摘要：基于新型無鉆機鉆探機器人，設(shè)計一種推靠支撐機構(gòu)，對其進行結(jié)

構(gòu)設(shè)計和工作模型分析。該機構(gòu)結(jié)構(gòu)上采用兩對軸向交錯排布的液壓缸，既增加

了推靠支撐的行程，又增強了徑向支撐強度；同時前后支撐機構(gòu)和牽引機構(gòu)協(xié)調(diào)

配合，實現(xiàn)井下鉆探機器人的徑向偏置和軸向?qū)蜃藨B(tài)調(diào)整。對關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行力

學(xué)分析和設(shè)計參數(shù)校核，保障機構(gòu)的穩(wěn)定性。樣機的液壓系統(tǒng)在30MPa壓力下

穩(wěn)定溢流，為機器人的最大推靠支撐力達(dá)到40kN提供了現(xiàn)實依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鉆探機器人；推靠支撐；無鉆機鉆去

0引言

井下機器人是加強油氣開發(fā)勘探的有力工具，具有成本低、風(fēng)險低、環(huán)境友

好、全自動和遠(yuǎn)程監(jiān)控等特點，是未來智能油氣鉆探的發(fā)展方向，可在深井、超

深井、大斜度井和大位移水平井中進行作業(yè)儀器的輸送和其他輔助作業(yè)，如測井

機器人、排水采氣機器人、鉆孔機器人、液壓牽引機器人⑻和連續(xù)油管鉆井機器

人。

輪式、伸縮式和硬式機器人是油氣井下機器人的主要類型，均由支撐機構(gòu)、

能源供給、控制和驅(qū)動系統(tǒng)組成，其中支撐行走是基礎(chǔ)，主要提供一個對井壁或

套管的正壓力，以獲得摩擦力實現(xiàn)牽引爬行。支撐機構(gòu)有自鎖滑塊、液壓活塞、

齒輪、蝸輪蝸桿、絲杠和凸輪等。

國外的Sondex輪式牽引機器人、刀片式三連桿井下牽引機器人及伸縮式井

下牽引機器人均采用雙向鎖止，但推靠支撐的每個機構(gòu)只有一對支撐，機器人軀

體容易產(chǎn)生偏移，且提供的牽引支撐力較小。國內(nèi)的伸縮式雙向鎖止機構(gòu)能提供

較大的牽引力，但易發(fā)生自鎖，產(chǎn)生井下卡堵。BadgerExplorer貍式鉆探器無須

鉆井平臺，減少了工作程序和人力耗費，但鉆速較慢，井孔被巖屑填充，無法進

行鉆井液錄井和取心作業(yè)，支撐機構(gòu)則需要提供更大的牽引支撐力。伸縮式鉆探

機器人通過牽引缸和支撐缸軸向布置，優(yōu)化支撐機構(gòu)和鉆井液流道，以提供所需

鉆壓，實現(xiàn)牽引及動態(tài)破巖。

基于新型往復(fù)蠕動式無鉆機鉆探機器人，本文提出一種液壓缸徑向布置的推

靠支撐機構(gòu)，通過輔助支撐傳遞較大牽引力，通過軀體位置和姿態(tài)調(diào)整減少牽引

時軀體與井壁的摩擦，以適應(yīng)井下復(fù)雜環(huán)境。

1推靠支撐機構(gòu)與工作機理

1.1推靠支撐機構(gòu)設(shè)計

無鉆機鉆探機器人推靠支撐機構(gòu)的總體布局如圖1所示，主要由鉆頭、前/

后推靠支撐機構(gòu)、前/后牽引機構(gòu)、敦實機構(gòu)和控制系統(tǒng)等組成，且前/后支撐、

牽引的機械結(jié)構(gòu)相同，共同協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)完成支撐和爬行動作。

敦實機構(gòu)

前/后牽引機構(gòu)

鉆頭

纜線存放倉

前/后推靠支撐機構(gòu)

圖1鉆探機器人推靠支撐機構(gòu)總體布局

單個推靠支撐機械結(jié)構(gòu)如圖2所示，液壓缸采用中心對稱的方式，軸向呈十

字支撐。雙作用液壓缸通過柱塞桿上的活塞分隔進油腔和回油腔，進油腔進油，

柱塞桿穩(wěn)定推出，回油腔進油，柱塞桿回收復(fù)位。

液壓驅(qū)動的結(jié)構(gòu)如圖3所示，運行路徑為伺服電機一減速機一柱塞泵，接著

泵（輸出壓力油）一單向閥一溢流閥一電磁控制閥（4只）一液壓缸，完成缸體

控制。液壓控制系統(tǒng)通過反饋信號（MPU-6050實時計算輔助支撐臂擺動姿態(tài)）

實現(xiàn)柱塞桿伸出距離的定位并維持壓力的恒定輸出。

圖3液壓驅(qū)動三維模型

1.2推靠支撐原理

推靠支撐機構(gòu)采用直動導(dǎo)桿滑塊運動方式，如圖4所示。柱塞桿W為動力

桿，推動支撐板滑軌V同時上移和左移，輔助支撐臂U引導(dǎo)滑軌V保持水平狀

態(tài)與井壁平行。

13液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)能夠提供較大的驅(qū)動力，但是其結(jié)構(gòu)和元器件較為復(fù)雜，密封要求

高。其四缸油路運行路徑如圖5所示。

A液壓缸

山x網(wǎng)B液壓缸

C液壓缸

電磁閥

溢流閥

45Az單向閥

電磁閥

1電磁閥

柱塞泵

D液壓缸

伺服電機理驛1安電磁閥

油箱

圖5液壓驅(qū)動系統(tǒng)示意圖

1.4推靠支撐運動模態(tài)

前/后推靠支撐機構(gòu)通過八個液壓缸與牽引機構(gòu)協(xié)調(diào)配合，完成無鉆機鉆探

機器人的三種運動模態(tài)：鉆進或回退、徑向偏置調(diào)整、軸向姿態(tài)導(dǎo)向。

機器人的鉆進動作通過推靠機構(gòu)的支撐與伸縮來實現(xiàn)，狀態(tài)a為初始狀態(tài),

前/后推靠支撐板全部推出，并與井壁緊固支撐機器人軀體，其他各狀態(tài)如圖6

所示，鉆進時相應(yīng)運動過程如下：

(1)狀態(tài)a到狀態(tài)b：前牽引機構(gòu)緩慢伸出，推動鉆頭鉆進至最大距離后，

前推靠支撐機構(gòu)柱塞桿收回，后推靠支撐機構(gòu)保持穩(wěn)定支撐。

(2)狀態(tài)b到狀態(tài)c：后牽引機構(gòu)緩慢伸出，前牽引機構(gòu)配合后牽引機構(gòu)

進行收縮，前推靠支撐機構(gòu)向前伸出至最大距離后支撐板全部推出。

(3)狀態(tài)c到狀態(tài)d：后推靠支撐機構(gòu)的支撐板全部收回，敦實機構(gòu)配合

后牽引機構(gòu)緩慢收縮。

（4）狀態(tài)d到狀態(tài)e：后牽引機構(gòu)收縮至最小位置，后推靠支撐機構(gòu)全部

推出支撐，整體恢復(fù)至初始狀態(tài)a,周期動作完成,機器人獲得一定的鉆進深度。

狀態(tài)a

狀態(tài)b

狀態(tài)C

狀態(tài)d

狀態(tài)e

圖6支撐與伸縮鉆進示意圖

機器人回退動作與鉆進相反，不再贅述。

機器人的徑向偏置調(diào)整過程如圖7所示，狀態(tài)1中，Xi柱塞桿與X,柱塞桿、

匕柱塞桿與丫2柱塞桿均徑向中心對稱排布，沿軸向十字支撐。當(dāng)兩對柱塞桿在行

程上協(xié)調(diào)同步收縮至狀態(tài)2,總與匕柱塞桿收縮，X?與丫2柱塞桿伸出時，則可實

現(xiàn)徑向偏置。

狀態(tài)1狀態(tài)2

圖7機器人徑向偏置調(diào)整

機器人的軸向姿態(tài)導(dǎo)向過程如圖8所示，當(dāng)X1與X,柱塞桿收縮、X?與X3柱

塞桿伸出，另外的兩對支撐協(xié)調(diào)伸縮，則機器人軀體軸線與井孔軸線傾斜一個角

度明同時牽引機構(gòu)帶動鉆頭按照其軀體姿態(tài)緩慢鉆進，長距離累積后，可實現(xiàn)

導(dǎo)向鉆進。

圖8機器人軸向姿態(tài)調(diào)整

2推靠支撐機構(gòu)力學(xué)分析

2.1機構(gòu)承載力與支撐臂角度關(guān)系

推靠支撐機構(gòu)的承載力（以下簡稱〃機構(gòu)承載力〃）是指由機器人伸縮機構(gòu)支

持部分軀體伸縮前進時作用于支撐機構(gòu)上的力（圖6中狀態(tài)a至b時，前推靠支

撐機構(gòu)需提供鉆頭鉆進的鉆壓）。由于推靠支撐機構(gòu)中心對稱，受力基本對稱,

以圖9中一對推靠支撐板為例進行受力分析。

/////////////.

圖9推靠支撐機構(gòu)靜刀學(xué)模型

左側(cè)輔助支撐臂②為二力桿，F(xiàn)21與F23是作用力與反作用力，大小相等，方

向相反，作用在同一條直線上，分解出的只與F；大小相等，方向相反，F(xiàn)y與

亦同。綜合受力分析得出機構(gòu)承載力大小公式:

Fc=2jLiFN/(1-Litany)(D

式中：Fc為推靠支撐機構(gòu)的承載力（N）；〃為井壁的摩擦系數(shù)；片為柱塞

桿推出力（正壓力）（N）;H為反作用力F"與承載力方向上所夾的銳角（。）。

可知機構(gòu)承載力取決于三個要素一一8、〃和V,其中ES40kN,〃取值范圍

為0.1?0.4,v的大小關(guān)聯(lián)輔助支撐臂和柱塞桿的伸出長度，影響推靠支撐機構(gòu)

的最大結(jié)構(gòu)承載力。那么，F(xiàn)N取40kN時，可以得出機構(gòu)承載力與支撐角度、摩

擦系數(shù)的關(guān)系，如表1所示。

表1機構(gòu)承載力的變化單位：N

角度(7)

摩擦系白加、^30°45°60°75°

0.184908889967612763

().218089200002448063094

0.3202302428549959自鎖

0.44160953333104174自鎖

當(dāng)卜為75。、摩擦系數(shù)較大時，機構(gòu)承載力通過輔助支撐臂施加在支撐板的

摩擦角內(nèi)，支撐機構(gòu)形成自鎖，無論多大的力均無法使支撐板相對井壁滑動。實

際運行中需避免機構(gòu)自鎖且提供較大牽引力，y在45。?60。時，在地下鉆進的封

閉空間內(nèi)，支撐板與井壁摩擦系數(shù)大于02則兩對推靠支撐結(jié)構(gòu)的牽引力將大

于40kN,前/后推靠支撐機構(gòu)也將提供超過40kN的鉆壓。

2.2液壓缸缸壁厚度6分析

液壓缸主要部件包括缸蓋、柱塞桿和缸體。機器人外徑為170mm,其內(nèi)置

的巖屑管道直徑為25mm,設(shè)計的液壓缸缸體內(nèi)徑。=40mm,柱塞桿桿徑”0.7D,

柱塞桿總長為140mm,缸體材料為42CrMo合金。根據(jù)表2所示的缸體材料力

學(xué)性能，柱塞桿推出力FN=40kN時。，缸內(nèi)壓強約為32MPa,為中高壓系統(tǒng)，同

等壓強下柱塞收縮力約為20kN。

表242CrMo合金力學(xué)性能

硬度(退抗拉強度屈服強度伸長率彈性模fit沖擊功沖擊韌性值硬度

火)OtXMpa)Os(Mpa)6s(%)E(Mpa)Akv(J)akv(J/cm:)

147->10802930N12210000(2CX)263278(8)w

241HB(110)(95)185000(300℃)217HB

對于中高壓系統(tǒng)，或者。/6V3.2,液壓缸的缸筒厚度按照厚壁筒計算。綜合

塑性材料和脆性材料的許用應(yīng)力計算，分別采用第四和第二強度理論，得到液壓

缸缸壁厚度624.17mm,符合32MPa的壓強要求。

2.3柱塞桿活塞密封分析

柱塞桿上的活塞厚度一般為其活塞直徑的0.6?1.0倍,活塞處外徑為40mm,

為了增大行程，取活塞厚度224mm,擬定選取6=30mm。同時進行薄弱點以及

安全系數(shù)分析，避免活塞密封失效，其中活塞處的等效應(yīng)力分析如圖10所示。

模型名稱:枝容軒vonMises(N/mA2)

算例名稱:靜應(yīng)力分析

圖修類型:齡應(yīng)力分析節(jié)應(yīng)力1.489e>08

變形比例：1I1.3670,08

1.244e+08

1.121e*08

9.987e+07

8.761e*07

7.534e>07

6.308e+07

5.082e*07

3.85X+07

(2.629e+07

1.403e+07

?大：1.4891081.766e+06

，屈腕力：1.070e+09

圖10柱塞桿活塞等效應(yīng)力分析

選用與42CrMo合金相近屈服強度的材料，并通過夾具顧問模擬固定柱塞,

通過外部載荷顧問輸入軸向力總數(shù)為40kN,劃分網(wǎng)格并進行運算。得到最大等

效應(yīng)力為1.489x108N/rrV,小于屈服力(1.07x109N/m2),安全系數(shù)如圖11所

示，薄弱點為7.185,近大于安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，柱塞桿活塞強度滿足設(shè)計要求。

模型名稱:柱塞桿安全系數(shù)

算例名稱:沖應(yīng)力分析

圖解類型:安全系數(shù)6.060e+02

準(zhǔn)則:自動

5.561e+02

I5.062e+02

I.4.563e+02

I4.064e+02

3.565e+02

3.066e+02

2.567e+02

[2.068e+02

最?。?.185e+001.569e+02

1.070e+02

J5.709e+01

7.185e+00

圖11柱塞桿活塞安全系數(shù)

柱塞桿活塞的受力變形位移分析如圖12所示，可見柱塞主要受力部位徑向

的變形位移量為2.461x103mm,兩側(cè)膨脹位移最大約為0.005mm,在柱塞桿加

工及密封圈配合誤差的范圍內(nèi)。

模型名將:柱喜桿UX(mm)

M例名林:靜應(yīng)力分析

最大2.461c03

圖解類型:齡態(tài)位移2.461e-03

變形比例：12.039e03

1.616e-03

1.193e-O3

7.704。.04

3.476e04

-7.516e05

-4.979e-04

-9.207e-04

I-1.343e-03

■-1.766e-03

|<2.189e03

?2.612e03

圖12柱塞位移分析

綜合活塞的等效應(yīng)力和位移分析，可知柱塞桿活塞高壓密封穩(wěn)定。

2.4柱塞桿桿徑。校核分析

柱塞桿是液壓缸傳遞力的主要零件，其桿徑一般為活塞直徑的0.7D,即d=28

mm。

（1）根據(jù)強度要求來計算柱塞桿桿徑小柱塞桿在穩(wěn)定狀態(tài)下要滿