ZJ50D鉆機鉆桿自動傳送系統(tǒng)研究

ZJ50D鉆機鉆桿自動傳送系統(tǒng)的研究

目錄二.研究目標、內(nèi)容，關(guān)鍵性問題一.課題意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀三.研究方法、技術(shù)路線、試驗方案與可行性分析四.課題的創(chuàng)新性五.計劃進度、預(yù)期進展、預(yù)期成果六.工作積累、工作成績一.課題意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.課題意義：

石油是世界最主要的能源之一，而石油鉆井技術(shù)則成為各國競爭的熱點。由于生產(chǎn)力的快速發(fā)展，要求鉆機向著大功率系統(tǒng)發(fā)展，所用器材及人力也大幅增加，鉆井機械自動化成為了發(fā)展的必然趨勢。鉆桿的傳送作為鉆機主要環(huán)節(jié)也必將向著自動化方向發(fā)展。1.課題意義

絞車從地面提升鉆桿接單根作業(yè)鉆桿被放入鼠洞工人與鉆桿接應(yīng)傳統(tǒng)鉆桿傳送方式1.課題意義傳統(tǒng)方式的危險性調(diào)查顯示,管子處理作業(yè)經(jīng)常導(dǎo)致重大事故,傳送鉆桿是困難和重復(fù)性的工作,并伴隨著多發(fā)的安全事故。2005年,據(jù)IADC(國際鉆井組織)的統(tǒng)計,23起死亡事故中,其中井架工7人,鉆工5人,井架工數(shù)量最多,占近1/3;發(fā)生在管子處理作業(yè)中16起,而其中4起發(fā)生在接立根過程中。減少安全隱患最簡單的辦法是減少危險操作中人員的數(shù)量，并使他們由勞動者變?yōu)樽詣訖C械裝置的操作者。

2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀—國外現(xiàn)狀1.機械手式3.橋架式4.起豎式2.立柱式1234國內(nèi)現(xiàn)狀蘭州石油機械研究所、寶雞石油機械有限責(zé)任公司等單位做過一些設(shè)計和研究，但其產(chǎn)品模式都是國外較早的半自動系統(tǒng)。從國外引進，但只在海鉆或在配備頂驅(qū)的高端鉆井上使用。高端鉆機在國內(nèi)顯然較稀少，國外的鉆桿自動傳送在國內(nèi)無法普及，原因如下：國內(nèi)國外國外a.中國勞動力充沛、成本低，所以要求鉆井自動化的成本要與傳統(tǒng)鉆井方式成本相當(dāng)，或低于傳統(tǒng)鉆井方式。b.在國內(nèi)普遍使用的是以ZJ50D為代表的傳統(tǒng)鉆機，如右圖，這種鉆機平臺相對國外的尺寸較大，所以傳送系統(tǒng)必須配有平臺水平傳送裝置。二.研究目標、內(nèi)容，關(guān)鍵性問題1.研究目標:研制出適應(yīng)于ZJ50D鉆機鉆桿傳送系統(tǒng)方案設(shè)計方案：鉆管、鉆鋌、套管等管材首先由運輸車運送到管架；在管架的一端安裝有兩到三個并行的滾動撥齒，用來撥動管材，將其撥進水平放置的托盤上，隨之機械手將管材進行夾持；托盤由液壓缸作用，由水平變?yōu)樨Q起狀態(tài)，完成管材的豎立作業(yè)；托盤機械手由液壓裝置做為動力，向上托舉管材（約1米左右）；井臺有機械手迎合，機械手將鉆桿夾持、提升，隨之與鐵鉆工配合。全程無需人工，作業(yè)流程中鉆桿的自動夾持、提升、平移、定位等軌跡全程自動控制。2.研究目標—鉆桿自動傳送系統(tǒng)的工作流程與鐵鉆工配合鉆桿由運輸車排放撥齒撥動鉆桿至托盤機械手夾緊、托盤起豎挺舉鉆桿桅桿回轉(zhuǎn)，移動桅桿機械手夾持，相互傳送2.研究的主要內(nèi)容地面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如下：①由運輸車輛排好的鉆桿,首先被管架一端的撥齒撥入兩只并行的機械手。撥齒的滾動速度要適當(dāng)，用來避免鉆桿對機械手有較大的沖擊。撥齒的圓弧設(shè)計要照顧到不同外徑的鉆桿。②在機械手將鉆桿進行夾持的過程中，要設(shè)計合理的液壓控制，使機械手具有合理的夾緊力。③鉆桿傳送系統(tǒng)必須要有由地面提升鉆桿的能力，在此采用了已經(jīng)非常成熟的液壓機械手、液壓起重臂與齒輪齒條結(jié)構(gòu)。由于鉆桿托盤的尺寸大、質(zhì)量重，如何使之平穩(wěn)的豎立起來、如何保證鉸接強度，也成為此項設(shè)計的主要內(nèi)容之一。

圖示為部分系統(tǒng)簡圖2.研究的主要內(nèi)容平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如下：①桅桿機械手（包括托盤機械手）要求具有沿導(dǎo)軌自由游動的功能。擬選用兩種傳動方案：方案一，齒輪齒條傳動；方案二，液壓缸傳動。方案一結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，傳動效率高，易于控制，運移快捷等優(yōu)點，但因機械手以及平臺機械手下底座的行程與負載較大，所以對齒條和齒輪的制造要求比較高。方案二運行穩(wěn)定，緩沖擊效果明顯，響應(yīng)迅速，但效率低、動作慢（若使之動作加速，要使用大功率液壓泵，同時，對液壓元件又有了更嚴格的要求），加上液壓缸體積和重量較大，無疑增加了工作載荷。最優(yōu)方案的選擇有待進一步論證。2.研究的主要內(nèi)容平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如下：為了盡可能降低桅桿高度，在鉆桿被提升的過程中采用兩機械手相互傳送的方式。如下圖所示，

步驟一：鉆桿被趕緊后，由桅桿上機械手夾緊，下機械手進行輔助夾持；步驟二：上機械手上升到桅桿頂端；步驟三：下機械手變輔助夾持為夾緊，之后上機械手變夾緊為輔助夾持；步驟四：下機械手爬升到指定位置；相互傳送完畢。

2.研究的主要內(nèi)容平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如下：③平臺上的桅桿必須有沿導(dǎo)軌穩(wěn)定移動的功能。初步選用小車結(jié)構(gòu)，即用液壓馬達與蝸桿軸固聯(lián),通過蝸輪減速后驅(qū)動左、右兩側(cè)對稱設(shè)計的錐齒輪機構(gòu),然后通過兩側(cè)的圓柱齒輪與固定在軌道上的齒條嚙合,同時驅(qū)動小車沿軌道移動。兩個動力方案：方案一，采用液壓驅(qū)動；方案二，采用步進電機驅(qū)動。方案一能夠提供較大動力，穩(wěn)定性良好，便于實現(xiàn)無級變速，緩沖效果好，但液壓管線連接比較復(fù)雜，此外，還存在壓力管線清潔、壓力油雜質(zhì)、壓力管線疲勞碎屑堵塞、壓力管路堵塞、壓力管線刺破造成的安全問題等。方案二響應(yīng)迅速，容易實現(xiàn)數(shù)字化控制，線路連接方便，但緩沖效果差，此設(shè)備有較高的動力要求，所以存在電機的選用、設(shè)計安裝難度1.立柱旋轉(zhuǎn)齒輪齒條;2.蝸桿;3.錐齒輪;4.小車移動齒輪齒條;5.滾輪;6.立柱

底部小車結(jié)構(gòu)資料來源：崔學(xué)政,劉文慶,肖文生,張富強,董磊.海洋鉆井平臺立柱式排管機設(shè)計[J].石油礦場機械,2010,39(1):45-492.研究的主要內(nèi)容平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如下：④小車上方的桅桿具有回轉(zhuǎn)功能。如果沒有特殊需要，只需回轉(zhuǎn)180°這一個動作。桅桿的回轉(zhuǎn)與小車的行進可同時進行，以此來縮短運行時間，進而提高工作效率。

圖示為部分系統(tǒng)簡圖2.研究的主要內(nèi)容—

控制系統(tǒng)簡述整套設(shè)備擬選用全液壓控制，采用PLC控制器對各閥門實現(xiàn)控制。液壓系統(tǒng)原理簡圖如下:3.關(guān)鍵性問題托盤鉸鏈承載；桅桿上下機械手傳送鉆桿的可靠性；結(jié)構(gòu)如何優(yōu)化，使整機實現(xiàn)體積小、質(zhì)量輕。三.研究方法、技術(shù)路線、試驗方案與可行性分析

1.研究方法：根據(jù)設(shè)計目標，對設(shè)計對象先做一個總體的設(shè)計方案；在總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，對各部分進行分塊設(shè)計，并對各分塊部分進行關(guān)聯(lián)設(shè)計，實現(xiàn)運動的合理性；在各分塊初步設(shè)計的基礎(chǔ)上，對各分塊的零部件進行初步設(shè)計，確定各零部件的結(jié)構(gòu)尺寸，并對其進行三維實體模型的建立與強度分析、合理性驗證；若能滿足要求，再進行詳細零件設(shè)計；最后對各分塊進行整體裝配，并進行整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計；仿真并反饋信息，以待后期的進一步修改與優(yōu)化。2.技術(shù)路線從研究方法和研究過程我們可以看出，設(shè)計該系統(tǒng)的技術(shù)路線可總結(jié)為：確定總體結(jié)構(gòu)方案初步零件設(shè)計創(chuàng)建三維模型對主要結(jié)構(gòu)強度分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、合理性驗證運動及動力學(xué)分析滿足設(shè)計要求詳細零件設(shè)計否完成設(shè)計3.試驗方案利用電腦進行仿真實驗，并根據(jù)各機構(gòu)之間的配合關(guān)系設(shè)計出成熟的模型，進行運動及動力學(xué)分析。在模型的基礎(chǔ)上設(shè)計主要的零件圖，進行強度分析、合理性驗證。最后分析機構(gòu)運行的可行性4.可行性分析從理論上講：整套系統(tǒng)采用的都是已經(jīng)非常成熟的各種機械結(jié)構(gòu)，液壓技術(shù)與液壓系統(tǒng)的自動化控制已經(jīng)得到很大程度的普及，通過合理的有機結(jié)合能夠很好的完成鉆桿傳送的工作。外加導(dǎo)師的大力指導(dǎo)，相信對鉆桿自動傳送系統(tǒng)的研究能夠滿足國內(nèi)鉆井工程的要求，取得理想的研究成果。從實踐上講：鉆桿自動傳送系統(tǒng)已經(jīng)在海洋鉆井工程得到成熟的應(yīng)用，國外對鉆桿自動傳送系統(tǒng)的研究早，部分產(chǎn)品已經(jīng)投產(chǎn)并且經(jīng)過數(shù)次改進，總結(jié)了大量經(jīng)驗。還有國內(nèi)的石油機械制造商，如蘭石、寶石等，他們所開發(fā)及制造生產(chǎn)的鉆桿自動傳送系統(tǒng)可以看出在制造工藝方面完全可以滿足要求，這確保了該種鉆桿自動傳送系統(tǒng)制造工藝方面的可行性。

四.課題的創(chuàng)新性在國內(nèi)的鉆井平臺上實現(xiàn)鉆桿傳送的自動化、半自動化作業(yè)。相比傳統(tǒng)人工作業(yè)，安全性、經(jīng)濟性與工作效率都得到明顯提升。該裝置直接執(zhí)行部分擬選用全液壓控制，托盤與立柱定位準確，機械手夾持穩(wěn)固，容易實現(xiàn)裝置的自動化，在運行過程中實現(xiàn)了自動化與穩(wěn)定性的理想結(jié)合。以兩機械手的相互傳送技術(shù)來降低桅桿高度，近而降低了機構(gòu)的制造與安裝難度。1).

2011.9—2011.10查閱文獻搜集資料2).2011.10—2011.11調(diào)查研究3).2011.11—2011.12開題報告撰寫開題報告4).2012.1—2012.8相關(guān)理論和軟件的學(xué)習(xí)5).2012.9—2012.11理論知識的進一步夯實6).2012.11—2013.3撰寫畢業(yè)論文7).2013.4—2013.5學(xué)位（畢業(yè)）論文答辯五.計劃進度、預(yù)期進展與預(yù)期成果

1.計劃進度與預(yù)期進展:備注：本計劃在實際過程中實施過程中可能會有所調(diào)整2.預(yù)期成果設(shè)計開發(fā)出一種新型鉆桿自動傳送系統(tǒng)，畫出鉆桿自動傳送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。在核心期刊發(fā)表1～2篇學(xué)術(shù)論文。六.有關(guān)的工作積累、已有的研究工