管材处理系统和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于在基本上水平的位置与向上成角度的位置(例如基本上竖直的位置)之间移动管材的经改进的管材处理装置。所述装置包括基底、吊杆和吊杆枢转驱动，所述吊杆围绕在基本上水平的位置与向上成角度的位置之间的水平吊杆枢转轴线而枢转地附接至所述基底，所述吊杆枢转驱动安装于所述基底上，并适配成枢转所述吊杆。管材夹具附接至所述吊杆，并适配成夹持管材。
【背景技术】
[0002]在钻探工业中，通常使用这种管材处理装置以用于在钻探装置的作业线(firingline)与储存站之间移动钻探管材。通常，枢转吊杆驱动包括设置于基底与枢转吊杆之间一个或多个线性液压缸。具有钻探装置和管材处理装置的已知钻探系统的一个例子显示于W02006/038790 中。
[0003]管材处理装置受支配于许多不同的要求。例如，希望在钻探装置中，被携带至作业线中的管材与待连接管材的钻管柱准确对齐。也对操作速度具有高要求，使得钻探管材可以快速移动至作业线(钻探)和从作业线移开(分离)。钻探常常在严苛条件下(例如如同沙漠的环境)进行。此外，可(道路)运输的钻探装置系统频繁地从一个位置移动至下一个位置，从而对管材处理装置的尺寸具有限制。
[0004]目前可得的管材处理装置就上述问题中的一个或多个而言并非完全令人满意的。因此，本发明的一个目的在于提供措施，其提供用于处理管材的经改进的装置，由此允许减少或克服现有装置的缺点中的一个或多个。
【发明内容】
[0005]根据本发明的第一方面，本发明提供了一种根据权利要求1的前序部分的系统和装置，其中所述吊杆枢转驱动包括:
[0006]-中心齿轮，所述中心齿轮围绕平行于水平吊杆枢转轴线的中心齿轮轴线而可旋转地安装于基底上，所述中心齿轮直接连接至吊杆或经由传动装置而连接至吊杆，
[0007]-一个或多个驱动齿轮构件，所述一个或多个驱动齿轮构件各自可旋转地安装于基底上，且各自可围绕对应的驱动齿轮构件轴线旋转，并与所述中心齿轮啮合，
[0008]-一个或多个马达，所述一个或多个马达连接至所述一个或多个驱动齿轮构件，并允许驱动所述一个或多个驱动齿轮构件，以在所述基本上水平的位置与所述向上成角度的位置之间枢转吊杆。
[0009]通过提供中心齿轮和一个或多个相关的驱动齿轮，当适当设计时，可获得多个优点。
[0010]例如，所述管材处理装置的可运输性可受益于减少的装置尺寸，所述减少的装置尺寸源于使用中心齿轮而不是具有长的线性液压缸的已知设置。在现有设计中，使吊杆枢转的缸体需要具有大的行程，因此需要大的空间。本发明的吊杆枢转驱动可构造为紧凑单J L ο
[0011]另一优点在于，本发明的吊杆枢转驱动允许吊杆的平稳枢转运动。已观察到，在现有设计中，当吊杆到达其最终位置，特别是其向上成角度的最终位置时，发生摇动或振动。该振动是不利的，例如就将管材与待连接管材的钻柱快速对齐而言。已发现该振动由现有设计中的大的液压缸导致。提供中心齿轮和一个或多个驱动齿轮允许在到达吊杆的最终位置时获得平稳驱动，而具有降低的振动或无明显振动。例如，这允许将管材直接连接至展开的钻柱，而无需移交至钻探装置的另一管材排列设备。
[0012]另一优点在于可以配备枢转驱动，使得齿轮容纳于屏蔽壳体中，相比于目前使用的长的线性液压缸，所述屏蔽壳体对环境(砂、风)的敏感性更低。
[0013]在一个优选实施方案中，一个或多个马达为具有连接至所述一个或多个驱动齿轮构件的旋转输出轴的电动马达。在一种替代方式中，提出具有旋转输出轴的液压马达。
[0014]在一个实际实施方案中，所述一个或多个驱动齿轮构件中的每一个的驱动齿轮构件轴线平行于中心齿轮轴线。例如，中心齿轮和驱动齿轮配置为具有直齿或螺旋齿的齿轮。
[0015]在一个替代方式中，中心齿轮和一个或多个驱动齿轮可配置为蜗轮组。
[0016]在一个优选实施方案中，存在至少两个驱动齿轮构件，每个驱动齿轮构件连接至相关的马达，所述马达配置为如下:如果一个或多个其他马达失效，则通过单个马达枢转吊杆。
[0017]应注意，在每个驱动齿轮与相关的马达(例如旋转输出轴马达)之间可存在传动装置，例如减速齿轮传动装置，例如蜗轮。
[0018]考虑到枢转吊杆所需的转矩以及考虑到吊杆的平稳驱动，据信有利的是中心齿轮具有至少0.75米的节圆直径。通过使用极大的中心齿轮，可获得显著的转矩以及平稳运行和驱动持久性。
[0019]在一个实际实施方案中，中心齿轮为在其内表面上具有齿轮齿的环形齿轮。
[0020]本发明设想中心齿轮优选具有圆形有齿部分，所述圆形有齿部分具有齿轮齿。然而，由于吊杆的枢转通常显著小于一个完整旋转，也可设想如下实施方案:中心齿轮仅为真正圆形齿轮的一部分，例如配置为半圆部分齿轮。
[0021]所述“分段的中心齿轮”可例如用于允许进一步减小吊杆枢转驱动的尺寸。
[0022]中心齿轮和驱动齿轮优选为常见的正齿轮。中心齿轮有利地具有大的直径，而一个或多个啮合驱动齿轮具有更小的直径。所述组合产生机械益处，因为可使得驱动齿轮快速旋转，同时更大的中心齿轮的转矩成比例地更大。虽然一个啮合驱动齿轮可满足需要，但作为冗余设计并且就中心齿轮上的力的分布而言，提供两个或更多个啮合驱动齿轮(每个啮合驱动齿轮包括一个相关的驱动马达)是有利的。
[0023]本发明设想中心齿轮可直接连接至吊杆而与枢转的吊杆协同旋转，所述实施方案需要中心齿轮轴线与吊杆枢转轴线重合。
[0024]在一个可选择的优选实施方案中，设想枢转吊杆驱动还包括直接连接至中心齿轮的曲柄构件，所述曲柄构件围绕中心齿轮轴线与中心齿轮协同旋转，所述曲柄构件具有远离中心齿轮轴线的曲柄端部，其中所述枢转吊杆驱动还包括连杆，所述连杆通过第一枢转轴线而枢转地附接至曲柄端部，并通过远离吊杆枢转轴线的第二枢转轴线而枢转地附接至吊杆，其中水平吊杆枢转轴线和连杆的第一和第二枢转轴线彼此平行。
[0025]具有曲柄和连杆的这种吊杆枢转驱动的一个优点在于其允许实现紧凑的设计，并同时实现有吸引力的驱动，所述驱动可获得高转矩能力、平稳的驱动和吊杆的稳定的最终位置。吊杆枢转驱动连同吊杆和基底和所有的枢轴则有效形成平面四杆连杆机构的部分。作为该平面四杆连杆机构的结果，可在吊杆和由夹具保持的管材的整个移动中获得有吸引力的向吊杆的驱动转矩供应。
[0026]在一个实际实施方案中，枢转吊杆驱动包括可旋转曲柄盘形构件，所述可旋转曲柄盘形构件可旋转地安装至基底，以可围绕中心齿轮轴线旋转，所述曲柄盘形构件具有附接中心齿轮的内表面，所述曲柄盘形构件具有外表面，该外表面提供有与连杆关联的第一枢转轴线。例如，盘形构件形成枢转吊杆驱动的齿轮壳体或齿轮外壳的外部，且齿轮和一个或多个驱动小齿轮被容纳于所述壳体或外壳中。
[0027]在一个实际实施方案中，滚柱轴承设置于基底与齿轮之间，所述滚柱轴承围绕中心齿轮延伸。
[0028]在一个实施方案中，例如根据本发明的第三方面的夹具附接至吊杆，以总是通常沿着枢转吊杆的前侧或上侧设置，从而在吊杆在其水平位置的情况下接收管材，所述管材在其水平取向上，通常平行于吊杆，并与吊杆的前侧或上侧间隔一定距离。这允许避免使用适配成将夹具从水平吊杆的下侧移动至向上成角度的吊杆或竖直吊杆的前侧的夹具枢转驱动，例如如在W02006/038790中那样。
[0029]优选避免使用适配成将夹具从水平吊杆的下侧移动至向上成角度的吊杆或竖直吊杆的前侧的复杂夹具枢转驱动，但本发明并不排除这种夹具枢转驱动。
[0030]本发明的确设想，例如在夹具附接至吊杆以总是通常沿着枢转吊杆的前侧或上侧设置的情况下，夹具可围绕平行于吊杆枢转轴线的夹具枢转轴线枢转地附接至吊杆，以允许夹具相对于吊杆(例如具有接近竖直的最终位置的吊杆)枢转，且在所述吊杆在接近竖直的最终位置的情况下夹具枢转而呈现完全竖直的最终位置。
[0031]在一个实施方案中，夹具通过夹具枢转驱动而相对于吊杆枢转，所述夹具枢转驱动例如包括距离夹具枢转轴线一定距离的在夹具与吊杆之间延伸的液压缸或螺杆驱动。在夹具枢转驱动中，诸如电动致动器、绞盘和缆线、液压旋转致动器等的其他动力致动器也是可能的。
[0032]在一个实施方案中，吊杆具有接近竖直的最终位置，且夹具枢转驱动允许使夹具达到完全竖直的最终位置。优选地，为了增加操作速度且同时也在达到竖直最终位置时避免不利的管材移动，夹具枢转驱动包括控制单元，所述控制单元例如适配成(例如程控为)在吊杆到达其接近竖直的最终位置之前进行夹具枢转运动。
[0033]本发明的第二方面涉及一种根据权利要求15所述的系统。所述系统包括一种用于在基本上水平的位置与向上成角度的位置(例如基本上竖直的位置)之间移动管材的管材处理装置，所述装置具有吊杆枢转驱动，所述吊杆枢转驱动包括:
[0034]-曲柄构件，所述曲柄构件围绕平行于吊杆枢转轴线的曲柄构件轴线而可旋转地安装至基底，并具有远离所述曲柄构件轴线的曲柄端部，
[0035]-连杆，所述连杆通过第一枢转轴线而枢转地附接至曲柄端部，并通过远离吊杆枢转轴线的第二枢转轴线而枢转地附接至吊杆，其中水平吊杆枢转轴线和连杆的第一和第二枢转轴线彼此平行，
[0036]-一个或多个马达，所述一个或多个马达驱动所述曲柄构件，以在所述基本上水平的位置与所述向上成角度的位置之间枢转吊