水平井牵引机器人机械系统研究

论文摘要

石油是工业和经济发展的重要基础能源,随着石油开采技术的发展,水平井已成为高效开采油气的重要技术支撑。然而,在石油开采中,对水平油井的检测却十分困难。在垂直井和小斜度井,井下工具可依靠重力由缆绳下放到工作位置,在这种情况下,向下的推进力等于重力减去井下流体对其浮力。然而在大斜度井和水平井情况要复杂得多,在水平井必须依靠外加向前的推力才能前进,提供推力的机械,被称为水平井牵引机器人,传统的牵引机器人大致可以分为轮式和蠕动式两类。本文针对内径为114.3mm至193.68mm的井眼研究并提出了一种轮式水平井牵引机器人,它的机体为细长管状,依靠驱动轮前进,可在套管和裸井中使用。牵引机器人的越障机构包括行走驱动单元和柔性支撑单元等组成部分,确保机器人能够越过井管中遇到的障碍物,适应井径的变化,将井下工具及测井仪器运送到水平井指定位置。本文的具体研究内容及主要工作可以概括为以下几个方面：首先,通过大量查阅和整理水平井牵引机器人相关文献和资料,深入细致地分析各种水平井牵引机器人及管道机器人在管道内的运动原理和特点,分析水平井环境对机器人运动方式的特殊要求,通过对各种类型的运动方式对比分析,确定适应井下环境的最优运动方式,并以此为基础,提出了一种水平井牵引机器人机械系统。然后,针对所提出的牵引机器人机械系统的运动力学的有关问题进行了详细的分析研究,包括机器人的管内空间运动方程、管内运动阻力、径向调节运动、越障能力。最后,在Pro/E环境下建立水平井牵引机器人三维模型。通过ADAMS虚拟样机软件对越障机构进行运动学及动力学仿真试验,验证了其越障能力。虽然本文基本实现了研究目标,但整个水平井牵引机器人系统距离实用化还有很长的路要走。在本文的最后总结了整个论文的工作和研究成果,并提出了对未来研究工作的展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 开展水平井牵引机器人研究的意义
• 1.2 水平井牵引机器人机械系统的研究现状
• 1.2.1 国外研究现状分析
• 1.2.2 国内研究现状分析
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 水平井牵引机器人机械系统设计
• 2.1 水平井牵引机器人工作环境及总体方案
• 2.2 牵引机器人管道内运动方式的对比与选择
• 2.3 水平井牵引机器人机械结构设计
• 2.3.1 越障机构设计
• 2.3.2 驱动机构设计
• 2.3.3 整体设计
• 2.3.4 过载保护装置的选择
• 2.3.5 扶正器
• 2.4 水平井牵引机器人工作流程
• 2.5 小结
• 第3章 水平井牵引机器人运动学及动力学分析
• 3.1 水平井牵引机器人数学模型
• 3.1.1 水平井牵引机器人空间运动方程
• 3.1.2 越障机构力学模型
• 3.1.3 设计要素之间的关系曲线
• 3.2 驱动轮轮齿结构对牵引力的影响
• 3.3 牵引机器人井下运动阻力分析
• 3.3.1 扶正器摩擦阻力分析
• 3.3.2 拖缆阻力分析
• 3.3.3 其它阻力
• 3.4 越障能力分析
• 3.4.1 通过凸起障碍时的力学分析
• 3.4.2 通过斜坡障碍时的力学分析
• 3.4.3 越障通过性分析
• 3.5 小结
• 第4章 水平井牵引机器人的计算机仿真
• 4.1 水平井牵引机器人动力学仿真
• 4.1.1 水平井牵引机器人虚拟样机模型建立
• 4.1.2 水平井牵引机器人动力学仿真
• 4.2 基于ANSYS的齿轮齿条接触分析
• 4.2.1 ANSYS与Pro/E联合建模
• 4.2.2 齿轮齿条建模过程
• 4.2.3 齿轮的有限元分析模型
• 4.2.4 施加边界约束
• 4.2.5 齿根应力有限元计算结果与讨论
• 4.3 小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 研究工作总结
• 5.2 问题和展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文