本文關(guān)鍵詞：管柱輸送裝置的設(shè)計(jì)與理論研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,鉆井自動(dòng)化的發(fā)展速度越來越快。國外自20世紀(jì)90年代便對(duì)管柱自動(dòng)化處理技術(shù)進(jìn)行了研究,管柱快捷的輸送已經(jīng)發(fā)展成一項(xiàng)前沿鉆井技術(shù),也是21世紀(jì)鉆井技術(shù)的主要發(fā)展方向。傳統(tǒng)的管柱輸送作業(yè)需要多人配合完成,作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高、作業(yè)效率極低、易發(fā)生人身傷亡事故。同時(shí)現(xiàn)代鉆井朝著深井、超深井、大位移水平井等方向發(fā)展,隨著井深的增加,鉆井現(xiàn)場(chǎng)所需要的管柱越來越多,管柱的輸送將是大批量的,因此鉆井現(xiàn)場(chǎng)需要輸送能力強(qiáng)、速度快的工具向鉆臺(tái)輸送管柱。本文在深入的了解了國內(nèi)外各種輸送裝置的基礎(chǔ)上,對(duì)輸送裝置自動(dòng)化處理系統(tǒng)進(jìn)行了深入的探討,結(jié)合相關(guān)課題設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于ZJ70,鉆深4500m-7000m,鉆臺(tái)最大高度10.5m的全自動(dòng)管柱輸送裝置,能有效縮短鉆井周期、節(jié)約人力物力的冗余,并設(shè)計(jì)有配套使用的管柱存儲(chǔ)系統(tǒng),能有效提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的安全,并可減輕鉆、修井工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,以實(shí)現(xiàn)健康、安全、環(huán)保的理念。本論文針對(duì)管柱輸送裝置進(jìn)行了相應(yīng)的研究,研究的內(nèi)容主要包括五個(gè)方面：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、靜力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、性能參數(shù)分析與關(guān)鍵零部件的有限元分析。具體內(nèi)容闡述如下：首先,對(duì)管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)、管柱輸送裝置的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析研究,對(duì)相關(guān)資料和數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,了解主要類型管柱輸送裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。根據(jù)管柱輸送裝置的實(shí)際工況及其要求,確定管柱輸送裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,完成運(yùn)移系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)的的運(yùn)行方案與相應(yīng)的參數(shù)的確定。管柱輸送裝置的存儲(chǔ)系統(tǒng)主要由管柱存儲(chǔ)內(nèi)盒和存儲(chǔ)外盒組成。設(shè)計(jì)時(shí),要求存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)5'鉆桿的數(shù)量高于450根,最終設(shè)計(jì)的管柱盒有十組存儲(chǔ)柜,每組存儲(chǔ)柜能夠最多容納12根鉆桿,單個(gè)存儲(chǔ)盒所能存儲(chǔ)的鉆桿最大為120根。為了節(jié)約空間,同時(shí)保證鉆桿能夠在盒內(nèi)滾動(dòng),每個(gè)存儲(chǔ)柜的高度為150mm,存儲(chǔ)盒總高度為2040m,總寬為1645mm。結(jié)合設(shè)計(jì)的管柱存儲(chǔ)內(nèi)盒結(jié)構(gòu)尺寸,設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)系統(tǒng)外盒由側(cè)面安全全架、后立架、后立柱、前立架、活動(dòng)立柱、底部立架、存儲(chǔ)液壓缸、滑輪柱等組成。其總長(zhǎng)12m,總寬2.1m,最大高度2.28m,整體的最大提升力為1484kN。運(yùn)移系統(tǒng)主要由管排架、底座總成、轉(zhuǎn)動(dòng)臂總成、輸送臂總成、坡道總成等組成,能與存儲(chǔ)系統(tǒng)配合使用,能實(shí)現(xiàn)從地面輸送關(guān)注到鉆臺(tái),或從鉆臺(tái)將管柱下放到地面。其次,根據(jù)功能要求完成裝置中各組成部件的設(shè)計(jì),利用CAD軟件繪制運(yùn)移系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)的二維圖,用SolidWorks完成裝置的三維模型,并對(duì)管柱輸送裝置的結(jié)構(gòu)組成與工作原理進(jìn)行詳細(xì)的介紹。建立運(yùn)移系統(tǒng)的簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)模型,采用靜力學(xué)結(jié)合幾何方程的方法,完成運(yùn)移系統(tǒng)靜力學(xué)模型的建立,為運(yùn)移系統(tǒng)的性能分析提供理論基礎(chǔ)。針對(duì)設(shè)計(jì)的運(yùn)移系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和工作原理,建立了運(yùn)移系統(tǒng)起升第一、第二、第三及第四階段結(jié)構(gòu)間的幾何方程和起升的過程的靜力學(xué)方程。通過建立的幾何方程,結(jié)合實(shí)際工作的鉆臺(tái)高度為10.5m,坡道的傾角相對(duì)固定,轉(zhuǎn)動(dòng)固定座對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)臂的最大轉(zhuǎn)角進(jìn)行了限制等設(shè)計(jì)要求,計(jì)算了給定條件下的運(yùn)移系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化值,并對(duì)最終結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了確定。通過確定的結(jié)構(gòu)參數(shù),結(jié)合靜力學(xué)方程,計(jì)算出運(yùn)移系統(tǒng)的最大拉力為92635kN,小于系統(tǒng)能夠提供的最大拉力值,滿足設(shè)計(jì)要求。第三,結(jié)合靜力學(xué)的相關(guān)模型,通過達(dá)朗貝爾原理建立了運(yùn)移系統(tǒng)起升過程四個(gè)階段的動(dòng)力學(xué)方程,通過C#和Mat lab軟件對(duì)運(yùn)移系統(tǒng)提升的四個(gè)階段的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行求解,分析了提升過程中,最大提升力和最大坡道支持力的變化規(guī)律,驗(yàn)證了管柱輸送裝置運(yùn)移系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性,同時(shí)對(duì)主要參數(shù)對(duì)提升力和支持力的影響進(jìn)行了分析,為運(yùn)移系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù)。運(yùn)移系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)主要考慮了輸送臂和轉(zhuǎn)動(dòng)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力以及第三、第四階段的幾何方程的改變,針對(duì)各階段的不同的幾何方程、平衡方程建立了各階段的動(dòng)力學(xué)方程。通過軟件計(jì)算的結(jié)果顯示,在常規(guī)工作下系統(tǒng)所需最大拉力為81230N；最大載荷作用下,所需最大拉力為131380N,運(yùn)移系統(tǒng)的最大提升力均小于液壓絞車的的最大提力14t,滿足使用要求。同時(shí)輸送臂伸出的長(zhǎng)度1.5m≤L≤5.5m,高度H≤2.6m,均滿足現(xiàn)場(chǎng)得使用要求。動(dòng)力學(xué)分析最后,通過軟件分析了偏距e、輸送臂尾端長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)動(dòng)臂長(zhǎng)度、管柱重量、輸送臂鋼絲繩節(jié)點(diǎn)距對(duì)提升拉力和坡道支持力的影響,為運(yùn)移系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù)。最后,對(duì)運(yùn)移系統(tǒng)與儲(chǔ)存系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行強(qiáng)度與穩(wěn)定性分析,對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的進(jìn)行了靜力學(xué)和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析,觀察零件的變形與應(yīng)力情況；對(duì)主要液壓缸桿進(jìn)行了穩(wěn)定性分析,為系統(tǒng)零部件的安全和可靠性的提供了依據(jù)。靜力學(xué)分析中,分析了轉(zhuǎn)動(dòng)固定座、管排架安全擋板、管排架液壓缸杠、推塊機(jī)構(gòu)、鋼絲繩連接銷釘在各自最極端工況、最大作用力下的應(yīng)力、變形圖,結(jié)果顯示,各零件的強(qiáng)度都滿足各自材料的強(qiáng)度要求。穩(wěn)定性分析中,通過對(duì)比存儲(chǔ)液壓缸桿、推塊液壓缸桿、翻板液壓缸桿的1至5階屈曲載荷與各液壓缸桿的最大工作載荷,其結(jié)果表明,其各階屈曲載荷均大于液壓缸桿的最大載荷,各液壓缸桿的穩(wěn)定性滿足要求。
【關(guān)鍵詞】：管柱輸送裝置 存儲(chǔ)系統(tǒng) 運(yùn)移系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 動(dòng)力學(xué)分析 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：長(zhǎng)江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TE928
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-20
• 1.1 研究背景及意義12-14
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-19
• 1.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容19-20
• 第2章 管柱輸送裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)20-32
• 2.1 管柱輸送裝置的功能與原理20-22
• 2.2 管柱輸送裝置存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)22-26
• 2.3 管柱輸送裝置運(yùn)移系統(tǒng)的設(shè)計(jì)26-31
• 2.4 本章小結(jié)31-32
• 第3章 運(yùn)移系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析32-42
• 3.1 運(yùn)移系統(tǒng)起升第一階段受力分析32-34
• 3.2 運(yùn)移系統(tǒng)過渡點(diǎn)位置確定34-35
• 3.3 運(yùn)移系統(tǒng)起升第二階段受力分析35-36
• 3.4 運(yùn)移系統(tǒng)起升第三階段受力分析36-37
• 3.5 運(yùn)移系統(tǒng)起升第四階段受力分析37-39
• 3.6 運(yùn)移系統(tǒng)參數(shù)確定39-41
• 3.7 本章小結(jié)41-42
• 第4章 管柱輸送裝置運(yùn)移系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析42-66
• 4.1 基于Matlab軟件計(jì)算方法簡(jiǎn)介42-44
• 4.2 運(yùn)移系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立44-45
• 4.3 運(yùn)移系統(tǒng)提升第一階段動(dòng)力學(xué)模型45-47
• 4.4 運(yùn)移系統(tǒng)提升第二階段動(dòng)力學(xué)模型47-48
• 4.5 運(yùn)移系統(tǒng)提升第三階段動(dòng)力學(xué)模型48-50
• 4.6 運(yùn)移系統(tǒng)提升第四階段動(dòng)力學(xué)模型50-52
• 4.7 基于Matlab軟件的動(dòng)力學(xué)模型求解計(jì)算52-53
• 4.8 運(yùn)移系統(tǒng)起升性能分析53-65
• 4.9 本章小結(jié)65-66
• 第5章 管柱輸送裝置關(guān)鍵部件強(qiáng)度和穩(wěn)定性分析66-83
• 5.1 管柱輸送裝置關(guān)鍵部件簡(jiǎn)介66
• 5.2 管柱輸送裝置關(guān)鍵部件強(qiáng)度校核66-77
• 5.3 管柱輸送裝置關(guān)鍵部件穩(wěn)定性分析77-82
• 5.4 本章小結(jié)82-83
• 第6章 總結(jié)與展望83-85
• 6.1 主要結(jié)論83-84
• 6.2 展望84-85
• 致謝85-86
• 參考文獻(xiàn)86-90
• 個(gè)人簡(jiǎn)介90-91

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