基金项目: 武汉市关键技术攻关计划项目“石油注采井分层测控系统关键技术研究与系统开发”（9）吴超群,副教授,生于1979年,2007年毕业于日本国立广岛大学,获博士学位,现从事机电一体化、振动与噪声控制、功率研究工作。地址:(430070)湖北省武汉市。: 针对水平井作业工具输送困难的问题，设计了基于螺旋驱动原理的牵引机器人。提出了一种平行四边形支撑杆机构，采用丝杠螺母调节机构和弹簧柔性支撑来适应管径变化。对扶正机构轮与管壁的正压力进行分析，并建立了机器人的牵引力模型。应用Pro/E和ADAMS软件建立牵引机器人的虚拟样机，对驱动轮的正压力和牵引力进行仿真分析，搭建了管道试验环境进行机器人牵引力试验。试验结果表明：该机器人能够在内径125 mm的管道中平稳行进，最大牵引力能达到5 400 N。研究结果对于设计较大牵引力的水平井推进器具有重要的工程意义。Design of Spiral Wheel Horizontal Well Traction Robot1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan University of Technology
随着石油开采技术的发展，水平井作为一种新的开采技术得到大量应用，对提高石油开采率，增加石油开采量有重要作用。水平井的出现对水平井作业提出了新的挑战。目前，世界上常用的作业工具有钻杆输送法、泵入法和挠性管技术，但这几种方法存在诸如成本高和耗时费力等缺点[1-2]。国内外已经开始利用水平井牵引机器人来完成水平井作业。现有的牵引设备多以电缆来传输能源，依靠自身的电机提供动力在井中自主行走，并将井下仪器送到确定位置。水平井中环境恶劣，要求牵引机器人不但要有小的径向尺寸，还要求其工作距离长、输出力大，通常要求牵引力在2 kN以上[3]。因此，研究可以提供较大牵引力的水平井推进器具有重要的工程意义。
20世纪末，国外许多公司开发了能够在井下独立作业的水平井牵引器。1996年进行了世界上首次水平井牵引机器人生产测井和打捞作业[4]。国内学者对小管径和油井管道机器人也做了许多卓有成效的研究[5-6]。刘彩霞等[7]设计了小型螺旋轮式管道机器人，可在ø60 mm的管道中平稳行走。白相林等[8]提出了偏置式4对臂的支撑定心机构，对牵引机器人的自动定心性能进行了仿线]研究了主动螺旋驱动式机器人的结构和牵引性能。笔者将螺旋轮式驱动原理应用在水平油井作业工具拖动器上，设计了水平井牵引机器人。该装置具有牵引力大、结构紧凑、控制简单、稳定性好等优点，可在确定井径的水平井内连续工作。
为螺旋轮式水平井牵引机器人结构示意图。牵引器可分成驱动机构和扶正机构2部分，其中驱动轮、驱动推靠杆系、滑块、螺母、恒扭矩装置、驱动电机、联轴器、导向筒、弹簧和驱动轴等组成驱动机构，扶正轮、扶正推靠杆系、滑块、螺母、管道、弹簧和扶正轴等组成扶正机构。驱动机构与扶正机构的支撑结构相似。驱动机构决定着管道推进器的牵引力和能量利用率等管道机器人主要性能，是负责为牵引器提供爬行所需牵引力的关键部件。驱动轮2个为1组安装在爬行臂上，且驱动轮的轴线与管道轴线组爬行臂呈星形均匀分布，能沿径向张开并抵压在管道内壁上，具有良好的定心效果。扶正机构支撑电机套筒的稳定。扶正轮轴线与管道轴线垂直，通过后部的预紧弹簧紧压在管道内壁上，抵消电机产生的反扭矩，保证扶正机构只能沿管道前、后移动而不会产生旋转。
Structure diagram of spiral wheel traction robot
初始状态，牵引器爬行臂处于收缩状态。工作时，直流减速电机通过联轴器和恒扭矩装置将动力传递到驱动轴上。一方面，驱动轴通过丝杠螺母副推动螺母向前压缩弹簧，弹簧蓄力并推动滑块向前撑开驱动杆系，使驱动轮支撑在管壁上并与管壁产生一定的正压力，即轮架的张开运动；另一方面，驱动轴带动整个驱动轮架旋转，驱动轮以螺旋线的运动轨迹运动。驱动轮架的张开运动和旋转运动同时进行，当螺母脱出导向筒滑槽时，驱动轮架的张开即停止，牵引器进入正常牵引工作状态。驱动电机和扶正机构在扶正轮周向摩擦力的作用下只能沿管道轴线方向前、后运动，这样实现了牵引机器人在油井管道内的运动。当负载力过大时，驱动轴上扭矩会急剧增大，恒扭矩装置保证电机输出扭矩恒定，起到保护电机和避免驱动轮打滑的作用。设计中，配备一个驱动电机即可完成支撑架的张开和螺旋头的旋转运动，提高了电机的使用效率。
10]。首先，由于3组支撑臂均为对称布置，故只需取单个支撑杆系为研究对象进行受力分析，扶正机构受力分析如
1一定时，所需的弹簧力F0随θ1和θ2的增大而减小。由上式可以看出，轮子在杆上的安装位置对轮受力并无影响，故可采用双排或多排轮设计来增强越障和牵引性能，由于平行四边形结构特性，可保证各轮受力均匀。2.2 驱动机构力学模型
驱动部分推靠杆系撑开过程中，分为2个阶段：①管道牵引器还未在管道内稳定爬行阶段，在该阶段驱动轮会受到管壁对它的滑动摩擦力，随着杆系张开，驱动轮与管壁的正压力不断增大，滑动摩擦力也随之不断增大；②当管壁与驱动轮的正压力达到一定值时，驱动轮开始纯滚动，牵引器沿管道轴线运动，认为此时是驱动机构受力的第2阶段。
t为驱动轮与管壁的轴向摩擦分力，F0为弹簧力。假设3组驱动轮上负载力均匀，对驱动轮进行受力分析，如
1、θ2、摩擦因数和螺旋角确定后，负载力与弹簧预紧力之间的关系即可确定。在实际设计中取θ1=45°，θ2=40°，β=8°，摩擦因数f=0.4，则负载为5 400 N时所需的弹簧预紧力为：
Motion simulation model of spiral wheel tractor
根据螺旋式牵引器的实际工作情况，将牵引器各机构用对应的转动副和滑移副等连接起来，成为一个整体。为驱动轮、扶正轮和管壁之间添加接触力(contact)，并设置好轮子与管壁间的摩擦因数。
牵引器在正常工作过程中，需要保证轮与管壁的充分接触，使轮与管壁的压力在一个合适的范围内，既不会因压力过大而导致轮的压溃，又不会因压力过小而发生滑移。轮与管壁的压力和弹簧力的关系密切，因此对弹簧力和正压力的仿真十分必要。弹簧力与正压力关系曲线
=2 000+200t，对样机进行20 s、200步的交互式仿真，分析牵引器的扭矩和最大牵引力。如
Experimental prototype of spiral wheel traction robot
所示。套管固定，将拉力计一端固定在墙面上，另一端连接在牵引机器人尾部。接通电源后，驱动机构转动，带动牵引机器人沿轴向前进。钢丝绳张紧后测力计开始有示数，当驱动轮与套管管壁之间临界打滑时，测力计示数即为最大牵引力值。
Schematic diagram of traction force test scheme
管道模拟试验结果表明：该牵引器样机可以平稳地在管道中爬行，最大输出牵引力可达5 400 N，满足设计条件的要求。
(1) 将螺旋驱动机构成功应用于轮式水平井牵引机器人，该机械人可适应ø139.7 mm石油管道，使用了3组爬行臂支撑结构，具有良好的定心效果和运动稳定性。
(2) 建立了支撑机构和驱动机构力学模型，推导了机器人输出牵引力的计算公式。运用ADAMS建立了仿真模型，验证了设计的可行性。
(3) 牵引器配备1台直流减速电机，可使螺旋头在旋转运动的同时逐步张开，提高了电机使用效率。
