摇臂式铁钻工的结构设计及优化

发布时间：2017-04-29 19:15

  本文关键词：摇臂式铁钻工的结构设计及优化，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着科技进步,钻井技术也在向自动化和智能化的方向发展。现阶段多数油气田已经进入开发的中后期,开采深度持续增加,传统的石油钻探开采设备已无法满足目前的钻探要求。针对石油开采钻、修井过程中,采用传统的液压动力大钳上卸扣钻杆,工作效率低,操作繁琐以及存在安全隐患等问题,提出了摇臂式铁钻工的设计思路。与传统的液压动力大钳相比,摇臂式铁钻工不仅具有液压大钳的基本功能,还在工作可靠性、使用寿命和作业效率指标等方面均有着明显的提高。本论文的主要内容是在参考前人的基础上进行改进设计,研制一套自动化、高效率的摇臂式铁钻工,并形成工程化能力,打破摇臂式铁钻工关键技术由跨国公司垄断的局面,为我国油气井作业提供高扭矩上卸扣作业技术及工具。本课题设计的摇臂式铁钻工是在参考前人的基础上进行改进并进行创新性设计的。主要通过以下方式进行设计和研究：1、查阅国内外石油管具上卸扣装置发展过程、铁钻工的研究现状等相关文献,综合分析了过去铁钻工的工作特性,结合当前海上钻井平台钻井作业的需求提出了一种自动化、高效率的摇臂式铁钻工整体结构方案。该摇臂式铁钻工可提高施工的安全性、缩短钻井周期、降低工作强度并减少对钻具的损坏。设计时考虑了该铁钻工在海上平台作业的适用性,减小铁钻工体积,提出该摇臂式铁钻工可应用于海上石油钻采；2、根据文献调研及综合分析,提出并设计了摇臂式铁钻工的结构和工作原理,优选铁钻工升降伸展装置、旋扣钳、冲口钳结构方案。该摇臂式铁钻工由伸缩臂、立柱、旋扣钳、冲口钳、液压系统、底座等构成。铁钻工工作时立柱箱体升至工作高度,伸缩臂伸展至指定地点；管具提升至被检测区域,冲扣钳扭转到工作位置；操作人员确认管具接箍位于钳子夹紧位置；冲扣钳下钳夹紧,冲扣钳上钳夹紧,旋扣钳旋转上卸扣；最后操作人员确认管具接箍位上扣完成；3、针对铁钻工的工作环境、作业需求,提出摇臂式铁钻工的主要技术参数,并对旋扣钳、冲口钳、伸缩臂、升降伸展装置、底座进行相关设计分析；4、利用SolidWorks软件将设计好的摇臂式铁钻工伸缩臂二维结构图转化为三维模型,然后导入到Ansys有限元分析(FEA)软件中进行运动学仿真,创建各个杆件和整体连杆机构相对空间位置、姿态之间关系,验证摇臂式铁钻工伸缩臂结构参数设计的合理性；5、绘制摇臂式铁钻工底座、伸缩臂、连接块零部件三维模型,导入有限元分析软件中划分网格、添加材料、设置分析条件等,最终生成有限元分析模型,对其进行有限元强度分析计算,为零部件加工材料的选取提供参考作用；6、该摇臂式铁钻工钳头采用互换性的设计思想,可针对不同钻具类型和不同作业环境更换不同结构类型的夹持钳牙。同时优化摇臂式铁钻工夹持钳牙的结构,选取一组合适的钳牙结构参数、齿面分布类型,满足增大夹持摩擦力且不破坏钻具。通过上述设计与研究,获得了以下主要结论：1、根据摇臂式铁钻工的功能需求、工作环境,确定该摇臂式铁钻工主要技术参数。采用内液压缸的伸出和缩回的运动来完成钳头的上升和下降,立柱通过销轴和底座连接；选用液压缸在杠杆中部安装,两夹紧臂平行夹紧的旋扣钳结构设计；冲口钳选用三液压缸直接驱动三点夹紧方式,四液压缸双向扭转方式。该摇臂式铁钻工结构简单,工作可靠性强,满足设计需求；2、依据摇臂式铁钻工的整体机构、技术特点,完成旋扣钳液压系统、冲扣钳、机械臂、升降伸展装置、底座等主要零部件机构的相关理论设计；3、建立摇臂式铁钻工的机械臂三维模型,借助ADAMS软件开展摇臂式铁钻工机械臂运动学分析,获得液压缸及相关节点X、Y轴位移、速度、加速度随时间的变化图像,证明了摇臂式铁钻工机械臂设计方案可操作性；4、建立铁钻工底座、机械臂、连接块等关键部件有限元模型,导入ANSYS Workbench进行强度分析。根据底座实际工作状况,给底座上表面施加一定的载荷,得出底座最大等效应力值是262.14MPa,低于材料屈服极限值；对机械臂最危险工况下的受力进行了仿真模拟,通过有限元分析,我们可以更加清楚的了解设计的机械臂主要受力点的受力情况,以及应力分布情况；对机械臂中易损部件连接块进行了强度校核,连接块受力主要集中在销孔处,但是强度低于材料的屈服极限；5、建立摇臂式铁钻工钳头夹持齿牙面受力分析的基本力学模型,分别从钳牙齿面分布、牙型咬入深度对其进行了相应的优化设计,获得了牙痕深度与钳牙牙型角、齿高和齿间距等参数的函数关系。综合考虑增大钻杆与钳牙摩擦力、以及牙型咬入钻杆深度2方面,得出摇臂式铁钻工钳牙齿面采用菱形分布的结构形式,牙型面采用牙张角a为110度,齿高h为2mm,齿间距p为5mm的结构参数。
【关键词】：铁钻工 机械臂 钳头 结构设计 运动学仿真 力学分析
【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】：TE92
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-24
• 1.1 研究背景及意义11
• 1.2 国内外研究现状与前景分析11-21
• 1.3 主要研究内容21-23
• 1.4 本章小节23-24
• 第2章 摇臂式铁钻工方案设计24-30
• 2.1 摇臂式铁钻工工作原理及流程24-25
• 2.2 摇臂式铁钻工的主要技术参数25-26
• 2.3 升降伸展装置的方案选择26-27
• 2.4 钳头机构的结构形式27-29
• 2.5 本章小结29-30
• 第3章 摇臂式铁钻工结构设计30-49
• 3.1 铁钻工的功能分析30-31
• 3.2 旋扣钳的结构设计31-36
• 3.3 冲扣钳的结构设计36-38
• 3.4 机械臂的结构设计38-44
• 3.5 升降装置结构设计44-45
• 3.6 底座结构设计45-48
• 3.7 本章小结48-49
• 第4章 摇臂式铁钻工运动学分析与仿真49-59
• 4.1 运动学分析49-51
• 4.2 铁钻工的运动学仿真51-58
• 4.3 本章小结58-59
• 第5章 摇臂式铁钻工关键部件的有限元分析59-68
• 5.1 有限元强度分析软件ANSYS/WORKBENCH简介59-60
• 5.2 摇臂式铁钻工底座有限元分析60-62
• 5.3 摇臂式铁钻工机械臂有限元分析62-64
• 5.4 摇臂式铁钻工连接块有限元分析64-67
• 5.5 本章小结67-68
• 第6章 钳牙的优化设计68-74
• 6.1 钳牙牙型面力学分析68-69
• 6.2 钳牙齿面分布69-70
• 6.3 牙型咬入深度的优化70-72
• 6.4 本章小结72-74
• 第7章 总结与展望74-76
• 7.1 全文总结74-75
• 7.2 展望75-76
• 致谢76-77
• 参考文献77-81
• 个人简介81-82

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