刻发生变化。若要仅实现钻具f的水平搬运，即在搬运前后，钻具f的高度位置一致。这就需要在驱动油缸b驱动机械臂a的同时，通过提升装置h来带动滑车架c向上或向下进行补偿，实现该补偿需要非常复杂的控制系统才能协同完成，同时机械手的效率也较低；

（2）机械臂a和夹钳e之间仅有一个铰接点，同时如前述分析的夹钳e的运动轨迹为弧形，这就造成夹钳e在整个运动过程中，可能会造成来回摆动，进而使夹钳e夹持钻具f时不稳定，存在一个不稳定的摆动角度β，钻具f在搬运过程中呈倾斜状态，同时还容易造成钻具f脱落或者碰撞到钻机上的其它装置。若要想钻具f在整个搬运过程中呈竖直状态，就必须增加许多附加装置，如在夹钳e上再增加一个驱动油缸，来调整夹钳e或者钻具f的位置。无论增加哪种附加装置，都给操作增加了难度，而且控制系统也更复杂，造成机械手的成本高；

（3）在一些需要精确控制夹钳e和钻具f速度的工况中，若要求钻具f和夹钳e做匀速运动，现有的机械手结构很难做到。即使能够做到，对电液控制系统的配合精度要求非常高，控制系统复杂，控制成本高。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种电液系统简单、自动控制的成本低，同时还能够让钻具做匀速直线的水平运动，进而实现钻具精准定位的钻具搬运机械手。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种钻具搬运机械手，包括竖直的导轨、可沿导轨滑动的上滑车和下滑车、伸缩油缸、夹持钻具的夹钳、机械臂和连接臂，所述伸缩油缸一端与上滑车连接，另一端与下滑车连接；所述机械臂一端与上滑车铰接，另一端与夹钳铰接；所述连接臂一端与下滑车铰接，另一端与机械臂的中部铰接，且该连接臂与机械臂的铰接处到机械臂两端部的距离相等，同时所述连接臂的长度为机械臂长度的二分之一。

采用以上结构，伸缩油缸分别和可沿竖直的导轨上下滑动的上滑车和下滑车连接；机械臂分别和上滑车和夹持钻具的夹钳铰接；连接臂分别和机械臂的中部和下滑车铰接；即可沿竖直导轨上下滑动的上滑车和下滑车、机械臂、夹钳构成一个三角形结构。连接臂与机械臂的铰接处到机械臂的两端部距离相等，也即是该连接臂相当于前述三角形的机械臂边上的中线。由于连接臂长度等于机械臂长度的二分之一，同时上滑车和下滑车在竖直的导轨上滑动，也即前述三角形的上滑车和下滑车所在边为竖直边。根据三角形三边定律、中线定律、以及三角形内角和为180度定律，可知夹钳与下滑车的连线所在边始终会垂直于上滑车和下滑车所在的竖直边，也即是下滑车和夹钳会始终保持在水平线上。使用过程中，绞车先通过下滑车将抓取了钻具的整个机械手吊到需要的预定高度，然后伸缩油缸驱动上滑车运动，改变上滑车和下滑车之间的距离，也即改变上、下滑车所在三角形的直角边长度（此时，下滑车由绞车吊着，在自重的作用下保持恒定位置不变），直角三角形的另外一条直角边（下滑车和夹钳所在边）和斜边（机械臂所在边）随之开始同步变形，根据三角形三边和中线定律可知，夹钳会随之相应的做水平直线运动。当伸缩油缸带动上滑车向上做均速直线运动时，夹钳随之带动钻具向靠近下滑车的方向做水平匀速直线运动；当伸缩油缸带动上滑车向下做匀速直线运动时，夹钳随之带动钻具向远离下滑车的方向做水平匀速直线运动。总之此结构，能够轻松实现夹钳和钻具的水平直线运动。运动定位精准，能够减少钻具的摆动，自动控制简单。