岩心钻机摆排管机的夹持机械手设计分析与实验

发布时间：2020-10-20 08:16

　　 随着自动化技术的发展,排管机在石油钻井行业、大陆科学钻探中广泛应用和推广,而在岩心钻探领域,钻具的排放仍以人工操作为主。排管机在岩心钻探中应用较少,与其使用的机械手有关,现有的机械手都不适合岩心钻探:岩心钻杆直径偏小,机械手的夹持直径偏大,难以有效夹持;机械手的外形尺寸大,造成排管机占用较大空间,而岩心钻探的井架相对较小、空间有限。因而,岩心钻机排管机推广的前提,是设计出一款夹持范围合适、外形尺寸小巧的机械手。首先根据地质岩心钻探常用的立根规格,确定了机械手的设计参数。按照参数要求,确定了一种夹持机构的设计方案,并进行详细的设计与优化;对机械手的外壳、牙板也进行了设计。此外,还对机械手的液压回路、控制方式进行了设计。然后,对夹持不同规格立根时的机械手进行了详细的受力计算,找出了受力最大时的危险工况。对机械手夹持机构的重要零部件进行了有限元分析,结果表明机械手强度足够;对机械手夹紧钻杆时,钻杆表面的应力以及钻杆管体的变形情况也进行了有限元分析,结果也均符合要求。接着,对机械手在执行夹持动作时的运动学、动力学特性进行了仿真分析。将机械手夹持机构的模型导入Adams,建立了虚拟样机:通过设定的驱动参数,进行了多刚体运动学仿真,获取了机械手在夹紧钻杆过程中关键零件的位置、速度、加速度的变化情况以及部分零件的空间轨迹、相对转角等运动学参数;考虑到在夹紧钻杆时,夹板产生的变形,进行了刚柔耦合动力学仿真,获取了该情况下机构的动力学特性。此外,对机械手的液压回路进行了仿真分析,获取了液压回路中压力、流量等参数;还对机械手进行了机械、液压联合仿真,获取了机械手在液压系统驱动下的动力学特性。最后,通过实验,测试了牙板的当量摩擦系数。综合牙板对钻杆造成的表面应力情况,以及当量摩擦系数的大小,选出了一组最合适的牙板方案,并将该牙板设计作为机械手完整的、最优的机械设计的一部分。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P634.31
【部分图文】：

管柱运移由传统的人工操作逐步向自动化处理方式过渡，而实现自动部件就是排管机。排管机工作时[3-5]：张开机械手靠近钻柱，夹紧立根，定高度，然后再将立根在井口与指梁架之间进行运移。不仅能够降低工作业的安全性，同时还能提高管柱运移的工作效率。机最早应用在海洋石油钻井中[6-9]。海洋钻井中，由于劳动强度大、工作效率低等因素，使得钻井施工难以有效进行。而自动摆排管机的应用，，也是 HSE 原则（健康，安全，高效）的体现。在海洋钻井中取得良油钻井中，排管机也逐步被推广与应用。部大陆科学钻探领域，我国吉林大学研制的 地壳一号 万米钻机，配备钻工等自动化管柱处理设备[4,10]。万米钻机的研制，是我国深部探测装备着我国在 入地 领域取得了阶段性进展。地壳一号 成功用于松科 2 井通过现场试验，证明其排管机工作原理可行。 地壳一号 上排管机的应动化处理上的一大进步，积累了宝贵的排管机的研发经验与技术。

图 1.2 排管机 20 世纪的发展情况1949 年， Humble Oil 和 Byron Jackson 公司联合研发了一台管柱排放装置[6,23]。该装采用电驱动，经多次改进，在 1952 年成功使用。1956~1973 年间，排管机的形式不断改进，在海洋钻井领域得到了推广[4,24]。钻井CUSS-1 号，Discoverer II 号，半潜式海洋钻井平台 West Venture，陆续配备了排管机，并得了良好的效果。20 世纪 80 年代，为了保障海洋石油钻井工人的权益，一些国家强制要钻井平台上排机[23]。这使得排管机在海洋钻井领域的应用得到了普及。20 世纪 90 年代，排管机朝着模块化、系列化方向发展，并由海洋钻井领域扩展到了陆地石油钻井中。排管机的种类也变得齐全，包括机械手式、立柱式、悬挂式等，可根据钻的型号和钻井工艺的需求选择合适的摆排管机使用[3]。进入 21 世纪以后，排管机发展得到了进一步的完善。NOV 公司的 STV 排管系统，AkKvaerner 公司的钻杆自动排放系统，Weatherford 公司的 Iron Derrickman 排管系统，宝

式于提升圆钢管柱的电磁类机械手，按照工作方式可以分为三类：永磁铁电永磁铁吸盘。其中，永磁吸盘、电永磁吸盘已成功应用于钻探领域的铁吸盘，利用电流的磁效应，在吸盘内部设有线圈：线圈通电后产生的，将电磁吸盘表面的工件吸紧固定；线圈断电，磁力消失，此时取下工，且无法长时间不间断工作，常作为机床附件使用。式吸盘式吸盘，核心是高性能的稀土钕铁硼磁铁，其设计利用了磁通的连续性）以及磁场叠加原理。如图 1.3 所示，永磁吸盘设计有两组磁钢：扳动相对移动，从而吸盘内部磁力系统发生改变，实现工作面处磁力的叠加工件被吸盘吸持和释放。
【参考文献】

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本文编号：2848441