【摘要】：在油田的開采流程中,原油換熱器作為原油運(yùn)輸過(guò)程設(shè)備,用于對(duì)剛采出的原油進(jìn)行加熱,以便提高運(yùn)輸效率。但由于原油成分復(fù)雜且粘度較高,換熱器易出現(xiàn)堵塞問(wèn)題,為實(shí)現(xiàn)有效清洗且不影響油田開采進(jìn)程,將傳統(tǒng)清洗技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合,提出了一種用于原油換熱器的新型在線自動(dòng)清洗方案。本文所設(shè)計(jì)的定位機(jī)械手作為其中重要的一部分,工作于原油換熱器封頭帶壓進(jìn)油側(cè),用于帶動(dòng)清洗頭運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)精確定位,該裝置的可行性以及性能的好壞對(duì)整個(gè)在線自動(dòng)清洗方案的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。因此,本文針對(duì)特殊的帶壓原油環(huán)境,提出了定位機(jī)械手的總體方案,對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)、密封等進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì);利用軟件仿真校核結(jié)構(gòu)并進(jìn)行改進(jìn),確保設(shè)計(jì)的合理性;最后,考慮原油環(huán)境因素,研究了定位機(jī)械手的關(guān)節(jié)受力和驅(qū)動(dòng)特性,確保驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及選型合理。論文的主要內(nèi)容如下:首先根據(jù)換熱器在線清洗任務(wù)確定了在線清洗裝置總體方案,通過(guò)分析明確定位機(jī)械手的功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求;提出了定位機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)總體方案,并對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、密封和防腐等模塊內(nèi)容進(jìn)行了初步設(shè)計(jì),建立了定位機(jī)械手初始三維模型。其次為在帶壓原油環(huán)境中保護(hù)定位機(jī)械手關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備,防止原油泄露進(jìn)機(jī)械手殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)部,導(dǎo)致帶電裝置損壞,對(duì)定位機(jī)械手旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和殼體連接處的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為保證密封的可靠性,基于ANSYS軟件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)密封性能的仿真驗(yàn)證,分析了密封壓力和密封元件壓縮率對(duì)密封性能的影響,以此驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)的可行性,并為密封結(jié)構(gòu)的參數(shù)選擇提供了理論依據(jù)。第三,考慮到定位機(jī)械手所處的特殊工況,為確保機(jī)械手結(jié)構(gòu)具有良好的強(qiáng)度和剛度,保證定位精度,本文分別分析了定位機(jī)械手整機(jī)初始模型在空氣環(huán)境和原油環(huán)境中的應(yīng)力及總變形位移;根據(jù)分析結(jié)果,對(duì)應(yīng)力和變形較大的零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn),并分析了改進(jìn)結(jié)構(gòu)的合理性;為尋找最優(yōu)結(jié)構(gòu),結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論,建立了定位機(jī)械手的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型,運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,獲取了最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù),最終建立了優(yōu)化后的定位機(jī)械手三維模型。最后為獲取帶壓原油環(huán)境中定位機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)特性,進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型校核,通過(guò)分析單個(gè)運(yùn)動(dòng)體在原油環(huán)境中所受的液體作用力,建立了各個(gè)液體力對(duì)定位機(jī)械手旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的作用力矩方程。因原油粘度較大,阻力系數(shù)不能依據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值,基于Fluent流體仿真軟件求解了定位機(jī)械手外殼體在原油環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的阻力系數(shù)C_d。結(jié)合Matlab軟件對(duì)利用Lagrange方法建立的定位機(jī)械手動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析,獲取了機(jī)械手關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力矩曲線,探討了影響定位機(jī)械手旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的因素并校核了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選型。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TE974.7
【圖文】：

解決油田開采過(guò)程中原油換熱熱器管束堵塞，提高輸送效率。義熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備器、冷凝器、蒸汽發(fā)生器和冷卻器四大工、核電以及冶金等工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重使用規(guī)模已突破 700 億元[2]，其中，石，換熱器的使用量占設(shè)備總投資的 10％在多種換熱器類型中，管殼式換熱器占中應(yīng)用的換熱器而言，屬于加熱器類型原油進(jìn)行前期的加熱，防止原油凝固，。但由于原油介質(zhì)在換熱器內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)間的使用過(guò)程中，易導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)部管束變小甚至堵塞，如圖 1-1 所示；

人技術(shù)發(fā)展較早，故機(jī)器人技術(shù)四五十年前前技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟并已有多款產(chǎn)品應(yīng)用于，核電工業(yè)興起不久，美國(guó)西屋公司便提出了]。70 年代中期，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽發(fā)生器中渦款渦流自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備[7]，如圖 1-2 所示，它流探頭組成，定位機(jī)器人是一個(gè)具有兩自由安裝于蒸汽發(fā)生器管殼上，末端裝有渦流探助控制機(jī)械手兩個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使末端的渦渦流檢測(cè)任務(wù)。之后幾年，西屋公司結(jié)合人系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，在機(jī)械手的末端增加了圖動(dòng)標(biāo)識(shí)管板上的管孔，提高了定位精度。西(Coordinate Transport Manipulator)、通用的 S M/STI 系統(tǒng)、ROSA（the Remotely Operated

圖 1-3 CECIL 裝置示意圖nan James[10]針對(duì)換熱器管程清洗問(wèn)題，設(shè)計(jì)洗設(shè)備，如圖 1-4 所示，機(jī)器人結(jié)構(gòu)采用工自由度，通過(guò)馬達(dá)控制滑塊移動(dòng)，能夠在平刻度尺，可人工進(jìn)行調(diào)節(jié)，定位精度高；定頭，對(duì)管束進(jìn)行沖洗，為了防止高壓水射流成影響，增設(shè)活動(dòng)鉸鏈，防止在較大的反沖度。Aquilex Hydrochem[11]公司為簡(jiǎn)化清洗了一種新型換熱器管程清洗定位機(jī)器人的構(gòu)采用兩自由度平面關(guān)節(jié)型式，利用三角形的動(dòng)進(jìn)行高壓水射流噴頭的定位工作。

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本文編號(hào)：2778183