本文關(guān)鍵詞：搖臂式鐵鉆工的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著科技進步,鉆井技術(shù)也在向自動化和智能化的方向發(fā)展。現(xiàn)階段多數(shù)油氣田已經(jīng)進入開發(fā)的中后期,開采深度持續(xù)增加,傳統(tǒng)的石油鉆探開采設(shè)備已無法滿足目前的鉆探要求。針對石油開采鉆、修井過程中,采用傳統(tǒng)的液壓動力大鉗上卸扣鉆桿,工作效率低,操作繁瑣以及存在安全隱患等問題,提出了搖臂式鐵鉆工的設(shè)計思路。與傳統(tǒng)的液壓動力大鉗相比,搖臂式鐵鉆工不僅具有液壓大鉗的基本功能,還在工作可靠性、使用壽命和作業(yè)效率指標等方面均有著明顯的提高。本論文的主要內(nèi)容是在參考前人的基礎(chǔ)上進行改進設(shè)計,研制一套自動化、高效率的搖臂式鐵鉆工,并形成工程化能力,打破搖臂式鐵鉆工關(guān)鍵技術(shù)由跨國公司壟斷的局面,為我國油氣井作業(yè)提供高扭矩上卸扣作業(yè)技術(shù)及工具。本課題設(shè)計的搖臂式鐵鉆工是在參考前人的基礎(chǔ)上進行改進并進行創(chuàng)新性設(shè)計的。主要通過以下方式進行設(shè)計和研究：1、查閱國內(nèi)外石油管具上卸扣裝置發(fā)展過程、鐵鉆工的研究現(xiàn)狀等相關(guān)文獻,綜合分析了過去鐵鉆工的工作特性,結(jié)合當前海上鉆井平臺鉆井作業(yè)的需求提出了一種自動化、高效率的搖臂式鐵鉆工整體結(jié)構(gòu)方案。該搖臂式鐵鉆工可提高施工的安全性、縮短鉆井周期、降低工作強度并減少對鉆具的損壞。設(shè)計時考慮了該鐵鉆工在海上平臺作業(yè)的適用性,減小鐵鉆工體積,提出該搖臂式鐵鉆工可應(yīng)用于海上石油鉆采；2、根據(jù)文獻調(diào)研及綜合分析,提出并設(shè)計了搖臂式鐵鉆工的結(jié)構(gòu)和工作原理,優(yōu)選鐵鉆工升降伸展裝置、旋扣鉗、沖口鉗結(jié)構(gòu)方案。該搖臂式鐵鉆工由伸縮臂、立柱、旋扣鉗、沖口鉗、液壓系統(tǒng)、底座等構(gòu)成。鐵鉆工工作時立柱箱體升至工作高度,伸縮臂伸展至指定地點；管具提升至被檢測區(qū)域,沖扣鉗扭轉(zhuǎn)到工作位置；操作人員確認管具接箍位于鉗子夾緊位置；沖扣鉗下鉗夾緊,沖扣鉗上鉗夾緊,旋扣鉗旋轉(zhuǎn)上卸扣；最后操作人員確認管具接箍位上扣完成；3、針對鐵鉆工的工作環(huán)境、作業(yè)需求,提出搖臂式鐵鉆工的主要技術(shù)參數(shù),并對旋扣鉗、沖口鉗、伸縮臂、升降伸展裝置、底座進行相關(guān)設(shè)計分析；4、利用SolidWorks軟件將設(shè)計好的搖臂式鐵鉆工伸縮臂二維結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)化為三維模型,然后導(dǎo)入到Ansys有限元分析(FEA)軟件中進行運動學(xué)仿真,創(chuàng)建各個桿件和整體連桿機構(gòu)相對空間位置、姿態(tài)之間關(guān)系,驗證搖臂式鐵鉆工伸縮臂結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計的合理性；5、繪制搖臂式鐵鉆工底座、伸縮臂、連接塊零部件三維模型,導(dǎo)入有限元分析軟件中劃分網(wǎng)格、添加材料、設(shè)置分析條件等,最終生成有限元分析模型,對其進行有限元強度分析計算,為零部件加工材料的選取提供參考作用；6、該搖臂式鐵鉆工鉗頭采用互換性的設(shè)計思想,可針對不同鉆具類型和不同作業(yè)環(huán)境更換不同結(jié)構(gòu)類型的夾持鉗牙。同時優(yōu)化搖臂式鐵鉆工夾持鉗牙的結(jié)構(gòu),選取一組合適的鉗牙結(jié)構(gòu)參數(shù)、齒面分布類型,滿足增大夾持摩擦力且不破壞鉆具。通過上述設(shè)計與研究,獲得了以下主要結(jié)論：1、根據(jù)搖臂式鐵鉆工的功能需求、工作環(huán)境,確定該搖臂式鐵鉆工主要技術(shù)參數(shù)。采用內(nèi)液壓缸的伸出和縮回的運動來完成鉗頭的上升和下降,立柱通過銷軸和底座連接；選用液壓缸在杠桿中部安裝,兩夾緊臂平行夾緊的旋扣鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計；沖口鉗選用三液壓缸直接驅(qū)動三點夾緊方式,四液壓缸雙向扭轉(zhuǎn)方式。該搖臂式鐵鉆工結(jié)構(gòu)簡單,工作可靠性強,滿足設(shè)計需求；2、依據(jù)搖臂式鐵鉆工的整體機構(gòu)、技術(shù)特點,完成旋扣鉗液壓系統(tǒng)、沖扣鉗、機械臂、升降伸展裝置、底座等主要零部件機構(gòu)的相關(guān)理論設(shè)計；3、建立搖臂式鐵鉆工的機械臂三維模型,借助ADAMS軟件開展搖臂式鐵鉆工機械臂運動學(xué)分析,獲得液壓缸及相關(guān)節(jié)點X、Y軸位移、速度、加速度隨時間的變化圖像,證明了搖臂式鐵鉆工機械臂設(shè)計方案可操作性；4、建立鐵鉆工底座、機械臂、連接塊等關(guān)鍵部件有限元模型,導(dǎo)入ANSYS Workbench進行強度分析。根據(jù)底座實際工作狀況,給底座上表面施加一定的載荷,得出底座最大等效應(yīng)力值是262.14MPa,低于材料屈服極限值；對機械臂最危險工況下的受力進行了仿真模擬,通過有限元分析,我們可以更加清楚的了解設(shè)計的機械臂主要受力點的受力情況,以及應(yīng)力分布情況；對機械臂中易損部件連接塊進行了強度校核,連接塊受力主要集中在銷孔處,但是強度低于材料的屈服極限；5、建立搖臂式鐵鉆工鉗頭夾持齒牙面受力分析的基本力學(xué)模型,分別從鉗牙齒面分布、牙型咬入深度對其進行了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計,獲得了牙痕深度與鉗牙牙型角、齒高和齒間距等參數(shù)的函數(shù)關(guān)系。綜合考慮增大鉆桿與鉗牙摩擦力、以及牙型咬入鉆桿深度2方面,得出搖臂式鐵鉆工鉗牙齒面采用菱形分布的結(jié)構(gòu)形式,牙型面采用牙張角a為110度,齒高h為2mm,齒間距p為5mm的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
【關(guān)鍵詞】：鐵鉆工 機械臂 鉗頭 結(jié)構(gòu)設(shè)計 運動學(xué)仿真 力學(xué)分析
【學(xué)位授予單位】：長江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TE92
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-24
• 1.1 研究背景及意義11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與前景分析11-21
• 1.3 主要研究內(nèi)容21-23
• 1.4 本章小節(jié)23-24
• 第2章 搖臂式鐵鉆工方案設(shè)計24-30
• 2.1 搖臂式鐵鉆工工作原理及流程24-25
• 2.2 搖臂式鐵鉆工的主要技術(shù)參數(shù)25-26
• 2.3 升降伸展裝置的方案選擇26-27
• 2.4 鉗頭機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式27-29
• 2.5 本章小結(jié)29-30
• 第3章 搖臂式鐵鉆工結(jié)構(gòu)設(shè)計30-49
• 3.1 鐵鉆工的功能分析30-31
• 3.2 旋扣鉗的結(jié)構(gòu)設(shè)計31-36
• 3.3 沖扣鉗的結(jié)構(gòu)設(shè)計36-38
• 3.4 機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計38-44
• 3.5 升降裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計44-45
• 3.6 底座結(jié)構(gòu)設(shè)計45-48
• 3.7 本章小結(jié)48-49
• 第4章 搖臂式鐵鉆工運動學(xué)分析與仿真49-59
• 4.1 運動學(xué)分析49-51
• 4.2 鐵鉆工的運動學(xué)仿真51-58
• 4.3 本章小結(jié)58-59
• 第5章 搖臂式鐵鉆工關(guān)鍵部件的有限元分析59-68
• 5.1 有限元強度分析軟件ANSYS/WORKBENCH簡介59-60
• 5.2 搖臂式鐵鉆工底座有限元分析60-62
• 5.3 搖臂式鐵鉆工機械臂有限元分析62-64
• 5.4 搖臂式鐵鉆工連接塊有限元分析64-67
• 5.5 本章小結(jié)67-68
• 第6章 鉗牙的優(yōu)化設(shè)計68-74
• 6.1 鉗牙牙型面力學(xué)分析68-69
• 6.2 鉗牙齒面分布69-70
• 6.3 牙型咬入深度的優(yōu)化70-72
• 6.4 本章小結(jié)72-74
• 第7章 總結(jié)與展望74-76
• 7.1 全文總結(jié)74-75
• 7.2 展望75-76
• 致謝76-77
• 參考文獻77-81
• 個人簡介81-82

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本文編號：335461