钻具旋转机械手设计范文

《机械杂志》2014年第六期

1机械手总体设计和特点

JGxxx旋转机械手主要由底座、旋转轴系、旋转臂、夹持器和旋转油缸组成。如图1所示。底座全由型材组合焊接而成，提供整个部件的支撑及其与拖车的连接接口；旋转轴系由旋转轴和滑动轴承座等组成。旋转轴靠花键实现扭矩的传递，滑动轴承座采用国标滑动轴承座，由螺栓连接固定在底座上；旋转臂也全由型材组合焊接而成，传递扭矩，实现载物的旋转。夹持器由三个油缸、两个夹持臂、滑动块和夹持器夹组成。一个端部法兰连接油缸推动滑动块直线运动，另两个单耳板连接油缸依据杠杆原理控制两夹持臂的开合，夹持钻杆时，两油缸推动两夹持臂闭合，另一油缸推动滑块夹紧钻杆，靠摩擦力夹紧钻杆实现旋转。各旋转连接点由销轴连接，实现转动；旋转油缸靠中部法兰安装在底座上，由花键与旋转轴连接，提供旋转扭矩。

2设计计算

2.1JGxxx旋转机械手夹持器计算对于外径245mm，重量3000kg的钻杆，当初始接钻杆时候受力分析如下：考虑安全系数1.67，分配到单个夹持机构的力G为25.2kN。图2为钻具夹持器水平状态受力分析。根据力平衡：F1＝G＝2.52×104N图3为钻具夹持器最高位置的受力分析。取摩擦系数μ＝0.1，故油缸一的推力F2为。

2.2JGxxx旋转机械手轴系计算分析由于摆动油缸花键接口的尺寸限制，轴系的最小直径为112mm，轴系的结构，受力与约束施加如图2所示。简化了轴的结构，轴上花键部分以花键的最小直径代替。考虑花键材料抗拉强度极限不低于600MPa，初步选用35CrMn。图5为2009年8月5日受力分析的实验记录。图7为不同条件下的等效应力实验记录。根据上述结论，按第三强度理论，做弯扭合成强度校核计算，按照对称循环应变力时的许用弯曲应力，[σ-1]＝70MPa，σca＝13.1MPa≤[σ-1]，满足强度条件。按照刚度要求较严格的轴取许用挠度为：[y]＝0.0002×h＝0.274mm式中：h为两个轴承间距，根据文献[9]结合产品工作条件，取h＝1370mm。变形量y＝0.02mm≤[y]，满足条件。由于轴的使用转速很小，应力应变频率低，不需要精确校核轴的疲劳强度。

2.3花键的连接强度计算以传递扭矩最大、直径最小的摆动油缸连接处校核，按照静连接条件，以工作面上的压力进行条件性的强度计算，计算公式如下：

2.4JGxxx旋转机械手轴承座受力计算选用铅青铜材料，材料牌号为zCuPb10Sn10或zCuPb30，按照变载荷和冲击载荷条件验算。简化轴承载荷，由钻具重量3000kg与旋转机械手旋转部件考虑工作安全情况，根据文献[9]取安全系数1.67。再考虑特殊情况，如钻具中装满干性的重泥浆等特殊情况，将安全系数再扩大1.6072倍，如此再加载到两轴承上。根据文献[9]得单端轴承载荷为：结论：设计满足规范条件和工作中的使用要求。

作者：邬静单位：中国石油川庆钻探川西钻探公司