李明根畢業(yè)論文

1、東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要吊卡是一種用來(lái)吊起鉆桿、油管和套管等管材的工具。它懸掛在提升系統(tǒng)大鉤兩側(cè)的吊環(huán)里面，以便對(duì)井眼進(jìn)行起出或下入鉆具及油管、套管的作業(yè)。 吊卡在鉆修井作業(yè)時(shí)，用來(lái)直接懸掛管柱的井口工具，上連吊環(huán)，不同的孔徑懸掛不同的管柱。吊卡在頂驅(qū)系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)承受所有管柱的重量，在接管和卸管過(guò)程中也起著不可替代的作用，按懸掛的管柱不同分為抽油桿吊卡、鉆桿吊卡、套管吊卡和油管吊卡。在上管的過(guò)程中，機(jī)械臂會(huì)將管柱送到合適的位置，打開(kāi)吊卡將管柱鎖緊，當(dāng)?shù)蹩▽⒐苤奈恢脭[放好后位于頂驅(qū)的上卸扣裝置會(huì)將鉆桿旋緊，卸下管柱時(shí)頂驅(qū)將鉆桿卸扣，然后由吊卡將管柱送到合適的位置由機(jī)械臂移開(kāi)管

2、柱。關(guān)鍵詞：動(dòng)力吊卡；鉆修井；設(shè)計(jì)。AbstractThe elevator is a tools which used to lift the drill pipe, tubing and casing pipe. It hungs in the lift system on both sides of the hook rings,which inside job starting out or down into the drill and tubing, casing to the borehole.When the elevator is in drilling work opera

3、tion, the elevator is a wellhead tools which used to suspension the tubular pile and connect the rings up.And the different rings aperture hanging the different column.In the top drive system elevator often support all columns weight,which also important in the process of takeover and unloading pipe

4、.The suspension of the column is divided into the sucker rod elevator、drill pipe elevator, casing pipe elevator and tubing elevator. In the process of connect pipe,the mechanical arm will sent the pipe in a right place,open the elevator and lock the pipe.When the elevator's location is right,the

5、 fastening and unfastening device at the top drive will screw the pipe.When we need set down the pipe the top drive will unfasten the pipe,then the elevator sent to the pipe in a right place and the mechanical arm will move away the pipe.Key words：Power elevators；Drilling and workover；DesignI目 錄第1章

6、概述.1 1.1修井作業(yè)工藝過(guò)程.1 1.2 修井作業(yè)機(jī)械化裝置的發(fā)展.1 1.3 吊卡的發(fā)展過(guò)程.3第2章 動(dòng)力吊卡與扶正機(jī)械手總體設(shè)計(jì).9 2.1動(dòng)力吊卡與扶正機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì).9 2.2動(dòng)力吊卡與扶正機(jī)械手的工作原理.11第3章 動(dòng)力吊卡與扶正機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).14 3.1動(dòng)力吊卡控制開(kāi)合的設(shè)計(jì).14 3.2 動(dòng)力吊卡鎖緊裝置設(shè)計(jì).15 3.3 扶正機(jī)械手的設(shè)計(jì).18 3.4 動(dòng)力吊卡平衡性檢測(cè).20第4章 動(dòng)力吊卡與扶正機(jī)械手的強(qiáng)度校核計(jì)算.22 4.1 概述 . 22 4.2扶正機(jī)械手重要零部件的強(qiáng)度校核計(jì).23 4.3 動(dòng)力吊卡重要零部件的強(qiáng)度校核計(jì)算.30 4.4 總結(jié).31結(jié)

7、論.35參考文獻(xiàn).36致謝.37第1章 概述1.1修井作業(yè)的工藝過(guò)程修井作業(yè)一般分為二種形式即起下作業(yè)、循環(huán)沖洗、旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。起下作業(yè)指利用通井機(jī)、修井機(jī)等提升設(shè)備進(jìn)行起下管柱的作業(yè)施工，完成起下井內(nèi)的油管、杠柱、調(diào)整、配產(chǎn)、配注、新井下泵、檢泵、打撈井下落物、處理井下卡鉆事故情況等；循環(huán)沖洗指利用泵進(jìn)行的洗井、沖砂、壓井、壓裂、酸化和封堵等項(xiàng)作業(yè)統(tǒng)稱(chēng)為循環(huán)沖洗作業(yè)；旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)指利用轉(zhuǎn)盤(pán)和鉆具及井下工具進(jìn)行的套銑、研磨、側(cè)鉆、鉆水泥塞、造扣、倒扣等項(xiàng)施工。修井起下作業(yè)是現(xiàn)場(chǎng)工作頻率最高的作業(yè)形式，也是最需要實(shí)現(xiàn)操作機(jī)械化的作業(yè)。1.2修井作業(yè)機(jī)械化裝置的發(fā)展1.2.1國(guó)外修井作業(yè)機(jī)械化裝置的發(fā)展?fàn)?/p>

8、況目前 ,國(guó)外石油鉆修井機(jī)發(fā)展方向主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:一是朝著性能好、壽命長(zhǎng)、安全可靠的方向發(fā)展;二是朝著機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展 ,突出高效、節(jié)能、降低鉆井成本和提高經(jīng)濟(jì)效益;三是朝著滿(mǎn)足各種環(huán)境條件和滿(mǎn)足作業(yè)者不同需要的方向發(fā)展。1.2.1.1鉆修井機(jī)的快速運(yùn)移性得到重視隨著石油工業(yè)經(jīng)濟(jì)全球化的趨勢(shì)日益加快 ,全方位實(shí)施 “低成本戰(zhàn)略 ”成為世界石油公司的基本戰(zhàn)略。鉆修井機(jī)的高度集成化和良好運(yùn)移性 ,能大大降低鉆修井機(jī)的輔助成本 (運(yùn)輸成本和停工成本 ) ,因此鉆修井機(jī)的快速運(yùn)移性已成為作業(yè)者考察承包商的重要內(nèi)容之一 ,甚至在某些地區(qū)是進(jìn)入市場(chǎng)的先決條件。提高鉆修井機(jī)的快速運(yùn)移性

9、主要采用模塊化設(shè)計(jì)和輪式運(yùn)輸方案等方式 ,拆卸安裝方便、快捷、省時(shí)、省力 ,搬家運(yùn)輸車(chē)次少。如:美國(guó) NATIOANAL OILWELL設(shè)計(jì)的 1 500 HP拖掛式直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī) ,其主要部分 (包括底座、井架及絞車(chē) )可適應(yīng)三種運(yùn)輸方式: 對(duì)于近距離及路況較好的情況下 ,采用井架直立 ,底座高位狀態(tài)下整體輪式拖掛運(yùn)輸; 對(duì)于較遠(yuǎn)距離及路況較差的情況下 ,采用井架、底座低位狀態(tài)下整體輪式拖掛運(yùn)輸; 在長(zhǎng)距離、路況差的情況下 ,井架與底座分開(kāi)運(yùn)輸 ,分別采用單獨(dú)整體輪式拖掛運(yùn)輸。這樣就大大提高了大型鉆機(jī)的運(yùn)移性能 ,整個(gè)井場(chǎng)設(shè)施可以做到 2330個(gè)搬家車(chē)次運(yùn)完。1.2.1.2 鉆修井機(jī)的機(jī)械化

10、、自動(dòng)化和智能化得到了很大發(fā)傳統(tǒng)的鉆修井機(jī)是由彼此相互獨(dú)立的子系統(tǒng)構(gòu)成 ,重要的信息不能由其它子系統(tǒng)共享 ,而現(xiàn)代的石油鉆修井機(jī)正向著整體化鉆修井機(jī)/鉆井系統(tǒng)的方向發(fā)展。所謂整體化鉆修井機(jī)/鉆井系統(tǒng)是指將所有的鉆井機(jī)械裝備、監(jiān)測(cè)儀表和數(shù)據(jù)處理設(shè)備相互聯(lián)結(jié)起來(lái)的構(gòu)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng) ,通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備的信息共享。該系統(tǒng)可在中央控制室進(jìn)行完全的控制。因此可實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的自動(dòng)化和優(yōu)化工藝 ,提高作業(yè)效率 ,降低作業(yè)成本。全液壓可移動(dòng)式鉆修井機(jī)徹底改變了傳統(tǒng)石油鉆修井機(jī)的結(jié)構(gòu)模式 ,利用倍程油缸和液壓頂驅(qū) ,代替了傳統(tǒng)鉆修井機(jī)的井架和地盤(pán) ,配以自動(dòng)化工具 ,整套鉆修井機(jī)自動(dòng)化程度高 ,僅兩人

11、就可操作整套鉆修井機(jī)進(jìn)行鉆井作業(yè)。該鉆修井機(jī)作業(yè)費(fèi)用明顯下降 ,占地面積小 ,搬家省事 ,噪音低。頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置克服了轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井方式存在的許多缺陷 ,被石油工業(yè)界廣泛接受和普遍應(yīng)用 ,成為國(guó)際鉆井市場(chǎng)上的必備裝置。頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置有液壓頂部驅(qū)動(dòng)裝置和電驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)鉆井裝置。交流變頻頂驅(qū)具有調(diào)速范圍寬 ,電機(jī)無(wú)炭刷 ,防爆性能安全 ,功率因數(shù)高 ,重量輕等優(yōu)點(diǎn) ,且隨著變頻技術(shù)的不斷完善 ,交流變頻頂驅(qū)鉆井裝置已成為電驅(qū)動(dòng)鉆井裝置的主流。1.2.2我國(guó)修井技術(shù)的發(fā)展19921995 年,原石油工業(yè)部機(jī)械制造司委托原石油勘探開(kāi)發(fā)科學(xué)研究院機(jī)械所、石油大學(xué)(華東) 開(kāi)發(fā)修井機(jī)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。后來(lái),該

12、系統(tǒng)通過(guò)了專(zhuān)家評(píng)審,為修井機(jī)的設(shè)計(jì)與計(jì)算奠定了良好的基礎(chǔ)。該計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件基本包括了所有修井機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的理論研究成果。國(guó)內(nèi)油田的修井作業(yè)仍采用傳統(tǒng)的方式，井口操作的機(jī)械化程度很低。為降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工人的工作環(huán)境，增加修井工人工作的安全性，在國(guó)內(nèi)一些石油機(jī)械廠和石油院校對(duì)修井井口作業(yè)的機(jī)械化進(jìn)行了研究。最先開(kāi)展的是對(duì)液壓大鉗的研究，在70年代中期以前，鉆修井工人對(duì)油管等管柱的上卸扣普遍采用的是手動(dòng)管鉗，費(fèi)力又費(fèi)時(shí)，為加快鉆井速度，從60年代末期各石油機(jī)械研究所掀起對(duì)液壓大鉗的研究熱潮，在參照前蘇聯(lián)、美國(guó)等西方國(guó)家液壓大鉗的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并制造出適用十不同管徑和井深的液壓大鉗，最初主要

13、應(yīng)用十鉆井上，經(jīng)過(guò)改造后推廣到了修井作業(yè)中。到目前修井液壓大鉗已經(jīng)發(fā)展成熟，修井液壓大鉗在修井作業(yè)中的應(yīng)用是修井井口操作機(jī)械化發(fā)展的第一步也是重要的一步。1.3吊卡的發(fā)展過(guò)程1.3.1 常規(guī)吊卡的主要功用吊卡是鉆修井作業(yè)時(shí)，用來(lái)直接懸掛管柱的井口工具，上連吊環(huán)，不同的孔徑懸掛不同的管柱。它的最大作用就是承受管柱的全部重量，在頂驅(qū)系統(tǒng)中，它即可以配合頂驅(qū)上的上卸扣裝置工作，也可以配合下部的動(dòng)力大鉗進(jìn)行上卸扣工作，在上管和卸管的過(guò)程中都是必不可少的裝備。1.3.2 常規(guī)吊卡分類(lèi)在國(guó)內(nèi)修井作業(yè)作業(yè)常用的吊卡主要有以下幾種：1) DDZ型為對(duì)開(kāi)式吊卡(圖1.1)：適用于提升18度錐臺(tái)肩鉆桿，鉆具等；2

14、) DD對(duì)開(kāi)式吊卡(圖1.2): 是鉆井與修井起下鉆作業(yè)中，用于提升平臺(tái)肩鉆桿、套管、油管和鉆鋌； 圖1.1 DDZ型對(duì)開(kāi)式吊卡 圖1.2 DD型對(duì)開(kāi)式吊卡 3) CD型側(cè)開(kāi)式吊卡(圖1.3): 是鉆井與修井起下鉆作業(yè)中，用于提升鉆桿、套管、油管和鉆鋌的必備工具；4) CDZ型側(cè)開(kāi)式吊卡(圖1.4): 是鉆井與修井起下鉆作業(yè)中，用于提升鉆桿、套管、油管和鉆鋌的必備工具； 圖1.3CD型側(cè)開(kāi)式吊卡 圖1.4 CDZ型側(cè)開(kāi)式吊卡5) SLX型側(cè)開(kāi)式吊卡(圖1.5): SLX型側(cè)開(kāi)式吊卡是鉆井與修井起下鉆作業(yè)中，用于提升鉆桿、套管、油管和鉆鋌的必備工具；6) 單根輔助吊卡(圖1.6): 是懸持單根套

15、管等管柱的必備工具。7) 抽油桿吊卡：是提下抽油桿專(zhuān)用工具，抽油桿吊卡分為舌簧自鎖式和提引式兩種結(jié)構(gòu) 圖1.5 SLX型側(cè)開(kāi)式吊卡 圖1.6 單根輔助吊卡1.3.3 常規(guī)吊卡的改進(jìn)1）采用小月牙更換技術(shù)和重力自銷(xiāo)式吊卡鎖的新型油管吊卡（圖1.7）新型油管吊卡在結(jié)構(gòu)上作了兩大改造：一是吊卡體小月牙改成可更換式；二是吊卡銷(xiāo)改成重力自鎖式。1.3.3.1可更換小月牙式油管吊卡的結(jié)構(gòu)和工作原理 圖1.7上是新型油管吊卡的裝配結(jié)構(gòu)示意，圖1.7下是新型油管吊卡可更換小月牙體結(jié)構(gòu)。以上各部件構(gòu)成可更換小月牙式修井油管吊卡。新型油管吊卡的工作原理：小月牙體裝在吊卡體內(nèi)，用小月牙固定螺栓裝在小月牙固定螺栓沉頭

16、孔中固定在吊卡體上，然后將活動(dòng)月牙裝在吊卡體和小月牙體之間的環(huán)形中，安裝上活動(dòng)月牙手柄，裝配完畢便可用于起下油管作業(yè)。1.3.3.2防脫吊卡銷(xiāo)的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1.8a是新型油管吊卡裝配重力自鎖式吊卡銷(xiāo)結(jié)構(gòu)，圖1.8b是重力自鎖式吊卡銷(xiāo)的結(jié)構(gòu)。以上各部件構(gòu)成重力自鎖式吊卡銷(xiāo)。新型重力自鎖式吊卡銷(xiāo)的工作原理：吊卡銷(xiāo)裝在新型油管吊卡上下通孔內(nèi), 鋼板鉤進(jìn)入吊卡鋼板定位槽。當(dāng)需要起下油管時(shí)，把新型油管吊卡卡在油管體上，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄,關(guān)閉活動(dòng)月牙,然后將吊環(huán)掛入吊卡環(huán)孔內(nèi),把重力自鎖式吊卡銷(xiāo)插入吊卡上下通孔內(nèi)，鋼板鉤進(jìn)入吊卡鋼板定位槽中，即可提升油管。1.3.3.3特點(diǎn)該新型油管吊卡的特點(diǎn)為：（1）新型油

17、管吊卡可以長(zhǎng)期使用，出現(xiàn)小月牙磨損或變形后,只需更換月牙即可，可節(jié)約吊卡購(gòu)置費(fèi)用90%。由于安裝更換非常方便，工效也有較大提高，修井作業(yè)時(shí)間縮短，為原油生產(chǎn)爭(zhēng)得了時(shí)間。該吊卡容易制造、節(jié)約成本、經(jīng)久耐用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。（2）重力自鎖式防脫吊卡銷(xiāo)在油管、吊卡、吊環(huán)上彈時(shí)，銷(xiāo)子由于自鎖作用而不會(huì)彈出吊卡體外，防止了吊環(huán)脫離吊卡體現(xiàn)象，也就從根本上避免了因吊卡脫離吊環(huán)所造成的機(jī)械和人身傷亡事故，具有顯著的社會(huì)效益。（3）該新型油管吊卡，已在一定范圍內(nèi)進(jìn)行了推廣應(yīng)用，由于有可更換不同尺寸月牙的特點(diǎn)，它可同時(shí)適用于同管徑的平式油管和加厚油管的起下作業(yè)。 圖1.7 新型油管吊卡的裝配結(jié)構(gòu) 1銷(xiāo)體；2

18、焊塊；3軸銷(xiāo)；4鋼板鉤；5扭力簧；6吊卡鋼板定位槽 圖1.8重力自銷(xiāo)式卡銷(xiāo)2） 新型筒式輕便油管吊卡a）結(jié)構(gòu)新型筒式輕便油管吊卡由吊筒(如圖1.9)、吊環(huán)(如圖1.10)、墊叉(如圖1.11)組成。吊筒由筒體、環(huán)形活門(mén)、吊耳、提手等組成。環(huán)形活門(mén)套在筒體上，用小銷(xiāo)釘限位在筒體兩側(cè)對(duì)稱(chēng)的長(zhǎng)槽中；活門(mén)可沿筒體滑動(dòng)，完成吊筒“開(kāi)啟”與“關(guān)閉”的規(guī)定動(dòng)作。兩吊耳側(cè)壁上的矩形體分別楔入筒體上部?jī)蓚?cè)對(duì)稱(chēng)方孔中焊牢，通過(guò)兩吊耳圓孔起懸吊作用。提手焊接在吊筒下部，更換單根油管時(shí)起扶正吊筒的作用。墊叉主要由底座、立柱、手柄、限位體等組成。立柱焊接在底座上,起支撐井下管柱質(zhì)量的作用。手柄焊接在底座前端,起前后移動(dòng)

19、墊叉的作用。限位體的小軸插入底座后部的軸孔后，限位體可在底座長(zhǎng)槽中以小軸的軸心為圓心作“開(kāi)”、“關(guān)”動(dòng)作；當(dāng)限位體關(guān)上后起鎖定、扶正油管的作用。吊環(huán)為一異形環(huán)體(把吊環(huán)扁面處對(duì)準(zhǔn)吊筒吊耳圓孔的開(kāi)口處，可把吊環(huán)放入吊耳圓孔內(nèi)，吊環(huán)的扁面處繞吊耳圓孔轉(zhuǎn)動(dòng)180°，吊環(huán)可自鎖在吊耳圓孔內(nèi),起下鉆時(shí)防止脫、掉鉆事故)，起懸吊鉆具的作用。 1筒體；2環(huán)形活門(mén)；3吊耳；4提手 圖 1.9 吊筒結(jié)構(gòu)圖 圖1.10 吊環(huán)結(jié)構(gòu)圖 1手柄；2底座；3立柱；4限位體 圖 1.11 墊叉總圖b）工作原理新型筒式輕便油管吊卡利用非全圓結(jié)構(gòu)原理，分別設(shè)計(jì)成墊叉和吊筒,兩者各利用部分管接箍底端面實(shí)現(xiàn)承載和卸載，以

20、完成管柱載荷在墊叉和吊筒之間的不斷轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到用單只吊卡(吊筒鎖死在大鉤上，與墊叉配合)實(shí)現(xiàn)起下管柱作業(yè)。c) 特點(diǎn)吊環(huán)以異型形狀插入吊筒圓環(huán)口，不用安全銷(xiāo)、不會(huì)脫出，不會(huì)出現(xiàn)操作(井口與司鉆)不同步問(wèn)題；以活門(mén)式結(jié)構(gòu)將油管接箍限位于吊卡開(kāi)口內(nèi)，活門(mén)不怕油污、冰凍、有利于冬季施工和消除月牙型油管吊卡的活門(mén)關(guān)閉不到位而引發(fā)的掉鉆事故；利用非全圓接觸式特殊結(jié)構(gòu)，可用墊叉起到一只吊卡的作用,從而實(shí)現(xiàn)利用單支單卡完成起下管柱作業(yè)任務(wù)；由于實(shí)現(xiàn)了單支單卡起下管柱作業(yè)施工,作業(yè)工人不再反復(fù)搬上搬下吊卡,以單井一次起、下100根油管計(jì)算，可少搬動(dòng)約8t質(zhì)量，減輕了作業(yè)工人勞動(dòng)強(qiáng)度。由于筒式吊卡的特殊結(jié)構(gòu)形

21、式，保證了相應(yīng)事故減少(井口掉鉆、毀設(shè)備、折彎油管、傷人等)，其社會(huì)效益也尤為明顯。3）其他特殊用途的吊卡隨著采油生產(chǎn)和井下工藝技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，出現(xiàn)了雙管采油、不壓井作業(yè)和頂部驅(qū)動(dòng)作業(yè)。為了適應(yīng)這種情況，出現(xiàn)了特殊作用用吊卡，它們有雙管吊卡、雙管繩索式吊卡、加壓吊卡、分段加厚吊卡和自動(dòng)化吊卡。有些是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，有些是利用現(xiàn)有吊卡改制而成的。 第2章 動(dòng)力吊卡與扶正機(jī)械手總體設(shè)計(jì)2.1動(dòng)力吊卡與扶正機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)2.1.1動(dòng)力吊卡與扶正機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求 動(dòng)力吊卡外形尺寸300*300*300mm，由于是實(shí)驗(yàn)教學(xué)用，所以會(huì)比正常工作時(shí)的尺寸小一些，但是不影響吊卡功能的體現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上還要

22、可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)合與鎖緊兩個(gè)動(dòng)作，由于該教學(xué)鉆機(jī)系統(tǒng)采用的是目前世界上比較先進(jìn)的頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)，所以鉆機(jī)在整體上的設(shè)計(jì)都突出一個(gè)技術(shù)的創(chuàng)新，并且要高度自動(dòng)化，所以這個(gè)吊卡的設(shè)計(jì)也是基于此目地，吊卡的開(kāi)合和鎖緊兩個(gè)動(dòng)作都要力爭(zhēng)自動(dòng)化，盡量使用較少的液壓缸完成全部需要的動(dòng)作，在縮緊上更是要做到簡(jiǎn)單和緊密，安全方面不容忽視。 吊卡整體懸掛于吊環(huán)上，吊環(huán)上通過(guò)推桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)管柱的扶正。適應(yīng)2寸半和3寸管柱的操作，由于吊卡所懸掛的物體重量并不是很大，而且吊卡的結(jié)構(gòu)也相對(duì)比較緊密，在重量上力爭(zhēng)輕便，所以對(duì)液壓系統(tǒng)的工作壓力要求不高，液壓系統(tǒng)工作壓力10MPa即可。 擬訂結(jié)構(gòu)方案時(shí)，要充分考慮操作的各個(gè)環(huán)節(jié)及位置排布

23、，在滿(mǎn)足使用要求的前提下，力求做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全適用，經(jīng)濟(jì)合理，技術(shù)先進(jìn)，便于制造和裝運(yùn)。2.1.2動(dòng)力吊卡與扶正機(jī)械手的方案設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過(guò)借鑒一些廠家的先進(jìn)吊卡，并且在常規(guī)吊卡的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些改進(jìn)，經(jīng)過(guò)老師的指導(dǎo)論證，我提出了動(dòng)力吊卡與扶正機(jī)械手的最終設(shè)計(jì)方案，并創(chuàng)建出三維整機(jī)模型（如圖2.1）。該吊卡在整體結(jié)構(gòu)上所占的空間比較大，但是零部件并不是非常復(fù)雜，它既能通過(guò)扶正機(jī)械手的工作實(shí)現(xiàn)吊卡的來(lái)回?cái)[動(dòng)，也能與吊卡配合完成管柱的安裝和卸下，相比于眾多廠家生產(chǎn)的吊卡，該吊卡具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)(1) 懸掛重量大：該吊卡使用的是兩扇開(kāi)合試，重量主要集中于后面主體部分，因此可以懸掛很大重量的鉆

24、柱。(2) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：吊卡用一個(gè)液壓缸控制兩扇的開(kāi)合動(dòng)作，大大減少了對(duì)吊卡控制的復(fù)雜度。(3) 安全穩(wěn)定：吊卡上的鎖緊裝置用單獨(dú)一個(gè)液壓缸控制，可以保證在所有液壓缸失效的情況下依然可以將管柱牢牢的鎖在吊卡上。(4) 自動(dòng)化程度高：相比于傳統(tǒng)常規(guī)試吊卡，該吊卡已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制。適用復(fù)雜工作情況：由于吊卡的結(jié)構(gòu)精密程度比較高，而且液壓系統(tǒng)的位置也比較好，所以在復(fù)雜工作情況下也可以很好的完成工作。 圖2.1動(dòng)力吊卡與扶正機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖為了便于觀察整個(gè)動(dòng)力吊卡與扶正機(jī)械手的工作原理，將頂驅(qū)系統(tǒng)的部分部件保留了下來(lái)，由于頂驅(qū)與該部分是一個(gè)相互合作的整體，所以在某種程度上來(lái)說(shuō)二者缺一不可。動(dòng)力吊

25、卡與扶正機(jī)械手的結(jié)構(gòu)主要包括：大液壓缸、擺動(dòng)桿、擺動(dòng)連桿、下拉桿、動(dòng)力吊卡。在工作時(shí)由大液壓缸提供擺動(dòng)動(dòng)力，當(dāng)大液壓缸的液壓桿向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)吊卡向前伸出，完成抓管動(dòng)作后，大液壓缸的液壓桿向上運(yùn)動(dòng)，回到起始位置，這樣來(lái)回相互配合以完成管柱的上卸扣。2.2動(dòng)力吊卡與扶正機(jī)械手的工作原理2.2.1 動(dòng)力吊卡的組成主體部分：也就是承重部分，主要承受管柱的重量。兩扇：也就是負(fù)責(zé)吊卡的開(kāi)合，打開(kāi)后放上或取下管柱，然后閉合?？刂崎_(kāi)合的液壓缸：主要負(fù)責(zé)兩扇的開(kāi)合動(dòng)作。連桿機(jī)構(gòu)：這個(gè)機(jī)構(gòu)的主要工作原理是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，通過(guò)一個(gè)液壓缸的工作帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到完成兩扇開(kāi)合的目的（如圖2.2）。鎖緊裝置：由一個(gè)

26、液壓缸單獨(dú)控制，當(dāng)兩扇閉合后液壓缸運(yùn)動(dòng)完成鎖緊，雖然這個(gè)鎖緊裝置看似結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但正符合了我們的設(shè)計(jì)要求：力爭(zhēng)在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的情況下完成復(fù)雜的工作任務(wù)（如圖2.3）。動(dòng)力吊卡在工作時(shí)的主要任務(wù)就是卡管，當(dāng)往外放管時(shí)，鎖緊裝置打開(kāi)，控制開(kāi)合的液壓缸縮回，打開(kāi)兩扇卡管機(jī)構(gòu)將管柱取出。當(dāng)往里上管時(shí)控制開(kāi)合的液壓缸外伸將兩扇打開(kāi)，然后放管機(jī)構(gòu)將管柱放在吊卡內(nèi)，液壓缸縮回控制兩扇閉合，再將鎖緊裝置將兩扇鎖緊，以完成上管動(dòng)作。 圖2.2 動(dòng)力吊卡仰視圖 圖2.3 動(dòng)力吊卡前視圖2.2.2 扶正機(jī)械手的組成大液壓缸:主要負(fù)責(zé)提供整個(gè)機(jī)構(gòu)擺動(dòng)的動(dòng)力，當(dāng)大液壓缸外伸時(shí)下拉桿向回?cái)[動(dòng)，吊卡回歸到起始位置，當(dāng)大液壓缸縮回

27、時(shí)下拉桿向外擺動(dòng)，吊卡向外運(yùn)動(dòng)接管。擺動(dòng)桿：它是與大液壓缸直接相連的部分，主要起傳遞動(dòng)力的作用。擺動(dòng)連桿：主要起傳遞運(yùn)動(dòng)的作用，它有一部分固定在頂驅(qū)系統(tǒng)上，因此有些類(lèi)似于鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。下拉桿：它是擺動(dòng)機(jī)構(gòu)與吊卡的連接部分，通過(guò)大液壓缸提供動(dòng)力并將動(dòng)力傳遞給下拉桿，下拉桿帶動(dòng)吊卡運(yùn)動(dòng)（圖2.4）。2.2.3 整體工作原理在工作時(shí)，一共分兩個(gè)階段，一是從外部取管，然后運(yùn)動(dòng)到指定位置由頂驅(qū)和下部的動(dòng)力大鉗接管，二是向外送管，先由頂驅(qū)和下部的動(dòng)力大鉗旋扣，然后將管送到機(jī)械手中。取管：首先大液壓缸縮回，帶動(dòng)擺動(dòng)桿和擺動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，通過(guò)擺動(dòng)桿和擺動(dòng)連桿的運(yùn)動(dòng)將動(dòng)力傳遞到下拉桿上，使下拉桿向外運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)下

28、拉桿上的動(dòng)力吊卡運(yùn)動(dòng)，當(dāng)動(dòng)力吊卡運(yùn)動(dòng)到合適位置時(shí)，動(dòng)力吊卡上控制鎖緊的液壓缸運(yùn)動(dòng)，打開(kāi)鎖緊裝置，然后動(dòng)力吊卡控制開(kāi)合的液壓缸運(yùn)動(dòng)，使動(dòng)力吊卡上的兩爪打開(kāi)，這時(shí)機(jī)械手會(huì)將管柱放到動(dòng)力吊卡上，然后控制開(kāi)合的液壓缸運(yùn)動(dòng)使兩爪閉合，閉合后鎖緊液壓缸運(yùn)動(dòng)將兩爪鎖緊，最后大液壓缸外伸帶動(dòng)擺動(dòng)桿、擺動(dòng)連桿和下拉桿運(yùn)動(dòng)使動(dòng)力吊卡回歸到起始位置，最后由上部的頂驅(qū)系統(tǒng)和下部的動(dòng)力大鉗完成旋扣。送管：送管就是完井后取出所有管柱的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程和剛才取管的運(yùn)動(dòng)過(guò)程基本相同，都是由大液壓缸所控制的扶正機(jī)械手運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)吊卡運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)吊卡上的兩個(gè)液壓缸協(xié)同完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，在這整個(gè)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中最主要的就是協(xié)同配合，一旦某

29、個(gè)步驟提前或滯后完成，將會(huì)導(dǎo)致不能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，也就是不能很好的完成取送管工作，這回給油井鉆進(jìn)帶來(lái)很大不便，因此，我們?cè)诒M量簡(jiǎn)單的前提下設(shè)計(jì)了整個(gè)機(jī)構(gòu)，以便于很好的完成所有控制過(guò)程。 圖2.4 扶正機(jī)械手 第3章 動(dòng)力吊卡與扶正機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1動(dòng)力吊卡控制開(kāi)合的設(shè)計(jì)3.1.1 設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)介 控制開(kāi)合的部分是吊卡設(shè)計(jì)的主體部分，也是一大難題，因?yàn)槌Ｒ?guī)的吊卡一般都是由人手動(dòng)控制的，因此在設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度上比較低，而目前市面上見(jiàn)到的液壓動(dòng)力吊卡也是由兩部分組成的，也就是用一個(gè)液壓缸的作用力和反作用力便能起到控制吊卡兩爪開(kāi)合的目的，而這個(gè)動(dòng)力吊卡的設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)要求來(lái)看的話是三部分組成，而為了操作

30、的方便和結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單我們就得同樣使用一個(gè)液壓缸來(lái)控制兩爪的開(kāi)合，因此在這個(gè)技術(shù)問(wèn)題上就需要做大量的工作，前前后后嘗試了不下二十余種方法想達(dá)到這個(gè)目的，但是最終都由于各種缺陷而被一一否決了，最后確定用桿機(jī)構(gòu)來(lái)完成這個(gè)復(fù)雜的動(dòng)作，從圖3.1 中我們可以看出整個(gè)機(jī)構(gòu)應(yīng)用了兩個(gè)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，由轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接四個(gè)構(gòu)件而形成的機(jī)構(gòu)，稱(chēng)為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。 其中鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)又分為以下幾種：(1) 曲柄搖桿機(jī)構(gòu) ：兩連架桿中一為曲柄、一為搖桿的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)稱(chēng)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的作用是將曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成搖桿的往復(fù)擺動(dòng)。 (2) 雙曲柄機(jī)構(gòu) ：兩連架桿均為曲柄的四桿機(jī)構(gòu)稱(chēng)為雙曲柄機(jī)構(gòu) 。雙曲柄機(jī)構(gòu)中，當(dāng)兩曲柄

31、長(zhǎng)度相等，連桿與機(jī)架的長(zhǎng)度也相等時(shí)，稱(chēng)為平行雙曲柄機(jī)構(gòu)（平行四邊形機(jī)構(gòu)）。 (3) 雙搖桿機(jī)構(gòu) ：兩連架桿均為搖桿的四桿機(jī)構(gòu)稱(chēng)為雙搖桿機(jī)構(gòu) 。3.1.2 工作原理在我的這個(gè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用到的就是雙搖桿機(jī)構(gòu)，下面對(duì)雙搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單介紹，1.最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度+最短桿長(zhǎng)度 其他兩桿長(zhǎng)度之和，此條件稱(chēng)為桿長(zhǎng)條件。2.組成該周轉(zhuǎn)副的兩桿中必有一桿為最短桿。 在滿(mǎn)足桿長(zhǎng)條件的四桿機(jī)構(gòu)中，如果以最短桿為連桿（即圖中的AB桿，CD桿為機(jī)架），則該機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)。3. 如果鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)各桿的長(zhǎng)度不滿(mǎn)足桿長(zhǎng)條件，則無(wú)周轉(zhuǎn)副，此時(shí)不論以何桿為機(jī)架，均為雙搖桿機(jī)構(gòu)。 圖 3.1 雙搖桿機(jī)構(gòu)圖 從圖3.1中我們可以看出第

32、一個(gè)雙搖桿機(jī)構(gòu)由2左傳遞桿、3液壓缸、4彎桿、5小彎桿，四部分組成，通過(guò)3液壓缸的來(lái)回運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)2左傳遞桿的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)2的擺動(dòng)帶動(dòng)4彎桿的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)4彎桿的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)5的來(lái)回?cái)[動(dòng)從而完成雙搖桿的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。第二個(gè)雙搖桿機(jī)構(gòu)由4彎桿、5小彎桿、6連接桿、7右傳遞桿，四部分組成，它的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是通過(guò)4彎桿的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)5小彎桿的擺動(dòng)，通過(guò)5小彎桿的擺動(dòng)6連接桿的來(lái)回運(yùn)動(dòng)，繼而將運(yùn)動(dòng)傳遞到7右傳遞桿，最后完成整個(gè)雙搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。兩個(gè)雙搖桿機(jī)構(gòu)是相輔相成的，它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中第一個(gè)雙搖桿機(jī)構(gòu)將力傳遞到第二個(gè)雙搖桿機(jī)構(gòu)中，第一個(gè)雙搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)1吊卡左連接桿的擺動(dòng)，繼而帶動(dòng)吊卡左爪的擺動(dòng)，第二個(gè)雙搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)

33、8右連接桿的擺動(dòng)，繼而帶動(dòng)吊卡右爪的運(yùn)動(dòng)，從而完成了左右爪的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的動(dòng)力全部由3液壓缸提供，不需要額外的任何動(dòng)力。3.1.3 機(jī)構(gòu)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)1.特點(diǎn)： 這個(gè)機(jī)構(gòu)最大的特點(diǎn)就是簡(jiǎn)單，并且在簡(jiǎn)單的前提下充分考慮到了鎖緊裝置的兼容性，從圖3.2 動(dòng)力吊卡半開(kāi)狀態(tài)可以看出左爪比右爪稍微高出一些，這是因?yàn)楫?dāng)左右爪打開(kāi)時(shí)左爪要比右爪提前運(yùn)動(dòng)，這樣就能有效的避免鎖扣和外壁碰撞，也就是說(shuō)鎖扣并不是擺動(dòng)進(jìn)入右爪中，而是近于插入的狀態(tài)，這給接下來(lái)加入外擋板和加入鎖緊液壓缸都帶來(lái)很大的方便，裝置另外一個(gè)特點(diǎn)就是開(kāi)合角度可以調(diào)節(jié)，從圖3.3 動(dòng)力吊卡全開(kāi)狀態(tài)可以看出兩爪的最大打開(kāi)角度要比管柱直徑大一些

34、，這樣就有效避免了管柱和爪的碰撞幾率，當(dāng)然我們也可以通過(guò)對(duì)液壓缸的控制而有效控制兩爪的開(kāi)合角度。2.優(yōu)勢(shì)：（1） 占用空間小：沒(méi)有過(guò)多的修飾結(jié)構(gòu)，從整體上來(lái)看所占的空間也比較小，因此在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)顯得十分笨重。（2） 重量輕：整個(gè)控制兩爪開(kāi)合的機(jī)構(gòu)全部由桿組成，因此在重量上一定有很大的優(yōu)勢(shì)。（3） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：用一個(gè)液壓缸完成兩爪的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)，從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)這已經(jīng)是在很大程度上降低了控制的復(fù)雜程度。（4） 維修方便：由于該設(shè)計(jì)只有一個(gè)液壓缸，因此出現(xiàn)故障的幾率就低了很多，而且整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)都是由桿組成，在堅(jiān)固程度上有很大的保障，即使在十分惡劣的情況下也不會(huì)出現(xiàn)大問(wèn)題。3.2 動(dòng)力吊卡鎖緊裝置設(shè)計(jì) 鎖

35、緊裝置是動(dòng)力吊卡上比較重要的一部分，它主要負(fù)責(zé)兩爪的鎖緊，當(dāng)管柱被兩爪卡緊后，由于控制開(kāi)合的液壓缸的動(dòng)力有限為了防止液壓缸失效導(dǎo)致的管柱掉落而造成安全事故，因此用安全鎖鎖緊兩爪，使其在失去控制的情況下也不至管柱脫落（如圖3.4），這個(gè)安全鎖完全由一個(gè)液壓缸代替，這樣即使安全鎖的液壓缸失控，依然可以將鎖銷(xiāo)留在鎖孔內(nèi)，這樣不僅簡(jiǎn)化了鎖緊裝置的復(fù)雜度，也在一定程度上加強(qiáng)了安全鎖的安全性能。1-吊卡爪左連桿;2-左傳遞桿;3-液壓缸;4-彎桿;5-小彎桿;6-連接桿;7-右傳遞桿;8-吊卡爪右連桿 圖 3.2 動(dòng)力吊卡仰視圖 圖3.3 動(dòng)力吊卡半開(kāi)狀態(tài) 圖3.4 動(dòng)力吊卡全開(kāi)狀 圖3.5 動(dòng)力吊卡前視

36、圖3.3 扶正機(jī)械手的設(shè)計(jì)3.3.1 設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)介 扶正機(jī)械手的主要作用是帶動(dòng)吊卡運(yùn)動(dòng)，使其達(dá)到取管的指定位置，在取管后能順利回到起始位置，并同時(shí)做出一些調(diào)整，使其能和上部頂驅(qū)系統(tǒng)的背鉗配合完成上部的上卸扣工作，也同時(shí)能和下面的動(dòng)力大鉗協(xié)同完成下面管的上卸扣工作。整個(gè)扶正機(jī)械手的設(shè)計(jì)并沒(méi)有多么復(fù)雜，但是在5下拉桿和3、4擺動(dòng)桿的強(qiáng)度設(shè)計(jì)上應(yīng)該下一些苦功夫，因?yàn)榈蹩ū旧淼闹亓坎⒉皇呛茌p，即使在盡量輕便的情況下吊卡還是有500N左右的重量，而且當(dāng)?shù)蹩ü芎笾亓恳灿辛撕艽蟮奶嵘?，因此這幾根桿的強(qiáng)度應(yīng)該是一個(gè)十分重視的設(shè)計(jì)部分。 1-擺動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿； 2-大液壓缸； 3-擺動(dòng)桿1； 4-擺動(dòng)桿2； 5-

37、下拉桿； 圖 3.6 扶正機(jī)械手原位圖3.3.2 扶正機(jī)械手工作原理這個(gè)設(shè)計(jì)的整體動(dòng)力都是由2大液壓缸提供，當(dāng)大液壓缸向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于大液壓缸和1擺動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿相連，因此會(huì)帶動(dòng)擺動(dòng)桿3和4的運(yùn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)下拉桿的前后擺動(dòng)。從圖中可以看出擺動(dòng)桿1和下拉桿都是固定在一定位置上的，以支撐其運(yùn)動(dòng)。圖3.7 扶正機(jī)械手最大位置3.3.3 扶正機(jī)械手特點(diǎn)該裝置最大的特點(diǎn)就是用一個(gè)液壓缸控制兩根下拉桿的擺動(dòng)，起初在設(shè)計(jì)時(shí)本來(lái)準(zhǔn)備用兩個(gè)液壓缸分別控制兩根桿的擺動(dòng)，兩個(gè)液壓缸在設(shè)計(jì)上簡(jiǎn)單了許多，不用考慮桿的承重能力和許多空間上的不足，但由于兩個(gè)液壓缸在無(wú)形中增加了控制的復(fù)雜程度，因此最后定型為一個(gè)液壓缸通過(guò)1擺動(dòng)

38、機(jī)構(gòu)連桿將力傳遞到兩根下拉桿上，這樣雖然在設(shè)計(jì)過(guò)程中增加了一些難度，但是在后來(lái)的控制上和維護(hù)方面都減少了很多麻煩，扶正機(jī)械手還有一個(gè)特點(diǎn)就是靈活，它是通過(guò)一個(gè)液壓缸控制的，液壓缸外伸和內(nèi)縮來(lái)控制下拉桿的來(lái)回?cái)[動(dòng)，在送管的機(jī)械手有些位置偏差的時(shí)候也能在把吊卡放在指定位置的同時(shí)進(jìn)行一些調(diào)整，這樣就能更好的配合機(jī)械手送管機(jī)構(gòu)的工作，當(dāng)動(dòng)力吊卡卡住管柱后下拉桿擺動(dòng)回原位后也可以進(jìn)行輕微的調(diào)整，以使管柱的位置豎直放置，這樣能更好的配合上部頂驅(qū)系統(tǒng)的旋扣裝置和下部動(dòng)力大鉗的緊扣裝置。這樣在無(wú)形中就減少了許多控制過(guò)程中的不便，也增加了整個(gè)鉆井系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性，可以說(shuō)一個(gè)看似很微妙很簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)創(chuàng)新都會(huì)給整

39、個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)很大的幫助。3.4 動(dòng)力吊卡平衡性檢測(cè) 由于動(dòng)力吊卡的兩個(gè)吊耳和下拉桿相連，因此就必須考慮到吊卡的平衡性，若在實(shí)際工作中有偏斜將會(huì)給工作帶來(lái)很大的麻煩，就會(huì)影響到預(yù)期的效果，因此用solidworks軟件對(duì)動(dòng)力吊卡的質(zhì)心進(jìn)行尋找并分析。經(jīng)軟件計(jì)算得如下動(dòng)力吊卡打開(kāi)（圖3.7）時(shí)質(zhì)心位置數(shù)據(jù)。體積 = 2868962.34 立方毫米，表面積 = 565334.49 毫米2重心 : X = 0.05Y = 7.49Z = 40.10慣性主軸和慣性力矩 : ( 克 * 平方毫米 )由重心決定。 Ix = (1.00, -0.01, -0.01) Px = 12891602.15 Iy =

40、(-0.00, 0.34, -0.94) Py = 21837057.75 Iz = (0.01, 0.94, 0.34) Pz = 23994896.30慣性張量 : ( 克 * 平方毫米 ) 由重心決定，并且對(duì)齊輸出的坐標(biāo)系。Lxx = 12893491.38Lxy = -113486.76Lxz = -87440.49Lyx = -113486.76Lyy = 23738744.92Lyz = -695683.24Lzx = -87440.49Lzy = -695683.24Lzz = 22091319.89慣性張量: ( 克 * 平方毫米 ) 由輸出座標(biāo)系決定。Ixx = 176679

41、50.91Ixy = -112390.26Ixz = -81571.12Iyx = -112390.26Iyy = 28352201.34Iyz = 166183.37Izx = -81571.12Izy = 166183.37Izz = 222524.43圖3.8 動(dòng)力吊卡打開(kāi)狀態(tài)質(zhì)心位置 經(jīng)軟件計(jì)算出的裝配體質(zhì)量重心可以知道重心在裝配體的中心，可以保持平衡并在實(shí)際工作中得到很好的應(yīng)用。 下圖3.8為動(dòng)力吊卡閉合時(shí)質(zhì)量重心的位置，得到下列軟件計(jì)算數(shù)據(jù)： 體積 = 2868962.34 立方毫米 表面積 = 565334.49 毫米2 重心 : ( 毫米 )X = -0.41Y = 7.49Z

42、 = 37.71 慣性主軸和慣性力矩 : ( 克 * 平方毫米 )由重心決定。 Ix = (1.00, -0.01, 0.02) Px = 11693940.56 Iy = (0.02, 0.60, -0.80) Py = 16204776.84 Iz = (-0.01, 0.80, 0.60) Pz = 17811240.99 慣性張量 : ( 克 * 平方毫米 ) 由重心決定，并且對(duì)齊輸出的坐標(biāo)系。Lxx = 11695729.64Lxy = -25066.40Lxz = 87862.26Lyx = -25066.40Lyy = 17231946.02Lyz = -771873.91Lzx

43、 = 87862.26Lzy = -771873.91Lzz = 16782282.73 慣性張量: ( 克 * 平方毫米 ) 由輸出座標(biāo)系決定。Ixx = 15936269.25Ixy = -33862.83Ixz = 43584.67Iyx = -33862.83Iyy = 21311955.62Iyz = 38587.26Izx = 43584.67Izy = 38587.26Izz = 16943773.88圖 3.9 動(dòng)力吊卡閉合狀態(tài)質(zhì)心位置第4章 動(dòng)力吊卡與扶正機(jī)械手的強(qiáng)度校核計(jì)算4.1 概述 材料的機(jī)械強(qiáng)度包括拉伸、壓縮、彎曲、剪切、沖擊、疲勞等。材料機(jī)械強(qiáng)度指材料受外力作用時(shí)，

44、其單位面積上所能承受的最大負(fù)荷。一般用抗彎(抗折)強(qiáng)度、抗拉(抗張)強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度等來(lái)表示。通過(guò)對(duì)陶瓷和金屬機(jī)械強(qiáng)度的測(cè)試，可了解不同種類(lèi)材料在機(jī)械強(qiáng)度方面的差異，掌握材料強(qiáng)度的測(cè)試原理與計(jì)算方法。 機(jī)械強(qiáng)度評(píng)價(jià)包括靜剛度評(píng)價(jià)、靜強(qiáng)度評(píng)價(jià)、疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)、斷裂強(qiáng)度評(píng)價(jià)四部分內(nèi)容。靜剛度評(píng)價(jià)包括等直桿件扭轉(zhuǎn)剛度評(píng)價(jià)、受彎梁的彎曲強(qiáng)度評(píng)價(jià)、薄板受彎曲載荷作用靜剛度評(píng)價(jià)、薄殼變形計(jì)算；靜強(qiáng)度評(píng)價(jià)包括常規(guī)設(shè)計(jì)靜強(qiáng)度評(píng)價(jià)、極限設(shè)計(jì)靜強(qiáng)度評(píng)價(jià)、熱應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)價(jià)；疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)包括名義應(yīng)力無(wú)限壽命設(shè)計(jì)、名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)、名義應(yīng)力疲勞壽命估算、局部應(yīng)力應(yīng)變法疲勞壽命估算；斷裂強(qiáng)度評(píng)價(jià)包括線彈性斷裂強(qiáng)

45、度評(píng)價(jià)、彈塑性斷裂強(qiáng)度評(píng)價(jià)、裂紋擴(kuò)展壽命估算。 為保證工程結(jié)構(gòu)或者機(jī)械的正常工作，構(gòu)件應(yīng)有足夠的能力負(fù)擔(dān)起應(yīng)當(dāng)承受的載荷。因此，它應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足以下要求： （1） 強(qiáng)度要求：在規(guī)定的載荷作用下的構(gòu)件不應(yīng)被破壞。強(qiáng)度要求就是指構(gòu)件應(yīng)有足夠的抵抗破壞的能力。（2） 剛度要求：在載荷作用下，構(gòu)件即使有足夠的強(qiáng)度，但若變形過(guò)大，仍不能正常工作。剛度要求就是指構(gòu)件應(yīng)有足夠的抵抗變形的能力。（3）穩(wěn)定性要求：有些受壓力作用的細(xì)長(zhǎng)桿，應(yīng)始終維持原有的直線平衡形態(tài)，保證不被壓彎。穩(wěn)定性要求就是指構(gòu)件應(yīng)有足夠的保持原有平衡形態(tài)的能力。若構(gòu)件橫截面積尺寸不足或形狀不合理，或材料選用不當(dāng)，將不能滿(mǎn)足上述要求，從而不能保證

46、工程結(jié)構(gòu)或機(jī)械的安全工作。相反，也不能不恰當(dāng)?shù)丶哟髾M截面尺寸或選用優(yōu)質(zhì)的材料，這雖滿(mǎn)足了上述要求，卻多使用了材料和增加了成本，造成浪費(fèi)。在機(jī)械工程問(wèn)題中，一般說(shuō)，構(gòu)件都應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，但對(duì)具體構(gòu)件又往往有所側(cè)重。例如，儲(chǔ)氣罐主要是保證強(qiáng)度，車(chē)床主軸主要是要具備一定的剛度，而受壓的長(zhǎng)桿則應(yīng)保持穩(wěn)定性。此外，對(duì)某些特殊構(gòu)件還可能有相反的要求。例如為防止超載，當(dāng)載荷超出某一極限時(shí)，安全銷(xiāo)應(yīng)立即破壞。又如為發(fā)揮緩沖作用，車(chē)輛的緩沖彈簧應(yīng)有較大的變形。為防止機(jī)械零件的失效，可靠性是產(chǎn)品的一個(gè)重要的質(zhì)量指標(biāo)特征，它表示產(chǎn)品在規(guī)定的工作條件下及規(guī)定的使用期限內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

47、是把設(shè)計(jì)變量當(dāng)做規(guī)定性變量來(lái)看待。但是，對(duì)于一大批同類(lèi)產(chǎn)品中任何特定的一件來(lái)講，許多設(shè)計(jì)變量（例如工作載荷、極限應(yīng)力、零件的尺寸等）都是隨機(jī)變量。如果在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)概率與統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)分析和處理這些隨機(jī)變量，則可以更為準(zhǔn)確地把握產(chǎn)品的可靠性。 因此，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，對(duì)重要零部件進(jìn)行校核是十分必要的，扶正機(jī)械手的主要校核部件有擺動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿、擺動(dòng)桿、下拉桿等，動(dòng)力吊卡的主要校核部件有吊卡爪左連桿、左傳遞桿、液壓缸、彎桿、小彎桿、連接桿、右傳遞桿、吊卡爪右連桿等，我們考慮的因素主要有應(yīng)力、安全系數(shù)等。我們的三維建模和校核都是基于SolidWorks軟件進(jìn)行的，軟件不僅為我們提供了方便快捷的建模方

48、法，在靜態(tài)力學(xué)和動(dòng)態(tài)分析上具有較高的智能化，在靜力學(xué)分析中，我們只要輸入我們夾具的作用面、力加載面、力的大小、方向等，軟件會(huì)自動(dòng)分析在這個(gè)大小的力的作用下，零部件的各部分的應(yīng)力分布，變形量的大小，應(yīng)變大小以及安全系數(shù)的分布等等。4.2扶正機(jī)械手重要零部件的強(qiáng)度校核計(jì)算4.2.1擺動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿強(qiáng)度校核 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿是直接連在大液壓缸上的桿，大液壓缸上下運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿上下運(yùn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)吊卡及管柱的運(yùn)動(dòng)，因此擺動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿所受的力很大，所以為了保證擺動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿的強(qiáng)度我用合金鋼作為擺動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿的材料，讓桿的兩端固定，在以大液壓缸為力的來(lái)源，吊卡的重量大約為700N，管柱的重量大約為200N，當(dāng)?shù)蹩?/p>

49、提升至最高時(shí)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿所受的力最大，約為1000N，在大液壓缸上加以1000N的力，在正常比例的情況下基本沒(méi)產(chǎn)生形變，而且安全系數(shù)為8.8，達(dá)到了使用強(qiáng)度，因此符合要求。圖4.1 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿強(qiáng)度校核4.2.2 大液壓缸強(qiáng)度校核大液壓缸的計(jì)算是整個(gè)管柱移運(yùn)裝置的重要部分，擺動(dòng)桿裝置的正常運(yùn)動(dòng)工作就是依靠液壓缸來(lái)驅(qū)動(dòng)的，因此，液壓缸的計(jì)算要有足夠的余量，保證裝置在工作的過(guò)程中能夠穩(wěn)定，安全。不同的液壓缸有不同的內(nèi)容和要求，一般在設(shè)計(jì)液壓缸的結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)盡量使液壓缸的活塞桿在受拉狀態(tài)下承受最大負(fù)載，或在受壓狀態(tài)下具有良好的縱向穩(wěn)定性。 (2)考慮液壓缸行程終了處的制動(dòng)問(wèn)題和液

50、壓缸的排氣問(wèn)題。缸內(nèi)如無(wú)緩沖裝置和排氣裝置，系統(tǒng)中需有相應(yīng)的措施，但是并非所有的液壓缸都要考慮這些問(wèn)題。 (3)根據(jù)主機(jī)的工作要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，正確確定液壓缸的安裝、固定方式。但液壓缸只能一端定位。 (4)液壓缸各部分的結(jié)構(gòu)需根據(jù)推薦的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡可能做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、加工、裝配和維修方便。 液壓缸的計(jì)算主要有液壓缸的行程、最短距離、最大距離、液壓缸的內(nèi)徑尺寸、外徑尺寸和活塞桿的外徑。下拉桿在最大位置時(shí)液壓缸兩接耳間距最小，s1=9.7；下拉桿在豎直位置液壓缸接耳間距最大，s2=56.8 ；兩位置差s=s2-s1=56.8-9.7=47.1mm；查液壓缸系列表可知，最接近

51、的液壓缸行程為50mm，因此確定液壓缸的行程s=50mm。液壓缸兩接耳的最小距離為9.7mmm，最大距離為56.8mm，此范圍比s1和s2間距范圍大，完全滿(mǎn)足其運(yùn)動(dòng)。根據(jù)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿在吊卡達(dá)到最大位置時(shí)的受力最大，因此為保證液壓缸的安全可靠性，計(jì)算液壓缸的尺寸大小應(yīng)根據(jù)最大的力的受力情況來(lái)計(jì)算，如此才能保證液壓缸的正常工作。因此，為保證液壓缸正常工作，我們將其受力情況進(jìn)行全面，具體的分析，并且要加入動(dòng)載系數(shù)，這樣才能在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境中使液壓缸的安全性能得到保證。下面是液壓缸的受力情況的計(jì)算過(guò)程，我們計(jì)算的是吊卡達(dá)到最大位置時(shí)的受力情況。液壓缸受力為：F=100G=10

52、00N 工作壓力定為：P=10MP。 液壓缸內(nèi)徑計(jì)算公式： （4-1）將F和P值代入式4-1解出：D=11.28mm；查液壓缸內(nèi)徑尺寸系列值，將計(jì)算值圓整為系列值，取D=12mm。液壓缸的校核可以根據(jù)其受力情況，利用SolidWorks軟件中的靜力學(xué)算例分析得到液壓缸各部分的應(yīng)力分布以及安全系數(shù)的分析，這樣就可以找到零件哪里的應(yīng)力最大，哪里的安全系數(shù)最小，我們可以根據(jù)這種分析，找到零件的不安全點(diǎn)，然后進(jìn)行修改，加強(qiáng)，使其達(dá)到我們要求的安全范圍之內(nèi)。圖4.2 大液壓缸應(yīng)力分析圖從校核中我們可以知道液壓缸的變形位移量最大為0.068mm，最小的安全系數(shù)值為2.95。由此我們可以看出，液壓缸在工作受力的情況下會(huì)發(fā)生一定位移變形，但