作品名稱：搖臂式鐵鉆工
學校名稱：陸軍軍事交通學院
參賽隊伍：軍交十三隊
參賽學生：魏宇 韋仕龍 吳俊松
指導老師：王文照 孫愛麗
石油和天然被廣泛運用于化學、農(nóng)業(yè)、交通、服裝等各行各業(yè)，是人類社會的重要能源，在國民生活和社會發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。而我國經(jīng)濟發(fā)展持續(xù)穩(wěn)定，對于能源尤其是石油類能源的需求也在日益增長。提升石油能源的供應需要勘探、開發(fā)、儲運、煉化等環(huán)節(jié)，而鉆探在石油天然氣工業(yè)領(lǐng)域中的發(fā)揮著“龍頭”功能，在地質(zhì)工作、勘探和開發(fā)中鉆井的作用不可替代。隨著科技進步，工業(yè)技術(shù)發(fā)展，鉆井技術(shù)也在向“橫”、“深”、“小”、“巧”四個方向發(fā)展，而對其自動化和智能化的要求也越發(fā)緊迫
在鉆井作業(yè)中，管具上/卸扣工序頻率較高。傳統(tǒng)的鉆修井作業(yè)中，管具的上/卸扣過程需要鉆井工人與管具直接接觸，人工體力消耗高。同時野外工作環(huán)境惡劣，存在安全隱患，鉆井過程中的安全生產(chǎn)問題顯得十分突出。現(xiàn)代化的鉆桿上/卸扣工具的設(shè)計使用，可以降低鉆井作業(yè)過程的人工勞動強度，提高上/卸扣效率和降低安全隱患。在這個背景情況下，鉆具的上/卸扣設(shè)備不斷的更新，從液氣混合動力大鉗發(fā)展到現(xiàn)在功能最強大的鐵鉆工。這些自動化的上/卸扣設(shè)備推動了鉆井作業(yè)的現(xiàn)代化進程。
我們提出的伸縮臂式鐵鉆工方案提高了上/卸扣工具的適應范圍，提升海洋平臺鉆井作業(yè)的效率，減少了工人的手工操作，增強了平臺作業(yè)的安全性，降低了生產(chǎn)成本。
1.機械臂結(jié)構(gòu): 該搖臂式鐵鉆工機械臂整體結(jié)構(gòu)主要由連桿、連接塊、銷軸、液壓缸等構(gòu)成。連桿通過銷軸與連接塊相連，液壓缸驅(qū)動連桿運動，從而帶動連接塊移動，實現(xiàn)機械臂末端鉗頭裝置至井口作業(yè)區(qū)域。鐵鉆工鉗頭裝置位于機械臂的末端，在機械臂運動過程中始終保持著垂直于桿件的穩(wěn)定，便于上卸扣作業(yè)。
2.底座結(jié)構(gòu): 該搖臂式鐵鉆工底座的主要作用是將鐵鉆工和鉆臺相連，其主要功能是完成鐵鉆工的回轉(zhuǎn)運動。在底座設(shè)計過程中，底座應具有一定的強度，能過承受鐵鉆工整機的重量，以及作業(yè)過程中帶來的慣性沖擊。底座內(nèi)部采用齒輪傳動結(jié)構(gòu)，通過行星輪帶動軸承運動，實現(xiàn)鐵鉆工整機的運動，因此齒輪也應具有足夠的結(jié)構(gòu)強度。同時由于鐵鉆工作業(yè)的頻繁性，應防止其的疲勞破壞。在底座設(shè)計中，采用了傳感器設(shè)備，通過測試獲得底座回轉(zhuǎn)角度，便于鐵鉆工運動的控制。
3.箱體結(jié)構(gòu):箱體安裝在底座上，實現(xiàn)對鐵鉆工的高度調(diào)整，負責承擔折臂與鉗體的重量和當鉗頭與折臂運動時的慣性沖擊。
4.旋扣鉗結(jié)構(gòu)：旋扣鉗由4個液壓馬達、夾緊架、浮動機構(gòu)等組成，上扣時夾緊架閉合使摩擦滾筒夾緊鉆具，同步液壓馬達由軸帶動摩擦滾筒通過摩擦力驅(qū)動鉆桿旋轉(zhuǎn)，達到緊扣載荷后，馬達停止轉(zhuǎn)動并張開夾緊架完成上扣工作;卸扣時旋扣鉗夾緊鉆具進行旋轉(zhuǎn)，至完全旋開鉆具螺扣。
5.沖扣鉗結(jié)構(gòu)：下部鉗體由沖扣鉗和夾緊鉗配合工作。緊扣時由夾緊鉗夾緊下端鉆具，在旋扣鉗完成上扣動作后，沖扣鉗內(nèi)部夾緊塊伸出夾住上端鉆具，通過底板一端液缸推動沖扣鉗以鉆具圓心為中心旋轉(zhuǎn)進行緊扣，并由傳感器檢測控制輸出扭矩至額定值;沖扣時夾緊鉗夾緊下端鉆具，由沖扣鉗夾緊上端鉆桿完成沖扣動作。為減少夾緊液缸的體積，降低液壓系統(tǒng)壓力，設(shè)計采用杠桿結(jié)構(gòu)。
