钻具排放设备是自动化钻井的重要组成部分,以往国内外的一些研究和产品主要是针对作业环境比较恶劣的海洋钻机和大型陆地钻机的。这些排放设备,由于体积结构比较大的原因,并不适合安装在钻台面积较为紧凑的小型撬装式钻机上,在国内小型撬装式钻机上,钻台钻具的排放工作依旧采用着人工推拉的方式进行作业。因此,研究设计一种适用于小型撬装式钻机的钻台钻具排放装置,对于改善工人劳动条件,降低劳动危险性和提高作业效率有着积极的意义。本文在研究以往钻具排放设备的基础上,利用现代机械设计理论与UG三维设计软件设计了一个可用于小型撬装式钻机的钻具排放机械臂,利用UG运动仿真模块对其进行了运动可行性分析,通过UG载荷传递模块和ANSYS有限元软件对各主要部件进行了受力计算和强度分析,根据机械臂最大工作负载为其设计了一套符合工作要求的液压控制系统。通过研究取得的主要研究成果有：(1)在研究撬装式钻机钻台布局特点及钻具排放的功能需求基础上,设计了可适用于撬装式钻机的钻具排放机械臂,绘制了机械臂各机构的零件图并进行了虚拟装配,干涉检查结果表明各零件之间不存在干涉,机械臂的机械结构设计是合理的。(2)建立了机械臂的运动仿真模型,模拟了装置的运动状况,绘制了机械臂的轨迹追踪图、位移、速度、加速线等变化曲线,通过对仿真曲线的分析,验证了机械臂在运动方面是可行的。(3)模拟机械臂在最大负载下工作,对主要部件在工作过程中的受力情况进行了分析,并结合ANSYS有限元软件得到了机械臂关键部件的应力变化情况并进行了强度分析,分析结果证明了机械臂在最大负载下工作是安全的。(4)根据机械臂的结构设计和动作流程,应用CAD软件绘制了机械臂的液压控制系统原理图。根据机械臂的最大工作负载计算了各执行元件所需最大驱动力,进而对液压执行元件进行了选取。通过研究,设计了一种适合于小型撬装式钻机上应用的钻台钻具排放机械臂机构。该机械臂高仅2.6m,并且只需占用平台面积0.25m2,可以安装于两立根盒之间空位处。整个装置重量不足1t,方便安装和拆卸。机械臂最大延伸距离达3m,最大推力接近500kg,可在井口周围对直径60.3mm～139.7mm的钻杆及88.9mm～177.8mm的钻铤进行传送和排放操作。