陆地钻机立柱式钻杆排放系统设计　

口张洪生　

兰州理工大学　口姚璐璐　

机电工程学院　口杨帆　

兰州７３００５０　

摘　要：在对陆地钻机结构进行分析的基础上，设计了立柱式钻杆排放系统，系统采用全液压驱动设计，电液比例阀　

和电液方向阀等对系统的方向、位置和速度进行控制，再通过ＰＬＣ进行控制，实现了系统的智能化和柔性化。　

关键词：钻杆排放系统陆地钻机ＰＬＣ液压系统　

中图分类号：ＴＥ９２８；ＴＥ９５１　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—４９９８ｆ２０１２）０６—００３６—０３　

改革开放以来。我国经济高速发展，对能源的需　

求越来越大，我国也由石油出口国变为石油进口大　

国，石油已经成为制约我国经济增长的“瓶颈”。钻井　

是石油工业的“龙头”，钻井的投资占整个石油工业上　

游投资的一半左右。钻井工程技术水平直接关系到石　油勘探开发的成败。也决定着石油上游业务的发展潜　

力和竞争能力，目前，其技术发展趋向于信息化、自动　

化、智能化。　

钻杆排放系统作为海洋钻井平台和钻井船上重　

要的井口机械化设备之一，在起钻、下钻作业过程中　

实现了对钻杆、套管等钻具的夹持、提升、下放和平移　

等操作，实现钻井过程中井口到排放架之间钻杆排放　

的自动化操作，避免人与钻杆的直接接触。并可加快起　

下钻速度，对降低海上钻井作业成本、提高作业安全　

性发挥了重要作用。２０世纪９０年代以来，该技术趋　

收稿日期：２０１１年１２月　于成熟并开始广泛应用。２００１年，由英国石油公司与　

ＰＡＴ公司共同研制了轻型自动化钻井系统（ＬＡＤＳ），　

与相同功率常规钻机相比．新式钻机质量还不到常规　

钻机的１１２，仅需１人即可在计算机控制室完成所有　钻井、起下钻及水平排立管柱作业。因海洋钻井平台一　

钻井船的特殊和恶劣作业环境限制，也由于国家和行　

业内的相关法律法规对作业人员的ＨＳＥ要求，使海洋　

钻机对钻杆自动排放系统的需求量呈现出逐年上升　

的趋势。但是，对于陆地石油钻机而言，钻杆自动排放　

系统的应用还没有起步。本文根据陆地钻机常用的结　

构形式，借鉴国外海洋钻杆排放系统的开发经验，设计　

出适合安装到陆地钻机的立柱式自动排杆系统。　

１　结构方案　

笔者所设计的立柱式钻杆排放系统主要用于实现　

在井口与立根盒之间往返自动移送钻杆立根操作，还　

置与空心平旋盘轴作相对旋转运动；数据接收装置内　

部包括数据接收器和外界光源屏蔽罩，同时光脉冲发　

射器的发射端也位于信号接收装置内部，在该结构下，　

数据的发射和接收都在一个与外界干扰隔绝的环境　

下，从而可以避免外界信号对有用信号的干扰。为了便　

于机床各部分的安装和拆卸，在平旋盘轴和平旋盘的　

连接部位安装了数据线接口１，在平旋盘和动力主轴　的接触部位安装了数据线接口２。　

５结论　

（１）按照极坐标方程轨迹特点，设计出了主轴以　

极坐标参数运行的新型机床。　

（２）完成了机床整体的设计，针对机床电主轴在　

供电、供水以及位置反馈系统存在的问题，本课题成功　

的设计了电主轴的动态连接供水、供电系统，以及位置　

反馈数据的光耦传输装置。解决了制造极坐标机床的　

ｌＪ３６ｌ　２０１２／６　难题，为机床的生产制造提供了理论依据。　

参考文献　

［１］　杨建武．国内外数控技术的发展现状与趋势［Ｊ］．制造技术　

与机床，２００８（１２）：５７—５８．　

［２］Ｔｏｂｉａｓ　Ｓ　Ａ．Ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ［Ｍ］．Ｇｌａｓｇｏｗ：Ｂｌａｃｋｉｅ　ａｎｄ　Ｓｏｎｓ　Ｌｔｄ，１９６５．　

［３］　袁名伟，田美丽，徐国胜．车削中心的极坐标功能研究［Ｊ］．　

机械制造，２００２（９）：２４—２５．　

［４］Ｙａｎ　ＨＳ．Ａ　ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｃｒｅａｔｉｖｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　Ｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．　

Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｈｅｏｒｙ，１９９２，２７（３）．　［５］　Ｋｏｅｎｉｇｓｂｅｒｇｅｒ　Ｆ，Ｔｌｕｓｔｙ　Ｊ．Ｓｔｒｕｃｔｒａｌ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｌｌｓ［Ｍ］．　

Ｌｏｎｄｏｎ：Ｐｅｒｇａｍｏｎ　Ｐｒｅｓｓ．１９７１．　

［６］　陈子银，陈为华．数控机床结构、原理与应用［Ｍ］．北京：北京　理工大学出版社。２００６．　

△　

（编辑　凌　云）　

机械制造５０卷第５７４期　可与自动吊卡、动力辅助鼠洞、铁钻工配合完成离线　

单根接成立根操作，而不需要借助起升系统，不影响　钻进进度。系统结构形式与钻台排放架结构形式密切　

相关．根据钻机型式及钻杆立根容量等因素，排放架　

可设计成星型、平行型和ｘ—Ｙ型。图１为立柱式钻杆　

排放系统的示意图。其特点是有１个独立柱状的支撑　

构架，立柱上搭载着两个机械手臂，上机械手臂可以沿　

立柱上下移动，整个立柱可以在井口、鼠洞以及立根　

盒之间行走。上下端的驱动装置还能使立柱按照一定　

▲图１总体方案　１．平移油缸２．提升油缸３．行走马　达４．夹紧油缸５．夹持爪６．摆放主　臂Ａ　７．摆放主臂Ｂ　８．摆放副臂９．　行走齿条ｌＯ．上行走机构（行走马达）　１１．上行走轨道１２．钻具　▲图２上机械手臂　

１．辅助平移油缸２．辅助提升油缸　３．扶正爪４．辅助摆放主臂Ａ　５．辅　助摆放主臂Ｂ　６．辅助摆放副臂７．　钻具８．行走、回转机构（行走马达、　摆动缸）９．下行走轨道　▲图３下机械手臂　

机械制造５０卷第５７４期　的角度旋转。　１．１　上机械手臂　

图２为上机械手　臂的示意图。摆放主　

臂Ｂ与摆放副臂为平　行四连杆机构．根据　

椭圆机构原理，平移　

油缸动作驱动夹持爪　

在水平面内作前后直　

线运动．以实现夹持　

爪靠近或远离立柱：　

摆放主臂Ａ的长度为　摆放主臂Ｂ的１／２．提　

升油缸回缩实现夹持　

爪短行程的弧线提　升：行走马达经过齿　

轮减速后啮合立柱上　的齿条实现了整个上机械手臂的上下移动；锁紧油缸　

配合啮合齿条实现了上机械手臂的锁紧；上机械手臂　

夹持爪通过两个液压夹紧缸驱动夹持爪的张合，主要　

用于套住钻具，使其保持在导轨内，并能实现旋转从而　

实现钻具的加紧。　

１．２下机械手臂　

图３所示为下机械手臂示意图。下端固定在立柱　上，手臂机械机构与上机械手臂类似。辅助平移油缸与　

上臂平移油缸同步动作，辅助提升油缸与上臂提升油　

缸同步动作．使钻杆在保持竖直的状态下实现水平移　动和短距离升降。因下夹持爪不承载钻杆自重，所以由　

一个夹紧油缸控制其张合，内侧采用水平滚轮设计。回　

转机构实现整个立柱按角度转动，由摆动马达驱动。立　

柱有轴承支撑，摆动马达安放在支撑下方，马达输出轴　

直接和立柱相连。立柱底部为行走小车，由液压马达驱　

动，与立柱顶端行走小车中的液压马达同步动作，实现　

立柱在井口与立根盒之间的移动。　

２钻杆移动方案　

钻杆移送的；ｂ－案包括起钻、下钻、离线接单杆等，　

假定系统在半自动化控制的情况下工作，图４给出的　

为起钻过程。系统所进行的基本动作是相同的。而与控　

制方式无关。控制方式不同只不过使操作者的行为动　

作有所改变。ＰＬＣ可根据不同的工序要求进行自动４－１＝　

和半自动控制。　

起钻过程如下。　

图４（ａ）工序过程：　

１）系统处于备用状态；２）吊卡提升￣－ｄｉ￣；３）放入卡　

瓦。　图４（ｂ）工序过程：　

１）系统移动到井口；２）上爪平移伸出；３）上爪抓住　

钻具；４）铁钻工卸扣；５）下爪平移伸出；６）下爪抓住钻　

具；７）系统短距离提升钻具。　

图４（ｏ）工序过程：　

１）上爪、下爪同时收回；２）立柱移动到指定位置；　

３）上下臂同时平移伸出；４）系统使钻具短距离下降；５）　上爪、下爪同时松开；６）上下手臂同时收回。　

２０１２／６　２０　

１．油箱２．吸油滤油器３．液位计４．变量泵５．电动机６．空滤器７．单向阀８．压力表开关９．压力表１Ｏ．电磁溢流阀１１．储能器１２．电　液比例方向阀ｌ３．电磁换向阀１４．液控单向阀１６．回油滤油器ｌ７．冷却器１８．单向节流阀１９．电接点温度计２０．安全球阀２１．减压阀　２３．电磁水阀２４．压力接头２５．平衡阀　▲图５液压系统原理　

３液压驱动系统及控制系统　

３．１　液压驱动系统　系统采用全液压驱动，保证了整机动作迅速、平　

稳．满足了机构的动作精度及需要承受大负载及运动　

性能等方面的特殊要求。液压原理图如图５所示。　

在该液压系统中．为防止各种干扰影响手持抓取　

钻具，采用变量泵供油。平移油缸控制回路采用液压换　

向阀配合比例调速阀，实现夹持爪平移。夹紧油缸和提　

升油缸回路采用电磁换向阀配合双向液压锁、比例调　

速阀，实现钻具被抓取和提升时的锁紧和保压。马达回　路采用电液比例方向阀配合平衡阀。马达回路为了避　

免抖动，电液比例方向阀通过阀配的驱动器（比例放大　器）调整一个斜坡时间可以很方便地调节抖动特性，一　

个旋钮或手柄电位计经过ＰＬＣ处理后可以控制这个　

比例阀，方便现场工作时对速度的随时调整。部件运行　

方向的控制主要通过控制面板、外部接近开关和压力　

继电器的传递信号来改变液压回路的换向阀的工作位　

置，使液流按要求流动。　

３．２控制系统　本系统选用可编程控制器对液压执行系统进行控　

制。ＰＬＣ自带编程器能实现离线及在线编程，还可以结　

合实际的工程要求，调整控制程序，实现机械本体的不　

同动作，实现了柔性化设计。该机械手在ＰＬＣ控制下　

２０１２／６　可实现手动、连续动作两种工作方式。其手动方式是指　

利用按钮和摇杆对机械手每步动作单独进行控制，连　

动方式是指机械本体根据控制信号自动循环执行每步　

动作，直至获得停止信号。系统启动后，根据工序要求，　通过旋转按钮确定工作方式为单动或连动形式，如果　

选择连动则执行自动程序。否则默认执行单动程序。　

４结束语　

钻杆自动排放系统在提高钻井效率、改善工人工　

作条件、降低钻井成本等方面发挥了极其重要的作用。　

目前，国外已有多项钻杆自动排放系统专利。在对国外　钻杆排放系统研究的基础上，设计出国产的钻井平台　

钻杆自动排放系统，实现钻杆操作的自动化，是可行　

的。本系统采用全液压驱动设计，使用ＰＬＣ进行实时　控制，实现了手动、连动、互锁、状态显示、延时报警等　

功能，具有较强的抗干扰能力，良好的可靠性。　

参考文献　

［１］　刘文庆，崔学政，张富强．钻杆自动排放系统的发展及典型　

结构［Ｊ］．石油矿场机械，２００７，３６（１１）．　

『２］Ｈａｗｋｉｎｓ．Ｐｉｅｋ２ｕｐ　ａｎｄ　Ｌａｙ２ｄｏｗｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄ：ＵＳ．　

６，９９４；５０５　Ｂ２［Ｐ］．２００６２０２２０７．　［３］　姜鸣，曹言悌，周声强．陆地钻机钻杆自动排放系统的设计　

方案［Ｊ］．石油机械，２００８，３６（８）．　△　

（编辑　丁　罡）　

机械制造５０卷第５７４期