带压原油环境中定位机械手机械系统的设计与研究

发布时间：2020-08-02 04:48

【摘要】：在油田的开采流程中,原油换热器作为原油运输过程设备,用于对刚采出的原油进行加热,以便提高运输效率。但由于原油成分复杂且粘度较高,换热器易出现堵塞问题,为实现有效清洗且不影响油田开采进程,将传统清洗技术和机器人技术相结合,提出了一种用于原油换热器的新型在线自动清洗方案。本文所设计的定位机械手作为其中重要的一部分,工作于原油换热器封头带压进油侧,用于带动清洗头运动并实现精确定位,该装置的可行性以及性能的好坏对整个在线自动清洗方案的实现具有重要意义。因此,本文针对特殊的带压原油环境,提出了定位机械手的总体方案,对其机械结构、密封等进行了详细的设计;利用软件仿真校核结构并进行改进,确保设计的合理性;最后,考虑原油环境因素,研究了定位机械手的关节受力和驱动特性,确保驱动系统的设计及选型合理。论文的主要内容如下:首先根据换热器在线清洗任务确定了在线清洗装置总体方案,通过分析明确定位机械手的功能及结构设计要求;提出了定位机械手的机械系统总体方案,并对机械系统的结构、驱动系统、密封和防腐等模块内容进行了初步设计,建立了定位机械手初始三维模型。其次为在带压原油环境中保护定位机械手关节的驱动设备,防止原油泄露进机械手壳体结构内部,导致带电装置损坏,对定位机械手旋转关节和壳体连接处的密封结构进行设计。为保证密封的可靠性,基于ANSYS软件进行了结构密封性能的仿真验证,分析了密封压力和密封元件压缩率对密封性能的影响,以此验证了所设计密封结构的可行性,并为密封结构的参数选择提供了理论依据。第三,考虑到定位机械手所处的特殊工况,为确保机械手结构具有良好的强度和刚度,保证定位精度,本文分别分析了定位机械手整机初始模型在空气环境和原油环境中的应力及总变形位移;根据分析结果,对应力和变形较大的零部件进行了结构改进,并分析了改进结构的合理性;为寻找最优结构,结合结构优化设计理论,建立了定位机械手的结构优化模型,运用ANSYS有限元分析软件对机械手的结构参数进行了优化,获取了最优的结构参数,最终建立了优化后的定位机械手三维模型。最后为获取带压原油环境中定位机械手的驱动特性,进行驱动系统选型校核,通过分析单个运动体在原油环境中所受的液体作用力,建立了各个液体力对定位机械手旋转关节的作用力矩方程。因原油粘度较大,阻力系数不能依据经验取值,基于Fluent流体仿真软件求解了定位机械手外壳体在原油环境中运动的阻力系数C_d。结合Matlab软件对利用Lagrange方法建立的定位机械手动力学模型进行仿真分析,获取了机械手关节的驱动力和驱动力矩曲线,探讨了影响定位机械手旋转关节驱动力矩的因素并校核了驱动系统的选型。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE974.7
【图文】：

输送效率,换热器,换热效率,原油

解决油田开采过程中原油换热热器管束堵塞，提高输送效率。义热流体的部分热量传递给冷流体的设备器、冷凝器、蒸汽发生器和冷却器四大工、核电以及冶金等工业领域发挥着重使用规模已突破 700 亿元[2]，其中，石，换热器的使用量占设备总投资的 10％在多种换热器类型中，管壳式换热器占中应用的换热器而言，属于加热器类型原油进行前期的加热，防止原油凝固，。但由于原油介质在换热器内的长时间的使用过程中，易导致换热器内部管束变小甚至堵塞，如图 1-1 所示；

结构示意图,蒸汽发生器

人技术发展较早，故机器人技术四五十年前前技术已经相对成熟并已有多款产品应用于，核电工业兴起不久，美国西屋公司便提出了]。70 年代中期，为了实现对蒸汽发生器中涡款涡流自动检测设备[7]，如图 1-2 所示，它流探头组成，定位机器人是一个具有两自由安装于蒸汽发生器管壳上，末端装有涡流探助控制机械手两个关节的转动，使末端的涡涡流检测任务。之后几年，西屋公司结合人系统进行了改进，在机械手的末端增加了图动标识管板上的管孔，提高了定位精度。西(Coordinate Transport Manipulator)、通用的 S M/STI 系统、ROSA（the Remotely Operated

高压水射流,换热器管,平面关节,马达控制

图 1-3 CECIL 装置示意图nan James[10]针对换热器管程清洗问题，设计洗设备，如图 1-4 所示，机器人结构采用工自由度，通过马达控制滑块移动，能够在平刻度尺，可人工进行调节，定位精度高；定头，对管束进行冲洗，为了防止高压水射流成影响，增设活动铰链，防止在较大的反冲度。Aquilex Hydrochem[11]公司为简化清洗了一种新型换热器管程清洗定位机器人的构采用两自由度平面关节型式，利用三角形的动进行高压水射流喷头的定位工作。

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