管柱输送装置的设计与理论研究

发布时间：2017-04-28 22:06

  本文关键词：管柱输送装置的设计与理论研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着科学技术的发展,钻井自动化的发展速度越来越快。国外自20世纪90年代便对管柱自动化处理技术进行了研究,管柱快捷的输送已经发展成一项前沿钻井技术,也是21世纪钻井技术的主要发展方向。传统的管柱输送作业需要多人配合完成,作业人员劳动强度大、危险性高、作业效率极低、易发生人身伤亡事故。同时现代钻井朝着深井、超深井、大位移水平井等方向发展,随着井深的增加,钻井现场所需要的管柱越来越多,管柱的输送将是大批量的,因此钻井现场需要输送能力强、速度快的工具向钻台输送管柱。本文在深入的了解了国内外各种输送装置的基础上,对输送装置自动化处理系统进行了深入的探讨,结合相关课题设计了一种应用于ZJ70,钻深4500m-7000m,钻台最大高度10.5m的全自动管柱输送装置,能有效缩短钻井周期、节约人力物力的冗余,并设计有配套使用的管柱存储系统,能有效提高现场作业的安全,并可减轻钻、修井工人的劳动强度,以实现健康、安全、环保的理念。本论文针对管柱输送装置进行了相应的研究,研究的内容主要包括五个方面：机械结构设计、静力学与运动学分析、动力学分析、性能参数分析与关键零部件的有限元分析。具体内容阐述如下：首先,对管柱自动化处理系统、管柱输送装置的发展和应用现状进行分析研究,对相关资料和数据进行整理,了解主要类型管柱输送装置结构特点。根据管柱输送装置的实际工况及其要求,确定管柱输送装置整体结构设计方案,完成运移系统和存储系统的的运行方案与相应的参数的确定。管柱输送装置的存储系统主要由管柱存储内盒和存储外盒组成。设计时,要求存储系统存储5'钻杆的数量高于450根,最终设计的管柱盒有十组存储柜,每组存储柜能够最多容纳12根钻杆,单个存储盒所能存储的钻杆最大为120根。为了节约空间,同时保证钻杆能够在盒内滚动,每个存储柜的高度为150mm,存储盒总高度为2040m,总宽为1645mm。结合设计的管柱存储内盒结构尺寸,设计的存储系统外盒由侧面安全全架、后立架、后立柱、前立架、活动立柱、底部立架、存储液压缸、滑轮柱等组成。其总长12m,总宽2.1m,最大高度2.28m,整体的最大提升力为1484kN。运移系统主要由管排架、底座总成、转动臂总成、输送臂总成、坡道总成等组成,能与存储系统配合使用,能实现从地面输送关注到钻台,或从钻台将管柱下放到地面。其次,根据功能要求完成装置中各组成部件的设计,利用CAD软件绘制运移系统和存储系统的二维图,用SolidWorks完成装置的三维模型,并对管柱输送装置的结构组成与工作原理进行详细的介绍。建立运移系统的简化机构模型,采用静力学结合几何方程的方法,完成运移系统静力学模型的建立,为运移系统的性能分析提供理论基础。针对设计的运移系统结构组成和工作原理,建立了运移系统起升第一、第二、第三及第四阶段结构间的几何方程和起升的过程的静力学方程。通过建立的几何方程,结合实际工作的钻台高度为10.5m,坡道的倾角相对固定,转动固定座对转动臂的最大转角进行了限制等设计要求,计算了给定条件下的运移系统的结构参数变化值,并对最终结构参数进行了确定。通过确定的结构参数,结合静力学方程,计算出运移系统的最大拉力为92635kN,小于系统能够提供的最大拉力值,满足设计要求。第三,结合静力学的相关模型,通过达朗贝尔原理建立了运移系统起升过程四个阶段的动力学方程,通过C#和Mat lab软件对运移系统提升的四个阶段的动力学模型进行求解,分析了提升过程中,最大提升力和最大坡道支持力的变化规律,验证了管柱输送装置运移系统设计方案的可行性,同时对主要参数对提升力和支持力的影响进行了分析,为运移系统的运动参数与结构优化提供参考依据。运移系统的动力学主要考虑了输送臂和转动臂的转动产生的惯性力以及第三、第四阶段的几何方程的改变,针对各阶段的不同的几何方程、平衡方程建立了各阶段的动力学方程。通过软件计算的结果显示,在常规工作下系统所需最大拉力为81230N；最大载荷作用下,所需最大拉力为131380N,运移系统的最大提升力均小于液压绞车的的最大提力14t,满足使用要求。同时输送臂伸出的长度1.5m≤L≤5.5m,高度H≤2.6m,均满足现场得使用要求。动力学分析最后,通过软件分析了偏距e、输送臂尾端长度、转动臂长度、管柱重量、输送臂钢丝绳节点距对提升拉力和坡道支持力的影响,为运移系统的运动参数与结构优化提供参考依据。最后,对运移系统与储存系统关键部件进行强度与稳定性分析,对系统关键部件的进行了静力学和瞬态动力学分析,观察零件的变形与应力情况；对主要液压缸杆进行了稳定性分析,为系统零部件的安全和可靠性的提供了依据。静力学分析中,分析了转动固定座、管排架安全挡板、管排架液压缸杠、推块机构、钢丝绳连接销钉在各自最极端工况、最大作用力下的应力、变形图,结果显示,各零件的强度都满足各自材料的强度要求。稳定性分析中,通过对比存储液压缸杆、推块液压缸杆、翻板液压缸杆的1至5阶屈曲载荷与各液压缸杆的最大工作载荷,其结果表明,其各阶屈曲载荷均大于液压缸杆的最大载荷,各液压缸杆的稳定性满足要求。
【关键词】：管柱输送装置 存储系统 运移系统 结构设计 动力学分析 数值模拟
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE928
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-20
• 1.1 研究背景及意义12-14
• 1.2 国内外研究现状14-19
• 1.3 本文的主要研究内容19-20
• 第2章 管柱输送装置的结构设计20-32
• 2.1 管柱输送装置的功能与原理20-22
• 2.2 管柱输送装置存储系统的设计22-26
• 2.3 管柱输送装置运移系统的设计26-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第3章 运移系统结构静力学分析32-42
• 3.1 运移系统起升第一阶段受力分析32-34
• 3.2 运移系统过渡点位置确定34-35
• 3.3 运移系统起升第二阶段受力分析35-36
• 3.4 运移系统起升第三阶段受力分析36-37
• 3.5 运移系统起升第四阶段受力分析37-39
• 3.6 运移系统参数确定39-41
• 3.7 本章小结41-42
• 第4章 管柱输送装置运移系统动力学分析42-66
• 4.1 基于Matlab软件计算方法简介42-44
• 4.2 运移系统动力学模型的建立44-45
• 4.3 运移系统提升第一阶段动力学模型45-47
• 4.4 运移系统提升第二阶段动力学模型47-48
• 4.5 运移系统提升第三阶段动力学模型48-50
• 4.6 运移系统提升第四阶段动力学模型50-52
• 4.7 基于Matlab软件的动力学模型求解计算52-53
• 4.8 运移系统起升性能分析53-65
• 4.9 本章小结65-66
• 第5章 管柱输送装置关键部件强度和稳定性分析66-83
• 5.1 管柱输送装置关键部件简介66
• 5.2 管柱输送装置关键部件强度校核66-77
• 5.3 管柱输送装置关键部件稳定性分析77-82
• 5.4 本章小结82-83
• 第6章 总结与展望83-85
• 6.1 主要结论83-84
• 6.2 展望84-85
• 致谢85-86
• 参考文献86-90
• 个人简介90-91

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