水平井机械轮式牵引器的驱动臂设计及电动机选型.pdf

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1、、锄石油／化I通用机械l6V函PP“。⋯’。⋯。Ⅵ水平井机械轮式牵引器的驱动臂设计及电动机选型中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司(天津300451)张玺亮张凤辉马认琦史红娟【摘要】利用Matlab软件优化了水平井机械轮式牵引器驱动系统中的驱动臂长度，并针对驱动臂在该长度下的弹簧力与正压力间的关系问题，提出了一种数据等效替代的拟合方法。之后，在保证牵引器产生的牵引力为lOkN的情况下，得到驱动电动机的选型，并利用曲线函数得到驱动电动机功率与弹簧力间的关系，进而求得弹簧力的变化范围。【关键词】水平井牵引器驱动臂弹簧力正压力曲线拟合

2、一．前言水平井牵引器是一种在石油水平井管道中作业的机器人，从运动方式上主要可分为轮式和抓靠臂式。轮式水平井牵引器的工作原理是通过可张开和收起的支撑臂，将驱动轮撑到管壁上，再由驱动轮转动产生牵引力来带动牵引器向前或向后移动。该运动方式的牵引器以wELLTEc公司与s0NDEx公司生产的牵引器为代表。国外水平井牵引器的研究已经相对成熟，我国对此方面的研究起步较晚，但发展较为迅速。水平井牵引器正朝大功率、大牵引力、高牵引速度的方向发展。在高温高压的水平井石油管道环境限制下，制造大功率与大牵引力的水平井牵引器面临诸多困难；即使单从设计角度上

3、，也存在诸多限制。其中最大的限制在于驱动系统——合适的驱动电动机与配套的减38然嚣牌：嘶年绷速器较少。大功率的驱动电动机尺寸过大；而尺寸合适的驱动电动机与之配套的减速器很少，故不能产生较大的牵引力。白相林探讨了牵引力与弹簧力之间的关系，之后优化设计了调节机构，并在保证一定牵引力的条件下分析了驱动系统，简要分析了所需驱动电动机的组数，这对于设计多段驱动系统的水平井牵引器提供了理论依据。曾华军基于复合形法设计了一种水平井牵引器的驱动臂，同时较为透彻地分析了牵引力与正压力的关系，但给出牵引力与正压力间的数学关系仍较为复杂，计算数值时存在不

4、便。于淼对水平井牵引器的牵引力进行了简单的数值分析。本文在前人工作的基础上，首先优化设计了一种大牵引力、大功率的机械轮式驱动牵引器的驱动臂，得到弹簧力与正压力间的数学关系。之后通过数据拟合的方法，得到较为简单又能等效替代弹簧力与正压力二者关系的数学表达式；并在理论分析的基础上定量分析，得到驱动电动机的选型，进而利用该数学表达式得到了驱动电动机功率与弹簧力之间的数学关系。二．水平井牵引器机械轮式驱动机构各部件水平井牵引器机械轮式驱动机构各部件如图1所示。驱动系统主要包括动作单元与驱动单元。当牵引器作业时，由动作单元打开和收起支持臂，牵

5、引单元利用传动系统完成对驱动轮的驱动。整个驱动系统由两组单向放置的电动机共同驱动。图1水平井牵引器机械轮式驱动机构各部件示意1．大锥齿轮2．链轮3．，J、锥齿轮4．齿形链5．链轮6．推杆7．推杆座8．传动轴9．动作套筒10．丝杠螺母11．动作电动机12．滚珠丝杠13．弹簧14．驱动电动机15弹簧16．中心轮其中，动作单元采取了利用前后弹簧来消化管径变化时驱动臂的动作，以此避免了动作电动机的频繁起动，而且也不至于让牵引器工作过程中出现大的振动。三．驱动机构浅析1．弹簧力与正压力分析驱动臂机构是一个连杆一滑块机构，弹簧力E通过滑块作用于

6、驱动臂，驱动轮受到正压力Ⅳ由转动副作用于支持臂上，两者共同作用使此系统平衡。正压力Ⅳ的取值与弹簧力F。有关，正压力越大，则牵引器所能产生的牵引力越大。驱动力机构受力分析如图2所示。由于这两个值均未知，故常采用求弹簧力与正压力的比值6为最小值来优化设计驱动臂，之后将得到的驱动臂数据带回不同直径的石油管道从而求出6在不同管径下的数值，进而通过数据拟合得到6曲线。驱动臂轴向力屿滑块弹簧力E平衡，则有r=F1，cos芦(1)驱动臂的力臂为厶cos【90。一(180。一口一∥)】=厶sin(口+卢)(2)正压力^，自勺力臂为厶cos口(3)根

7、据力矩平衡，有r’L2sin(口+卢)=ⅣL3cos口(4)根据式(1)～式(4)，可推出6=，。，』V可(厶，尺，r，D，d，L1)(5)雨、[、!n7州图2驱动机构受力分析其中，d为支持臂与推杆间高度差；丁’为驱动臂轴向力。对式(5)求解最小值，从而可以得到驱动臂的优化设计，根据设计参数，确定牵引器的适用范围为直径140～230mm的石油管道。为保证牵引器驱动臂与石油管壁能够接触产生正压力，故D要取最大值，即230mm。同时按照设计图样，取R=40mm，拈5mm，，=5mm，同时要求口≤70。，卢≤70。。2．弹簧力与正压力模型

8、求解根据设计需要，驱动臂的初始设计范围为80—130mm。利用Matlab软件自带的fmincon函数进行求解，设定初值x。=【120，120】。求解可得，Ll=124．81mm，L2=119．49mm，实际上取Ll=125m，L2=