第 1 章 绪论
1.1 选题的背景及意义
钻机智能化和自动化在钻探技术发展背景下已经成为现代钻机设计的一个重要标志。钻机起下钻的自动化与智能化可以缩短起下钻时间，以提高工人作业的安全性及减轻工人体力劳动强度，以提高工作效率。在起下钻作业中的提起，移动和摆放于预定位置的移摆管机构是实现其工作的主要机构。移摆管机构的自动化可规避传统人工移摆钻杆操作的弊端：一方面，劳动强度大，人工成本高。在深部钻探作业中，需要运用 200 至 300 根长达可至 9 米，重约 300Kg 的钻杆；另一方面，安全隐患大，这些钻杆需要工人直接接触以摆放至精确位置，据钻井协会调查在起下钻过程中产生的钻探事故高达 52%，不仅钻探风险很高，而且延长钻探作业周期，增加了钻探作业成本。可见，自动移摆管的研发与使用对于钻井作业自动化和智能化具有重要意义。国内外的研究人员及对自动移摆管的研发取得了大量的成果，常用的 PHS 移摆杆装置如图 1-1 所示。由于移摆管机构会将竖直钻杆有顺序的精确的摆放至下一作业点，与人工操作过程类似。在此需求下，对于平面机构具有很大优越性的空间开链机构-机械手的研究进入移摆管机构的研究领域。最初空间机构的运动复杂，导致移摆管机构更新始终未突破平面范畴，然而随着计算机的不断更新和软件的不断开发，在计算机软件中进行虚拟装配，为空间机构运用解析法进行设计提供基础。机械手和机器人技术和设计日渐成熟，为移摆管机构超出平面机构范围提供广泛的理论基础与技术依据。为保证自动移摆装置工作过程中保证整钻杆的稳定及抓取动作的效率，抓取机构工作的准确性及在整个工作循环的可靠性对于钻杆移摆装置至关重要。本文研究的单蜗杆双蜗轮减速器钻杆抓取机械手，旨于提高抓取机构的安全性与稳定性。在抓取钻杆的过程中遇到钻杆的摆动、意外停车等突发状况时，夹取机构可以保证抓取的稳定，在保证安全性与稳定性的前提下提高系统的工作效率也为方案的实际目标。本文源于的“863”项目课题，课题要求结构需满足课题要求的自动化及智能化的控制要求，即在满足稳定性的前提下机构应易于控制、反应准确、快速。在优化减速器时，首先对箱体质量进行优化，减轻箱体的质量；再采用齿廓修形方法、材料选择等多种方式提高减速器的承载力。
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1.2 国内外发展现状
目前，常用的钻杆抓取机械手有两种，一种为机械式夹取，另一种为电磁式夹取机构。市场上的机械抓取装置的结构形式较多，早期的抓取机械手自动化程度不高，如美国的 National Oilwell Varco 研制的配合钻杆排放系统的 StandTransfer Vehicle 系统如图 1-4 所示。此系统也采用了两组抓取装置配合使用，且每组抓取动作由两个机械手组成。其特点在于：抓取装置的位置可使用液压装置调节；四个机械手都是通过液压传动机构驱动；每个机械手有四个交错的机械臂；抓取动作稳定。其不足在于液压油路过多，结构复杂，重量大等。近年来，电磁式抓取机械手的使用越来越广泛，其抓取动作的完成是通过电磁铁的通电与断电进行控制，早期电磁铁抓取机构主要用于移动重型管材。此结构与传感器配合使用，保证系统的安全性，Vlentec 公司研制的抓取机构Vacuum_lifter_Chile 如图 1-7 所示。其优点较为明显：质量小、结构紧凑简单且抓取范围大，工作效率高；不足在于只有电磁铁保护系统的安全性，对电力输出性能依赖较大，没有传动液压抓取机械手的自锁性。德国 Herrenknecht AG 也对电磁抓取机构进行了研制。此公司研制的超深钻工程的钻机所配备的自动化系统内采用了电磁式抓取机构，如图 1-8 所示。
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第 2 章 单蜗杆双蜗轮减速器结构设计及分析
2.1 基于自动化控制抓取动作的结构设计
由于课题要求抓取机构在工作过程中应保证抓取动作的稳定性，即当出现摆动、意外停车等突发状况时抓取机构应具有自锁性能。因此，本方案基于蜗杆传动的自锁性能，采用单蜗杆双蜗轮结构的减速器装配卡瓦等结构用以完成夹取动作。与传统钻杆夹取机构相比，选用单蜗杆双蜗轮减速器在于其机构易于控制且反应迅速，可以完成课题所需的自锁、结构紧凑、质量轻等设计要求。其设计的重点及难点：1.由于课题要求较高的操控性能，即在满足结构紧凑、质量小的前提下，提高减速器的承载能力为设计难点；2.由于机构为对称设计，蜗杆轴向受力较大，因此对于箱体结构可靠性的要求较高，在保证强度的条件下，对受力的分配为另一难点。此机构有着传统液压系统抓取机构的优点：对力的输出平稳度较好，运动灵活换向方便等。然而，在本课题钻杆移摆系统中其他结构均无液压装置，若运用此装置需要单独安装布置液压油路，不满足课题纯电动控制的要求。方案二，基于课题的自动化、智能化控制的要求，因此，选用电机控制系统。在传动方式选择使用反应灵敏准确，具有自锁性的蜗杆传动方式，在设计使用四个输出轴的单个蜗轮蜗杆减速器作为抓取机构扭矩输出及爪安装装置，其结构如图 2-2 所示。此机构的优点较为突出：1.反应灵敏迅速，抓取位置准确；2.蜗杆传动装置具有良好的自锁性；3.结构较为简单，没有传统液压装置复杂的油路系统，易于控制。然而其缺点也较为明显：由于减速器作为卡爪的安装装置，其输出轴较长；且单个减速器受力极大，对其许用力矩要求较高，导致蜗轮蜗杆的中心矩较大，所需减速器体积较大，质量较重，不满足课题要求的灵活性及稳定性等要求。本课题选择使用两个单蜗杆双蜗轮结构减速器配合使用完成夹取动作，此方案的设计是根据蜗杆传动的自锁性及课题要求的灵活准确性，对方案二予以改进，使用两个单蜗杆双蜗轮的减速器作为扭矩的输出及爪安装固定装置。由于使用两个减速器配合使用，因此可选用较小许用力矩的蜗杆传动结构，且蜗轮蜗杆的中心距较小可使得结构更加紧凑。经过使用 CREO 中的体积计算模块，在采用相同的钢材料时，此结构比上述方案二减轻约 10 千克。其优点较为突出：具有良好的运动对称性；在自动移摆机构运动过程中如遇突然停车等状况，具有自锁功能保证施工安全；也具有结构紧凑、易于安装、工作周期短等优点。
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2.2 减速器的结构设计
基于机构的受力分析和课题的需求，抓取结构确定为单蜗杆双蜗轮结构。采取单蜗杆双蜗轮结构是为了保证机构的安全性（即蜗杆传动的自锁性）和夹取动作良好的对称性，其结构设如图 2-11 所示。输出轴安装轴承选择角接触球轴承配合使用。又角接触轴承能承受较大的单向轴向力，因此在输出轴装配的两对角接触轴承采用背对背或面对面配置方式，本设计采用两对角接触轴承分别采用背对安装方式，使得减速器能同时承受较大的轴向及径向载荷，在减速器输出轴使用角接触轴承来保证轴承安装的同轴性，且利用轴肩与套筒配合对蜗轮进行定位。由上述可知，蜗杆轴向力较大，若仅以箱体承受此轴向力，则需箱体的厚度较大，不能满足系统所要求的箱体轻量化的要求。基于箱体的受力情况，本设计主要是根据推力轴承的装配特点设计出支撑机构，一方面装配推力轴承承受蜗杆的轴向力，另一方面连接外部架体，将箱体所受力通过六个螺栓分配给架体。再者，由于直接与减速器内部结构相连，因此减速器与架体连接更稳定，有助于提高抓取钻杆的准确性，也使得整体结构更加紧凑。
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第 3 章 减速器箱体结构强度分析及优化..........29
3.1 箱体有限元分析...........29
3.1.1 箱体的边界条件的设置与仿真计算....29
3.1.2 不同工况下的仿真结果的分析............34
3.2 减速器箱体的优化......35
3.3 本章小结.....37
第 4 章 蜗轮蜗杆的接触分析仿真及优化..........38
4.1 蜗轮蜗杆的接触分析及仿真........38
4.1.1 蜗杆与蜗轮的建模.....38
4.1.2 蜗轮蜗杆接触仿真分析......41
4.2 齿廓修形对减速器承载力的优化..........47
4.3 材料选择与加工对减速器承载力的优化......59
4.3.1 材料选择对承载力的优化..........59
4.3.2 加工方式对减速器承载力的优化.......64
4.4 本章小结....64
第 5 章 双蜗轮传动性能的同步性分析.....65
5.1 单蜗杆双蜗轮动力学仿真............65
5.2 两侧蜗轮传动性能同步性结果的分析...........69
5.3 本章小结....73
第 5 章 双蜗轮传动性能的同步性分析
基于课题的智能化自动化的需求，与抓取钻杆的准确性要求较高，因此对两侧蜗轮的输出扭矩的同步性有较高的要求。对于同步性的评价主要从以下几个方面：两侧的蜗轮的转速、输出转矩、齿面接触力的大小一致性等。因此，本章重点在于对双蜗轮传动性能的同步性分析，验证机构设计的合理性及其同步性是否满足课题的需求。本章使用 ADAMS 对单蜗杆双蜗轮减速器进行运动学及动力学分析。对双蜗轮传动性能的同步性进行仿真分析，验证双蜗轮机构的抓取动作的同步性。
5.1 单蜗杆双蜗轮动力学仿真
由于在 PTC（Creo）完成装配，导入到 ADAMS 时，其约束及各部件的质心位置均不能显示。因此，本文采用 UG 软件对 Creo 生成的装配体进行二次装配及对动力学仿真所需的各部件进行约束。由于 UG 所能导出的 amd 格式的文件能实现与 Adams 的无缝连接，导入的模型约束及各种 MARKE 点均在，为下一步ADAMS 的驱动及力的施加打下良好的基础。Creo 的 stp 文件导入 UG 中装配模型如图 5-2 所示。对于齿轮接触的设置，考虑到齿轮接触力参数的选择没有考虑到摩擦及齿面的变形，仅为一种理想模型，与实际相比会有一定的误差。在 Adams 中的 contactforce 约束是专门用于模拟实体与实体之间的接触及碰撞的约束。此约束充分的考虑到两接触体所存在的干涉、间隙等实际因素，提高了仿真精度。碰撞接触主要模拟实际工况中的两个接触物体彼此没有发生形变或仅发生极小形变的状态下，接触物体的动量发生变化的一种接触分析方法。由于，在及实际工况中，我们所需的分析的参数为碰撞前后的速度、碰撞处的碰撞力的大小与方向。若添加为齿轮副约束时，在动力学仿真中对啮合力的计算不够准确，而且，无法对啮合力进行分析。因此，本文在蜗杆与两蜗轮之间直接添加实体与实体的碰撞接触力，用以对齿轮动力学分析仿真，获得相关参数。
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结论
本文主要以单蜗杆双蜗轮减速器的机械手为研究对象，进行机构的设计与优化，对箱体结构使用有限元分析法进行箱体强度分析；对蜗轮使用齿廓修形法及对材料的选择，优化减速器的承载力。本文工作的内容总结与结论如下所述：（1）根据课题的自动化钻探的需求，完成抓取机构的整体设计。（2）经过有限元分析验证了箱体的强度，并通过箱体材料的选择及结构修整的方法对减速器箱体质量进行轻量化。（3）完成了减速器承载力的优化。主要采用材料的选择及蜗轮修形两种方式对承载力进行优化，包括接触面的齿根线与齿顶线以及整个轮齿的应力与应变几个方面进行分析，达到提高减速器承载力的目的。（4）验证了单蜗杆双蜗轮减速器抓取机构的同步性，采用 UG 的相关匹配接口将模型导入 ADAMS 中对蜗杆两侧蜗轮的同步性进行研究，得到同步性较好的结果。
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参考文献（略）