论文摘要
本文的研究工作来源于国家高技术研究发展计划(863计划)项目“水平井测井配套技术研究”,对伸缩式水平井牵引器系统核心部分——单向运动机构进行相关研究。水平井石油管道的检测对于提高石油产量和采油效率具有重要的作用,研制出高水平的水平井测井仪器送进装置对提高测井技术有着重要意义。针对水平井测井的需求,本文在系统调研了国内外水平井牵引器和蠕动式管道机器人的基础上,提出了一种基于单向运动机构的伸缩式水平井牵引器的方案。该牵引器采用模块化结构,最小直径为54mm,能够适应140~180mm范围内的管径变化,牵引速度不小于6m/min,牵引力大小超过2000N,满足水平井牵引器小尺寸、大负载、模块化的应用需求。单向运动机构是整个牵引器系统的核心部分,它采用丝杠螺母副驱动的平面连杆机构作为支撑结构,适应水平井管道直径的变化,同时采用独特的凸轮自锁原理,能够提供很大的锁紧力,实现适应管径变化、大牵引力的设计目标。本文围绕单向运动机构进行研究,取得了以下研究成果:1)基于虚拟样机技术和动力学仿真软件,对单向运动机构运动原理以及影响牵引器运动性能的的因素进行了分析和仿真。通过仿真分析,对影响牵引器运动性能的的因素有了清晰的认识,对提高牵引器的运动性能、实现小尺寸大负载的设计目标具有重要的指导意义;2)分析和设计了单向运动机构支撑臂结构,重点对各杆件进行了受力分析,针对平面连杆机构存在的死点、机构小角度展开启动力大的问题,提出了一种“斜面—滚轮”的设计,通过分析和仿真,证明该设计能够有效的解决机构的死点问题,大大减小支撑臂小角度展开时的启动力,提高效率;3)针对单向运动机构自锁和适应管径变化的要求,分析设计了单向运动机构的核心部件——凸轮,重点设计了凸轮轮廓;4)针对牵引器系统的环境适应性要求,对系统的密封问题进行了分析,确定了密封方案,设计了系统在高温高压环境下的密封结构。最后,在单向运动机构研究的基础上,制作了牵引器样机并进行试验,试验结果表明,单向运动机构的运动原理是可行的,结构设计是合理的,基于单向运动机构的伸缩式水平井牵引器的方案能够实现预期目标。