钻井平台用伸缩臂式铁钻工的设计及分析

发布时间：2020-11-18 02:31

　　 铁钻工是钻井自动化平台中非常重要的设备之一。本文通过研究国内外液压大钳和铁钻工上卸扣技术的现状,对上卸扣过程的整体方案、操作工序、相关技术要求进行分析说明,考虑到在上扣及卸扣过程中,钳头内置夹紧卡瓦由于局部径向力集中,导致对钻杆外壁的损伤、凹陷及破裂现象,低于钻杆API挤压标准,造成钻杆使用率过低或是引发断裂等事故,结合企业提出的上卸扣技术指标,设计一台针对钻杆接头拧紧的伸缩臂式铁钻工,使铁钻工所夹持接头或接箍位置的结构布局得到合理优化,提高钻杆的使用寿命,降低整体石油钻井的劳动成本,满足企业提供的API钻杆标准及企业技术要求。本文研究的主要内容如下:针对钻井平台总体技术要求,对钻杆接头上卸扣的装置完成相关结构设计。选择回转支承机构,并且设计了自带位移传感器的伸缩臂、下钳夹紧装置及附带内置夹紧卡瓦的上钳钳头,能够夹持不同管径的钻杆所对应的接头,并对钳头相关零件进行夹紧力及扭转力的计算和分析,降低对钻杆的磨损及挤压损伤,提高其使用寿命,设计一套上下钳四联缺口齿轮传动机构及紧扣崩扣扭转传动机构,使传动效率提高近30%,并最终使用Solid Works软件创建出该伸缩臂式铁钻工的整体三维实体模型。基于钻杆接头上卸扣功能要求的铁钻工液压控制系统的设计。以降本及提高自动化水平为目的,优化其原有液压系统,设计了包括夹紧液压回路、蓄能液压回路及扭转液压回路的新液压系统,通过规范其铁钻工各个操作部件的工作要求,确定铁钻工的系统压力,计算并选择合适的液压元件,以此满足对钻杆接头的旋扣紧扣崩扣等一系列操作工序,节约单周期钻杆上卸扣总时间,并可结合PLC进行远程控制,提高工作效率。运用ANSYS Workbench软件对该铁钻工的关键部件回转支承底座、内置夹紧卡瓦、钳体保持架和伸缩臂前臂进行静力学分析,得到所对应应力云图和位移云图,校核其结构尺寸,同时满足铁钻工处于最大载荷,即紧扣和崩扣瞬间状态下的强度要求,从而验证这些受力较大的关键部件的结构及尺寸合理性是否满足铁钻工的上卸扣工序。建立四联封闭齿轮系统的运动学模型,基于Hertz接触理论在计算齿轮啮合接触力方面的应用,对主钳齿轮传动系统进行了动态特性研究,验证齿轮传动的性能及平稳程度;运用Solid Works的运动学MOTION模块分析对伸缩臂式铁钻工进行了运动学分析;将Solid Works中简化的三维模型导入到动力学分析软件ADAMS中,进行动力学分析,得到伸缩臂式铁钻工运移过程中的位移、速度、受力曲线,为伸缩臂式铁钻工样机测试及优化设计提供了依据。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TE928
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题来源
    1.2 论文选题背景及意义
    1.3 铁钻工上扣卸扣方式及发展
        1.3.1 铁钻工上卸扣机构工作方式
        1.3.2 钻井钻杆上卸扣技术的发展
    1.4 铁钻工的国内外研究现状
        1.4.1 铁钻工国外研究现状
        1.4.2 国内研究现状
    1.5 本文研究内容
2 伸缩臂式铁钻工方案及总体结构设计
    2.1 伸缩臂式铁钻工总体方案
        2.1.1 铁钻工基本性能参数要求
        2.1.2 铁钻工的总体设计要求
        2.1.3 铁钻工的总体功能划分
        2.1.4 铁钻工的主要功能分析
        2.1.5 总体方案设计
    2.2 伸缩臂式铁钻工回转支承装置的选择
    2.3 伸缩臂式铁钻工主钳（旋扣钳及冲扣钳）结构方案的选择及确定
        2.3.1 铁钻工主钳夹紧方案的选择
        2.3.2 铁钻工夹紧方案的确定及内置卡瓦设计
        2.3.3 主钳夹紧装置创新点总结
        2.3.4 主钳夹紧卡瓦受力分析
        2.3.5 伸缩臂式铁钻工主钳扭转方案的选择
    2.4 伸缩臂式铁钻工主钳及传动机构设计
        2.4.1 主钳结构设计
        2.4.2 主钳传动机构设计
    2.5 铁钻工下钳夹紧机构设计
    2.6 铁钻工伸缩臂的结构设计
        2.6.1 新型伸缩臂的主要结构分析
        2.6.2 铁钻工伸缩臂的工作原理
        2.6.3 铁钻工伸缩臂的创新点优化
    2.7 本章小结
3 伸缩臂式铁钻工液压及控制系统的设计
    3.1 伸缩臂式铁钻工控制方案
        3.1.1 自动化控制方案的确定
        3.1.2 铁钻工自动上扣卸扣方案
    3.2 伸缩臂式铁钻工液压回路设计
        3.2.1 伸缩臂式铁钻工主钳夹紧回路设计
        3.2.2 铁钻工旋扣钳扭转回路设计
        3.2.3 铁钻工主钳蓄能液压回路设计
    3.3 铁钻工液压系统的有关计算及液压元件的选取
        3.3.1 铁钻工的基本技术要求
        3.3.2 液压系统压力的确定
        3.3.3 液压回路执行元件的选择
    3.4 基于PLC的机械控制系统设计
    3.5 本章小结
4 伸缩臂式铁钻工关键零件的受力分析
    4.1 有限元分析方法简介
    4.2 关键零件的Workbench受力分析
        4.2.1 铁钻工主要受力部件有限元模型的建立
        4.2.2 铁钻工主钳钳体机架有限元分析
        4.2.3 铁钻工伸缩臂主力臂有限元分析
        4.2.4 铁钻工回转支承底座有限元分析
    4.3 本章小节
5 伸缩臂式铁钻工运动学和动力学分析
    5.1 铁钻工旋扣钳缺口齿轮传动系统动态载荷仿真
        5.1.1 传动齿轮结构设计
        5.1.2 四联封闭缺口齿轮安装条件与计算
        5.1.3 相关齿轮碰撞参数推导及计算
        5.1.4 旋扣钳四联缺口齿轮传动系统的三维建模及校核
    5.2 铁钻工伸缩臂运动学仿真分析
    5.3 铁钻工伸缩臂ADAMS动力学仿真分析
    5.4 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表论文及专利情况
致谢

【参考文献】

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本文编号：2888234