隨著自動化技術(shù)的發(fā)展,排管機在石油鉆井行業(yè)、大陸科學(xué)鉆探中廣泛應(yīng)用和推廣,而在巖心鉆探領(lǐng)域,鉆具的排放仍以人工操作為主。排管機在巖心鉆探中應(yīng)用較少,與其使用的機械手有關(guān),現(xiàn)有的機械手都不適合巖心鉆探:巖心鉆桿直徑偏小,機械手的夾持直徑偏大,難以有效夾持;機械手的外形尺寸大,造成排管機占用較大空間,而巖心鉆探的井架相對較小、空間有限。因而,巖心鉆機排管機推廣的前提,是設(shè)計出一款夾持范圍合適、外形尺寸小巧的機械手。首先根據(jù)地質(zhì)巖心鉆探常用的立根規(guī)格,確定了機械手的設(shè)計參數(shù)。按照參數(shù)要求,確定了一種夾持機構(gòu)的設(shè)計方案,并進行詳細的設(shè)計與優(yōu)化;對機械手的外殼、牙板也進行了設(shè)計。此外,還對機械手的液壓回路、控制方式進行了設(shè)計。然后,對夾持不同規(guī)格立根時的機械手進行了詳細的受力計算,找出了受力最大時的危險工況。對機械手夾持機構(gòu)的重要零部件進行了有限元分析,結(jié)果表明機械手強度足夠;對機械手夾緊鉆桿時,鉆桿表面的應(yīng)力以及鉆桿管體的變形情況也進行了有限元分析,結(jié)果也均符合要求。接著,對機械手在執(zhí)行夾持動作時的運動學(xué)、動力學(xué)特性進行了仿真分析。將機械手夾持機構(gòu)的模型導(dǎo)入Adams,建立了虛擬樣機:通過設(shè)定的驅(qū)動參數(shù),進行了多剛體運動學(xué)仿真,獲取了機械手在夾緊鉆桿過程中關(guān)鍵零件的位置、速度、加速度的變化情況以及部分零件的空間軌跡、相對轉(zhuǎn)角等運動學(xué)參數(shù);考慮到在夾緊鉆桿時,夾板產(chǎn)生的變形,進行了剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真,獲取了該情況下機構(gòu)的動力學(xué)特性。此外,對機械手的液壓回路進行了仿真分析,獲取了液壓回路中壓力、流量等參數(shù);還對機械手進行了機械、液壓聯(lián)合仿真,獲取了機械手在液壓系統(tǒng)驅(qū)動下的動力學(xué)特性。最后,通過實驗,測試了牙板的當(dāng)量摩擦系數(shù)。綜合牙板對鉆桿造成的表面應(yīng)力情況,以及當(dāng)量摩擦系數(shù)的大小,選出了一組最合適的牙板方案,并將該牙板設(shè)計作為機械手完整的、最優(yōu)的機械設(shè)計的一部分。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：P634.31
【部分圖文】：

管柱運移由傳統(tǒng)的人工操作逐步向自動化處理方式過渡，而實現(xiàn)自動部件就是排管機。排管機工作時[3-5]：張開機械手靠近鉆柱，夾緊立根，定高度，然后再將立根在井口與指梁架之間進行運移。不僅能夠降低工作業(yè)的安全性，同時還能提高管柱運移的工作效率。機最早應(yīng)用在海洋石油鉆井中[6-9]。海洋鉆井中，由于勞動強度大、工作效率低等因素，使得鉆井施工難以有效進行。而自動擺排管機的應(yīng)用，，也是 HSE 原則（健康，安全，高效）的體現(xiàn)。在海洋鉆井中取得良油鉆井中，排管機也逐步被推廣與應(yīng)用。部大陸科學(xué)鉆探領(lǐng)域，我國吉林大學(xué)研制的 地殼一號 萬米鉆機，配備鉆工等自動化管柱處理設(shè)備[4,10]。萬米鉆機的研制，是我國深部探測裝備著我國在 入地 領(lǐng)域取得了階段性進展。地殼一號 成功用于松科 2 井通過現(xiàn)場試驗，證明其排管機工作原理可行。 地殼一號 上排管機的應(yīng)動化處理上的一大進步，積累了寶貴的排管機的研發(fā)經(jīng)驗與技術(shù)。

圖 1.2 排管機 20 世紀的發(fā)展情況1949 年， Humble Oil 和 Byron Jackson 公司聯(lián)合研發(fā)了一臺管柱排放裝置[6,23]。該裝采用電驅(qū)動，經(jīng)多次改進，在 1952 年成功使用。1956~1973 年間，排管機的形式不斷改進，在海洋鉆井領(lǐng)域得到了推廣[4,24]。鉆井CUSS-1 號，Discoverer II 號，半潛式海洋鉆井平臺 West Venture，陸續(xù)配備了排管機，并得了良好的效果。20 世紀 80 年代，為了保障海洋石油鉆井工人的權(quán)益，一些國家強制要鉆井平臺上排機[23]。這使得排管機在海洋鉆井領(lǐng)域的應(yīng)用得到了普及。20 世紀 90 年代，排管機朝著模塊化、系列化方向發(fā)展，并由海洋鉆井領(lǐng)域擴展到了陸地石油鉆井中。排管機的種類也變得齊全，包括機械手式、立柱式、懸掛式等，可根據(jù)鉆的型號和鉆井工藝的需求選擇合適的擺排管機使用[3]。進入 21 世紀以后，排管機發(fā)展得到了進一步的完善。NOV 公司的 STV 排管系統(tǒng)，AkKvaerner 公司的鉆桿自動排放系統(tǒng)，Weatherford 公司的 Iron Derrickman 排管系統(tǒng)，寶

式于提升圓鋼管柱的電磁類機械手，按照工作方式可以分為三類：永磁鐵電永磁鐵吸盤。其中，永磁吸盤、電永磁吸盤已成功應(yīng)用于鉆探領(lǐng)域的鐵吸盤，利用電流的磁效應(yīng)，在吸盤內(nèi)部設(shè)有線圈：線圈通電后產(chǎn)生的，將電磁吸盤表面的工件吸緊固定；線圈斷電，磁力消失，此時取下工，且無法長時間不間斷工作，常作為機床附件使用。式吸盤式吸盤，核心是高性能的稀土釹鐵硼磁鐵，其設(shè)計利用了磁通的連續(xù)性）以及磁場疊加原理。如圖 1.3 所示，永磁吸盤設(shè)計有兩組磁鋼：扳動相對移動，從而吸盤內(nèi)部磁力系統(tǒng)發(fā)生改變，實現(xiàn)工作面處磁力的疊加工件被吸盤吸持和釋放。
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本文編號：2848441