本發(fā)明涉及石油天然氣開發(fā)設(shè)備領(lǐng)域，特別是一種液壓伸縮式井下牽引器的運動機構(gòu)。

背景技術(shù)：

水平井技術(shù)廣泛運用于深部、深海及復(fù)雜油氣資源的勘探開發(fā)，其應(yīng)用過程中儀器輸送的難題逐漸成為油氣田開發(fā)和油氣儲運的技術(shù)關(guān)鍵。常規(guī)的油管輸送、泵入輸送、連續(xù)管輸送在面對水平井、大位移井、定向井時存在效率低、成本高和連續(xù)管屈曲變形等問題。因此，井下牽引器作為一種新型輸送方式逐漸發(fā)展起來。

對于井下牽引器，按不同的運動方式可分為：輪式、伸縮式、履帶式、沖擊式，其中伸縮式井下牽引器具有越障能力強、牽引力大等優(yōu)點，具備較強的水平井段設(shè)備輸送作業(yè)能力。

伸縮式井下牽引器通常包含抓靠機構(gòu)和伸縮機構(gòu)，抓靠機構(gòu)與井壁之間的最大靜摩擦力等于最大牽引力，它表征著牽引器牽引能力的高低。根據(jù)摩擦力計算公式可知，最大靜摩擦力等于正壓力與靜摩擦系數(shù)的乘積，因抓靠機構(gòu)與井壁之間的靜摩擦系數(shù)可視為恒定值，故欲提高最大牽引力則需通過增大抓靠機構(gòu)與井壁之間正壓力來增大最大靜摩擦力，其實施方式有兩種：通過增大動力設(shè)備功率來增大正壓力，但井下高溫、高壓環(huán)境和狹小空間限制了設(shè)備功率，故正壓力大小受限；通過改變抓靠機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)來增大正壓力，由此基于自鎖原理的抓靠機構(gòu)被提出，自鎖機構(gòu)的運用使得抓靠機構(gòu)與井壁間的正壓力與載荷呈正相關(guān)，克服了最大靜摩擦力受恒定正壓力的限制，進而克服了牽引力受恒定靜摩擦力的限制。如2003年斯倫貝謝研制的井下牽引器產(chǎn)品MaxTRAC，利用凸輪向半徑變大方向的轉(zhuǎn)動趨勢來增大抓靠臂對井壁的正壓力，使得抓靠機構(gòu)與井壁自鎖，從而實現(xiàn)井下單向牽引。

自鎖原理在管道機器人中的運用與井下牽引器具有相似性。1995年哈爾濱工業(yè)大學于殿勇等研制的基于超越離合器自鎖的管道機器人，實現(xiàn)了機器人在管內(nèi)單方向超越自鎖行走。2010年國防科技大學喬晉崴等研制的基于凸輪自鎖原理管道機器人，實現(xiàn)了微小管道中機器人的單方向凸輪自鎖行走；2012年該團隊研制的一種基于斜面自鎖的管道機器人，利用永磁鐵相互排斥使楔塊單方向自鎖，實現(xiàn)管內(nèi)單方向斜面自鎖行走；同年，該團隊提出一種可在管道內(nèi)部雙向行走的管道機器人概念設(shè)計，通過調(diào)整電磁鐵極性的方式對左右楔塊進行吸引和排斥，使得左右楔塊與管壁均可實現(xiàn)斜面自鎖，從而實現(xiàn)雙向自鎖行走。

常見的自鎖方式有斜面自鎖、柱面自鎖、凸輪自鎖、超越離合器自鎖、推桿導(dǎo)軌自鎖等，依據(jù)接觸形式可分為點接觸自鎖、線接觸自鎖和面接觸自鎖。在正壓力相同時大接觸面積上的壓強小，能有效避免接觸面受壓變形。因此，面接觸形式的斜面自鎖和柱面自鎖較之線接觸形式的凸輪自鎖、棘輪自鎖和超越離合器自鎖對井壁具備更好的保護性。

在上述研究的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地研制了一種液壓式伸縮式井下牽引器的運動結(jié)構(gòu)，提出一種基于斜面自鎖的鎖止機構(gòu)，使得牽引器的牽引力不受恒定靜摩擦力的限制，并且可以配合不同厚度、不同摩擦系數(shù)的摩擦塊，使牽引器具有較大的管徑適用范圍。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種牽引力不受恒定靜摩擦力的限制、結(jié)構(gòu)緊湊、提高牽引器牽引能力的效果液壓伸縮式井下牽引器的運動機構(gòu)。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種液壓式伸縮式井下牽引器的運動結(jié)構(gòu)，包括中心軸、抓靠機構(gòu)和伸縮機構(gòu)，所述抓靠機構(gòu)由抓靠缸、復(fù)位彈簧、斜塊A和斜塊B組成，所述抓靠缸包括抓靠缸壁、抓靠缸左端蓋、抓靠缸右端蓋和抓靠缸活塞，所述抓靠缸左端蓋和抓靠缸右端蓋分別固定于抓靠缸壁的左右端部，所述抓靠缸活塞位于抓靠缸壁內(nèi)并與抓靠缸左端蓋配合且可沿軸向相對運動，抓靠缸活塞與抓靠缸右端蓋之間設(shè)有復(fù)位彈簧；所述斜塊A與斜塊B之間且沿斜塊的周向方向均勻設(shè)置有第一抓靠臂、第二抓靠臂和第三抓靠臂，沿著斜塊斜面開設(shè)有斜槽，抓靠臂的一端與斜塊A上的斜槽相配合，抓靠臂的另一端與斜塊B上斜槽相配合，當抓靠臂與井壁之間的摩擦角大于等于斜塊A(或斜塊B)與抓靠臂之間的摩擦角和斜塊A(或斜塊B)的傾斜角之和時實現(xiàn)自鎖；

進一步地，所述伸縮機構(gòu)由伸縮缸壁和伸縮缸右端蓋組成，伸縮缸壁的左端部固定于斜塊B的右端面，伸縮缸壁的右端部固定有伸縮缸右端蓋；

進一步地，所述中心軸由左往右依次貫穿抓靠缸左端蓋、斜塊B、伸縮缸右端蓋設(shè)置，中心軸上固定有位于伸縮缸壁內(nèi)的伸縮缸活塞。

優(yōu)選地，所述抓靠缸為單作用液壓缸。

作為一種更優(yōu)選的方案，抓靠缸為彈簧復(fù)位式單作用液壓缸。

優(yōu)選地，所述伸縮機構(gòu)為雙作用液壓缸。

優(yōu)選地，所述中心軸內(nèi)開設(shè)有沿其軸向設(shè)置的泥漿通道。

更近一步地，所述泥漿通道位于中心軸中心，也可偏置于中心軸內(nèi)部。

優(yōu)選地，所述抓靠臂還可配合具有不同摩擦系數(shù)、不同厚度的摩擦塊。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明是一種基于斜面自鎖的鎖止機構(gòu)，具體的鎖止表現(xiàn)在抓靠臂與井壁或管壁之間，通過機構(gòu)克服了牽引力受限于恒定靜摩擦力的問題，達到提高牽引器牽引能力的效果；通過抓靠機構(gòu)和伸縮機構(gòu)的循環(huán)工作，牽引器可在井下實現(xiàn)牽引，同時提供大牽引力。

(2)抓靠臂采用液壓伸縮機構(gòu)，在抓靠缸活塞桿推動抓靠臂的過程中，抓靠臂可以沿徑向伸出，使得抓靠臂具有一定的伸出范圍，在此范圍內(nèi)，抓靠臂可停在任何一個位置，當抓靠缸內(nèi)壓力達到設(shè)定值時就會停止泵入液壓油，這一設(shè)計可使得此牽引器具備一定的管徑適應(yīng)范圍；該抓靠機構(gòu)的牽引鎖止為自鎖鎖止；此外，抓靠臂還可以配合不同摩擦塊，使牽引器具有更大的管徑適用范圍。

(3)本發(fā)明的中心軸設(shè)置留有泥漿通道，使得牽引過程中可保證泥漿循環(huán)系統(tǒng)正常運行。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；

圖2為抓靠臂的分布示意圖；

圖3為本發(fā)明牽引鎖止靜力學模型圖；

附圖中標記依次為：1-中心軸，2-抓靠缸左端蓋，3-抓靠缸壁，4-抓靠缸活塞，5-復(fù)位彈簧，6-抓靠缸右端蓋，7-斜塊A，8-第一抓靠臂，9-斜塊B，10-伸縮缸壁，11-伸縮缸右端蓋，12-井壁或管壁，13-第二抓靠臂，14-第三抓靠臂，15-伸縮缸活塞，16-泥漿通道，18-左斜塊，19-右斜塊。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的描述，本發(fā)明的保護范圍不局限于以下所述：

如圖1～2所示，一種液壓伸縮式井下牽引器的運動機構(gòu)，它包括中心軸1、抓靠機構(gòu)和伸縮機構(gòu)，抓靠機構(gòu)由抓靠缸、復(fù)位彈簧5、斜塊A7和斜塊B9組成，所述抓靠機構(gòu)由抓靠缸、復(fù)位彈簧5、斜塊A和斜塊B9組成，所述抓靠缸包括抓靠缸壁3、抓靠缸左端蓋2、抓靠缸右端蓋和抓靠缸活塞4，所述抓靠缸左端蓋2和抓靠缸右端蓋分別固定于抓靠缸壁3的左右端部，所述抓靠缸活塞4位于抓靠缸壁3內(nèi)并與抓靠缸左端蓋2連接，抓靠缸活塞4與抓靠缸右端蓋之間設(shè)有復(fù)位彈簧5；所述斜塊A與斜塊B9之間且沿斜塊的周向方向均勻設(shè)置有第一抓靠臂8、第二抓靠臂13和第三抓靠臂14，沿著斜塊斜面開設(shè)有斜槽，抓靠臂的一端與斜塊A上的斜槽相配合，抓靠臂的另一端與斜塊B9上斜槽相配合，當抓靠臂與井壁12之間的摩擦角大于等于斜塊A7(或斜塊B9)與抓靠臂之間的摩擦角和斜塊A7(或斜塊B9)的傾斜角之和時實現(xiàn)自鎖功能；

所述的伸縮機構(gòu)由伸縮缸壁10和伸縮缸右端蓋11組成，伸縮缸壁10的左端部固定于斜塊B9的右端面，伸縮缸壁10的右端部固定有伸縮缸右端蓋11；

所述的中心軸1由左往右依次貫穿抓靠缸左端蓋2、斜塊B9、伸縮缸右端蓋11，中心軸1上固定有位于伸縮缸壁10內(nèi)的伸縮缸活塞15。

所述的抓靠缸為彈簧復(fù)位式單作用液壓缸；所述的伸縮機構(gòu)為雙作用液壓缸；所述的抓靠臂還可配合具有不同摩擦系數(shù)、不同厚度的摩擦塊。

所述的中心軸1內(nèi)開設(shè)有沿其軸向設(shè)置的泥漿通道1616，其中泥漿通道1616位于中心軸1中心，也可偏置于中心軸1內(nèi)部。當向抓靠缸內(nèi)且位于抓靠缸活塞4的左側(cè)打液，抓靠缸活塞4向右移動，斜塊A7向右移動，在斜塊A7與斜塊B9共同作用下，三個抓靠臂徑向伸出，抓靠在井壁或管壁12上；在抓靠臂作用下，除中心軸1外的其它部件全部處于鎖止狀態(tài)，此時向伸縮缸壁10內(nèi)且位于伸縮缸活塞15的左側(cè)打液，中心軸1相對于除中心軸1外的其它部件向前運動，實現(xiàn)牽引器的牽引動作。

當伸縮機構(gòu)內(nèi)液壓作用于伸縮缸活塞15上時，當牽引器處于牽引鎖止狀態(tài)，其靜力學模型如圖3所示。已知相互固連的物體在受力分析時可被視作一個整體，故將相互固連的抓靠缸活塞4與斜塊A7視作左斜塊18，將相互固連的斜塊B、伸縮缸壁10和伸縮缸右端蓋11視作右斜塊19，建立抓靠機構(gòu)即鎖止機構(gòu)牽引鎖止靜力學模型，如圖3所示。為簡化計算過程，將抓靠臂數(shù)目由三個簡化為兩個；圖中F_S為抓靠缸進液時作用在滑套15上的抓靠力，F(xiàn)_S’為抓靠力的反作用力，F(xiàn)_T為伸縮缸后缸體進液時作用在伸縮缸活塞17上的牽引力，F(xiàn)_T’為作用在中心軸1左端負載大小；F_ij為物體i作用在物體j上的力，其中i<＝5，j<＝5；φ₁表示左斜塊18或右斜塊19與抓靠臂之間的摩擦角，φ₂表示抓靠臂與井壁或管壁12之間的摩擦角，α表示左斜塊18、右斜塊19的傾斜角。

根據(jù)圖3所示的鎖止機構(gòu)視作整體進行受力分析，可得出關(guān)系式：

單獨考慮左斜塊，可得出關(guān)系式：

單獨考慮右斜塊，可得出關(guān)系式：

單獨考慮抓靠臂一，可得出關(guān)系式：

聯(lián)立式(1)、(2)、(3)、(4)求得：

令F_S≤0，則有關(guān)系式：

通過平衡方程求得當時，該液壓伸縮式井下牽引器的運動機構(gòu)可以實現(xiàn)牽引鎖止，且牽引鎖止是自鎖鎖止，即當時，抓靠臂和井壁或管壁之間的正壓力將隨著負載的增大而增大，因此無論負載多大，在材料不破壞的情況下，液壓伸縮式井下牽引器的運動機構(gòu)的抓靠臂能夠抓緊管壁或井壁，這使得液壓伸縮式井下牽引器在原理上解決了牽引力受限于恒定靜摩擦力的問題，使得在大負載的情況下仍能保持抓靠臂與井壁或管壁之間的鎖止，從而達到提高牽引器牽引能力的效果。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當理解本發(fā)明并非局限于本文所披露的形式，不應(yīng)看作是對其他實施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境，并能夠在本文所述構(gòu)想范圍內(nèi)，通過上述教導(dǎo)或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識進行改動。而本領(lǐng)域人員所進行的改動和變化不脫離本發(fā)明的精神和范圍，則都應(yīng)在本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。