鉆桿漏磁檢測機械部分設計畢業(yè)論文

1、- i -畢業(yè)設計正文主體長江大學工程技術學院畢 業(yè) 設 計 題 目 名 稱 鉆桿漏磁檢測機械部分設計 題 目 類 別 畢業(yè)論文 學 院（系） 機械系 專 業(yè) 班 級 機械0701 開題報告日期 2010年10月30日 一、題目來源及題目類別題目名稱: 鉆桿漏磁檢測機械部分設計題目來源: 生產(chǎn)實際題目類別: 畢業(yè)論文二、研究目的和意義石油鉆具在鉆井作業(yè)中,要承受拉、扭、壓彎等多種載荷作用,同時受到泥漿的沖刷和腐蝕,服役條件十分苛刻。預防鉆桿失效是提高鉆井速度和保障施工安全的重要措施，歷來受到石油及相關領域專家和現(xiàn)場工作人員的重視。為了提高生產(chǎn)安全效率,對鉆具的損傷情況和預期壽命有必要做認真檢測

2、。但是，通常所用的無損檢測方法,如超聲法、渦流法、磁粉法、滲透法、電磁法和射線法只能發(fā)現(xiàn)鉆具中已有的損傷和缺陷,對已多次下井使用但未產(chǎn)生損傷的鉆具無法預測而且工人勞動強度大，檢測速度慢，可靠性差，制約了鉆井速度，而且一些大型油田鉆井工作量大，鉆桿使用及檢測量大，傳統(tǒng)的檢測方法在一定程度上影響了油田經(jīng)濟效益的提高。這里介紹一種有效的檢測方法漏磁檢測。漏磁無損檢測技術在鋼鐵、石油、石化等領域應用較廣泛。漏磁檢測只限于檢測鐵磁性材料, 主要是鐵磁性材料的表面及近表面的檢測。該方法具有探頭結構簡單、易于實現(xiàn)自動化、無污染、檢測靈敏度高、不需要耦合劑、檢測時一般不需要對表面進行清洗處理、可以實現(xiàn)缺陷的初

3、步量化等特點。在工業(yè)上實用探傷設備的開發(fā)制造還剛剛起步, 而隨著質量控制技術的發(fā)展與進步我國對于漏磁探傷設備的市場需求將越來越大。因此, 縮小同國外先進的無損檢測設備制造水平的差距是當前我國無損檢測業(yè)界的重要且緊迫的任務。由于鉆桿是兩頭大中間小的結構，對于這種特殊結構，為了使檢測儀器能在鉆桿上順利移動檢測，檢測儀器機械部分需要用浮動結構來調(diào)節(jié)。具體用連接滾輪和彈簧，利用它們的伸縮性來保證儀器的順利移動，從而保證順利檢測。三、閱讀的主要參考文獻及資料名稱 1 c. edwards and s. b. palaer the p rod magnetization method of magneti

4、c particle inspect ion 25 p 305 british ndt 19832 d. l. atherton, finite element calculations and computer measurements of magnetic flux leakage patterns for pits. 30 (2) p 159 british journal of ndt 19883 d. l. atherton, magnetic inspect ion is key to ensuring safe pipelines, 87 (8) oil and gas jou

5、rnals4 c. edwards and s. b. palaer, the p rod magnetization method of magnetic particle inspect ion, 25, p 305 british ndt 19835 沈功田 中國無損檢測進展 ndt 無損檢測 中國 世界 2005 (2)6 劉志平 康宜華 武新軍等 儲罐底板漏磁檢測傳感器設計 無損檢測 2004 26 (12) : 6126157 李路明 黃松齡 李振星等 鑄鐵件的漏磁檢測方法 清華大學學報 2002 42 (4) : 4744768 黃松齡 管道磁化的有限元優(yōu)化設計 清華大學學報 2

6、000 40 (2) : 67699 李路明 黃松齡 施克仁 漏磁檢測的交直流磁化問題 清華大學學報 2002 42 (2) :154156四、國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向4.1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展, 尤其是計算機技術的發(fā)展, 儀器的體積越來越小、處理速度越來越快、功能越來越強大。漏磁檢測理論研究及探傷系統(tǒng)的傳感器性能、數(shù)據(jù)處理等方面也都有很大的進步。國外研究概況國外對漏磁檢測技術的研究很早, zuschlug1 于1933 年首先提出應用磁敏傳感器測量漏磁場的思想, 但直至 1947年 hastings 設計了第一套漏磁檢測系統(tǒng), 漏磁檢測才開始受到普遍的承認。19

7、73年, 英國天然氣公司采用漏磁法對其所管轄的一條直徑為 600 mm 的天然氣管道的管壁腐蝕減薄狀況進行了在役檢測, 首次引入了定量分析方法。對于缺陷漏磁場的計算始于1966年, shcherbin 和 zatsepin 兩人采用磁偶極子模型計算表面開口的無限長裂紋。蘇、日、美、德、英等國相繼對這一領域開展研究, 形成了兩大學派, 主要為研究磁偶極子法和有限元法兩大學派。1975 年, hwang 和lord 采用有限元方法對漏磁場進行分析, 首次把材料內(nèi)部場強和磁導率與漏磁場幅值聯(lián)系起來。edwards 和 palaer4 推出了有限長開口裂紋的三維表達式, 從中得出當材料的相對磁導率遠大

8、于缺陷深寬比時, 漏磁場強度與缺陷深度呈近似線性關系的結論。國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國從90年代初對漏磁檢測技術進行了研究, 其總體技術水平落后于歐美等發(fā)達國家。近年來, 在國內(nèi)無損檢測工作者的共同努力下, 目前已有許多的高校和研究單位在這方面取得了可喜的成果,逐步縮小了與國際水平的差距。國內(nèi)研究漏磁檢測技術的高校主要有清華大學、華中科技大學、上海交通大學、沈陽工業(yè)大學等。其中華中科技大學的楊叔子、康宜華、武新軍等, 在儲罐底板漏磁檢測研究6和管道漏磁無損檢測傳感器的研制、鋼絲繩的漏磁檢測等方面進行了大量的實驗研究工作, 利用ansys 軟件分析了傳感器勵磁裝置的參數(shù)對鋼板局部磁化的影響, 設計了相應的

9、漏磁檢測傳感器等; 清華大學的李路明、黃松齡等研究了管道的漏磁探傷, 鐵鑄件的漏磁探傷方法7, 采用有限元分析法研究永磁體幾何參數(shù)對管道磁化效果的影響8 , 分析漏磁探傷中各種量之間的數(shù)值關系, 如表面裂紋寬度對漏磁場y分量影響的問題; 交直流磁化問題9 , 針對漏磁檢測交流磁化的磁化電流頻率選擇問題, 分析了磁化頻率的選取原則等等。4.2發(fā)展趨勢使用網(wǎng)絡系統(tǒng)進行監(jiān)控，智能管道爬行器4.3 主攻方向檢測過程非自動化、檢測結果很大程度上依賴于人的主觀判斷，以及檢測效率低下這一現(xiàn)狀。軸向裂縫檢測有一定的困難，而且因漏磁技術是檢測管道壁厚的間接檢測方法，以檢測的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)直觀顯示管壁的缺陷也比較困難

10、。五、主要研究內(nèi)容需重點研究的關鍵問題及解決思路5.1主要研究內(nèi)容漏磁檢測調(diào)節(jié)部分的設計:針對變徑鉆桿直徑不同的特點,設計了移動檢測探頭儀,其結構如圖3 所示.它由檢測探頭靴組件和探頭儀腔體組成。探頭儀腔體由磁化器和驅動裝置構成。磁化器將被測鉆桿進行局部軸向磁化。檢測探頭靴組件上安裝有多自由度浮動的檢測探頭芯,具有對鉆桿加厚過渡區(qū)與桿體交界變徑區(qū)域檢測的適應性,用于拾取鉆桿全圓周方位的缺陷漏磁信號。檢測探頭由驅動裝置驅動沿著被測鉆桿軸向移動對其進行全面掃查檢測，驅動支撐滾輪內(nèi)置式懸掛安裝,這樣使得探頭儀沿被測鉆桿軸向跨度小,從而使得移動檢測探頭儀能夠到達被測鉆桿端部極限位,減小了檢測盲區(qū)。漏磁

11、檢測連接部分的設計:成整圓周分布的探頭芯由探頭芯連接塊外加彈簧形成浮動連接,適應變經(jīng)區(qū)域的檢測,如圖5 所示.5.2關鍵問題1、設計永磁體18 19 20與傳感器的連接；2、設計連接滾輪及彈簧。探頭芯最佳檢測姿態(tài)的實現(xiàn)主要由其徑向浮動、軸向和周向轉動3個浮動自由度來完成的。設計了關節(jié)式浮動連接方式來實現(xiàn)3個自由度浮動。如圖4所示,探頭芯由2個關節(jié)轉軸通過連接桿連接在裝有浮動彈簧的浮動臂上,可以產(chǎn)生2個轉動,一個移動自由度浮動,中間通過另一矯正彈簧來對其姿態(tài)進行對中復位,以實現(xiàn)在具有3個自由度的同時還能進行姿態(tài)矯正。此浮動連接方式結構緊湊,防塵效果好。5.3解決思路做好畢業(yè)設計，前提必須了解研究

12、目的和主攻方向，要進行大量的資料收集以及計算機的輔助設計，所以需要經(jīng)常去圖書館和機房查閱資料?？傮w思路如下：1、 根據(jù)畢業(yè)設計題目，結合老師指導對調(diào)研對象進行初步分析；2、 參考資料21 22 23 24 25 26，了解調(diào)研過程，根據(jù)具體要求對研究方案進行構思；3、 設計并畫出設計的機械部分視圖；4、 對方案進行進一步針對性修改，以增加其直觀性、可行性和實用性；六、完成畢業(yè)設計所必須的工作條件 1）圖書館資源、網(wǎng)上資源；2）傳感器手冊、液壓設計手冊、機械設計手冊3）計算機，50學時。七、工作的主要進度與時間安排（工作量計算8-17周，共10周）no.主要工作周次安排具體時間備注1選題及準備第

13、 6 周10.8-10.14集中選題2外文翻譯第8-9周10.22-11.43開題報告資料檢索，調(diào)研第10周11.5-11.114畢業(yè)設計第11-17周11.12-12.30第13周期中檢查5論文審查評閱，答辯下學期2008年6月上、中旬資料裝訂指導教師審查意見評閱教師評語答辯會議記錄鉆桿漏磁檢測機械部分設計摘要學生所在系部：機械系指導老師所在單位：長江大學學生：陳明亮指導老師：楊雄摘 要：常見的井下鉆具事故多是由于疏于檢測致使有嚴重缺陷的鉆具下井造成的。基于漏磁工作原理的探傷機，可以有效檢測出存在缺陷的鉆具，以減少事故隱患。鉆桿屬于薄壁管，在鉆井過程中承受軸向力、彎矩、離心力、扭轉力以及動載

14、的作用，工況條件極其惡劣。特別是深井、斜井，鉆桿中微小的缺陷就可能導致井下鉆具事故。隨著鉆井技術的不斷發(fā)展，為提高機械鉆速，井下動力鉆具的使用增多，鉆柱轉速提高，對鉆桿質量的要求也越來越高。漏磁檢測技術是近年來新發(fā)展起來的無損探傷技術，原理與磁粉探傷相同，不僅能對鉆桿管體進行全面檢測，而且可以利用電子技術獲得直觀的量化檢測結果。它檢測準確、速度快，尤其適合于大批量鉆桿的檢測工作。關鍵詞：鉆桿 漏磁檢測 機械設計畢業(yè)設計正文主體1.選題背景1.1來源本課題來源于生產(chǎn)實踐；1.2研究的目的與意義 石油鉆桿在油田鉆井工程中，是地面旋轉系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)與鉆鋌、鉆頭連接的主要部件，通過它們達到轉

15、盤帶動鉆頭旋轉，大鉤帶動鉆頭升降，泥漿送到井底形成循環(huán)，從而實現(xiàn)鉆頭破碎巖層并連續(xù)鉆進。正常鉆進時，石油鉆桿在井下要承受拉伸、壓縮、扭曲和泥漿酸化等復雜交變應力，工作條件極為惡劣，隨著工作頻率的增大，使用時間過長，將形成疲勞裂紋，嚴重腐蝕坑等，因此，石油鉆桿能否正常、安全地工作，是油田鉆井工程能否正常進行的關鍵之一，在鉆井工程生產(chǎn)中具有至關重要的地位。預防鉆桿失效是提高鉆井速度和保障施工安全的重要措施，歷來受到石油及相關領域專家和現(xiàn)場工作人員的重視。一些大型油田傳統(tǒng)的檢測方法在一定程度上影響了油田經(jīng)濟效益的提高。漏磁檢測，可以彌補傳統(tǒng)檢測方法的不足針對石油鉆桿運用漏磁檢測技術對其進行檢測，對其

16、方法的運用進行探討，為提高石油鉆桿使用效率，掌握其質量狀況，減少鉆井事故發(fā)生，從而提高整體經(jīng)濟效益具有十分積極的意義。石油鉆桿漏磁檢測原理是建立在鐵磁性材料的高磁導率的特性基礎上，通過測量鐵磁性材料中由于缺陷所引起的磁導率變化來檢測在役石油鉆桿的狀況。石油鉆桿（鐵磁性材料）在外加磁場的作用下被磁化，當無缺陷時，磁力線絕大部分通過鐵磁性材料，此時在材料內(nèi)部磁力線分布均勻；當有缺陷時，由于材料中缺陷的磁導率比鐵磁性材料本身小，致使磁力線發(fā)生彎曲，并具有一部分磁力線泄漏出材料表面，通過檢測該泄漏磁場，就能有效地檢測出缺陷的存在，從而檢測分析石油鉆桿的疲勞損壞情況。1.3應解決的主要問題應解決的主要問

17、題是鉆桿的磁化問題和鉆桿順利現(xiàn)場檢測問題。1.3.1 鉆桿的磁化問題這里在每個探頭上設計了兩個永磁體對稱分布在檢測探頭的傳感器的兩邊，相距140mm。保證不管鉆桿向上或是向下都能被有效磁化。1.3.2 鉆桿的順利檢測問題鑒于鉆桿是兩頭大中間小的結構，對于這種特殊結構，為了使檢測儀器能在鉆桿上順利移動檢測，檢測儀器機械部分需要用浮動結構來調(diào)節(jié)。這里用浮動連接探頭來實現(xiàn)。利用彈簧的伸縮性來保證儀器的順利移動，從而保證檢測順利進行。設計了浮動連接方式來實現(xiàn)探頭的浮動檢測。如圖所示，檢測探頭通過連接鉸鏈與連接桿連接在裝有浮動彈簧的浮動連接裝置上,為防止檢測探頭轉動,把導向連桿桿體部分都設計成方形，以實

18、現(xiàn)探頭的準確定位保證檢測結果的準確性。此浮動連接方式結構緊湊,防油效果好。1.4應達到的技術要求1.4.1 實現(xiàn)鉆桿的有效磁化 鉆桿（鐵磁性材料）在外加磁場的作用下被磁化，當有缺陷時，由于材料中缺陷的磁導率比鐵磁性材料本身小，致使磁力線發(fā)生彎曲，并具有一部分磁力線泄漏出材料表面，通過檢測該泄漏磁場，就能有效地檢測出缺陷的存在，從而檢測分析石油鉆桿的疲勞損壞情況。1.4.2 實現(xiàn)順利檢測能保證檢測探頭在鉆桿加厚過渡區(qū)的自由移動，更重要的是彈簧能及時準確復位，以保證無漏檢情況發(fā)生。1.5國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.5.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀我國從90年代初對漏磁檢測技術進行了研究, 其總體技術水平落后于歐美等發(fā)達

19、國家。近年來, 在國內(nèi)無損檢測工作者的共同努力下, 目前已有許多的高校和研究單位在這方面取得了可喜的成果,逐步縮小了與國際水平的差距。國內(nèi)研究漏磁檢測技術的高校主要有清華大學、華中科技大學、上海交通大學、沈陽工業(yè)大學等。其中華中科技大學的楊叔子、康宜華、武新軍等, 在儲罐底板漏磁檢測研究6和管道漏磁無損檢測傳感器的研制、鋼絲繩的漏磁檢測等方面進行了大量的實驗研究工作, 利用ansys 軟件分析了傳感器勵磁裝置的參數(shù)對鋼板局部磁化的影響, 設計了相應的漏磁檢測傳感器等; 清華大學的李路明、黃松齡等研究了管道的漏磁探傷, 鐵鑄件的漏磁探傷方法7, 采用有限元分析法研究永磁體幾何參數(shù)對管道磁化效果的

20、影響8 , 分析漏磁探傷中各種量之間的數(shù)值關系, 如表面裂紋寬度對漏磁場y分量影響的問題; 交直流磁化問題9 , 針對漏磁檢測交流磁化的磁化電流頻率選擇問題, 分析了磁化頻率的選取原則等等。1.5.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀國外對漏磁檢測技術的研究很早, zuschlug1 于1933 年首先提出應用磁敏傳感器測量漏磁場的思想, 但直至 1947年 hastings 設計了第一套漏磁檢測系統(tǒng), 漏磁檢測才開始受到普遍的承認。1973年, 英國天然氣公司采用漏磁法對其所管轄的一條直徑為 600 mm 的天然氣管道的管壁腐蝕減薄狀況進行了在役檢測, 首次引入了定量分析方法。對于缺陷漏磁場的計算始于1966年

21、, shcherbin 和 zatsepin 兩人采用磁偶極子模型計算表面開口的無限長裂紋。蘇、日、美、德、英等國相繼對這一領域開展研究, 形成了兩大學派, 主要為研究磁偶極子法和有限元法兩大學派。1975 年, hwang 和lord 采用有限元方法對漏磁場進行分析, 首次把材料內(nèi)部場強和磁導率與漏磁場幅值聯(lián)系起來。edwards 和 palaer4 推出了有限長開口裂紋的三維表達式, 從中得出當材料的相對磁導率遠大于缺陷深寬比時, 漏磁場強度與缺陷深度呈近似線性關系的結論。1.6本研究的指導思想與技術路線做好畢業(yè)設計，前提必須了解研究目的和主攻方向，要進行大量的資料收集以及計算機的輔助設計

22、，所以需要經(jīng)常去圖書館和機房查閱資料。總體路線如下：1、 根據(jù)畢業(yè)設計題目，結合老師指導對調(diào)研對象進行初步分析；2、 參考資料21 22 23 24 25 26，了解調(diào)研過程，根據(jù)具體要求對研究方案進行構思；3、 設計并運用autocad畫出設計的機械部分視圖；4、 對方案進行進一步針對性修改，以增加其直觀性、可行性和實用性；2.方案論證 2.1總體結構方案介紹2.1.1 方案一：如下圖所示： 圖2.1 浮動漏磁漏磁檢測儀 探頭連接部分采用浮動裝置27，其基本工作原理：在鉆桿徑向安裝浮動彈簧，在鉆桿向上或是向下運動過程中，由于鉆桿直徑的變化需要探頭位置也不斷的隨其相應的變化，徑向安放彈簧可以實

23、現(xiàn)此目的。鉆桿檢測前要先進行磁化，每個檢測探頭兩端分別設計安裝有一個永磁體，利用永磁體對鉆桿進行磁化。探頭兩端均設計安放永磁體可以保證無論鉆桿是上提還是下降都可以先磁化后檢測，實現(xiàn)漏磁檢測必須先磁化的條件。鉆桿被磁化后通過探頭的對應放傳感器的地方，利用傳感器對鉆桿情況實施有效的現(xiàn)場檢測。 2.1.2方案二：如下圖所示：圖2.2 四連桿漏磁漏磁檢測儀 此檢測儀器探頭的連接部位采用四連桿機構實現(xiàn)檢測時探頭與鉆桿平行接觸，彈簧起復位和定位作用。這種結構的工作原理是：檢測探頭的連接部分采用四連桿機構，當檢測鉆桿的桿體部分時，四連桿處于矩形狀態(tài)，如下圖上面部分所示，當檢測鉆桿的加厚端時，由于鉆桿直徑加大

24、，需要大的檢測空間，在四連桿連接鉸鏈的作用下四連桿發(fā)生相應的變形，隨即變成如圖下面部分所示的平行四邊形結構，檢測探頭隨之向外移動，檢測探頭距鉆桿中心線的距離由a增大到b，實現(xiàn)了對鉆桿大徑區(qū)的有效檢測。連桿桿體部分所連接的彈簧可以在四連桿機構發(fā)生變形時利用彈簧的特性實現(xiàn)對探頭的定位和復位作用。 圖2.3 四連桿機構2.2兩種方案比較 方案一與方案二最大區(qū)別就是檢測探頭的連接裝置。兩種方案都能實現(xiàn)探頭在鉆桿加厚區(qū)與桿體之間的順利過渡，并實現(xiàn)有效的檢測。但方案二中彈簧布置在軸向，探頭在變徑區(qū)移動時促使四連桿發(fā)生形變，彈簧連接部位雖然會隨連桿轉動而改變方向，但由于彈簧軸向與垂直方向會存在一定的夾角，容

25、易造成彈簧的扭彎變形，影響探頭回彈準確性和及時性并且影響彈簧的使用壽命。而方案二中彈簧布置在徑向，既可保證探頭及時準確回彈又不會存在彈簧的扭彎變形情況。綜上所述，方案一是最佳方案。2.3重要裝置設計方案簡介2.3.1 探頭：結構形式如圖1所示：圖2.4 檢測探頭檢測探頭分殼體和內(nèi)部結構，外殼結構如圖所示，里面留有安裝永磁體和傳感器的腔，并有螺釘孔。下面壓板由螺釘連接，實現(xiàn)探頭結構的完整性和密封性，為防止傳感器與油污或是泥漿接觸發(fā)生短路，傳感器用密封膠封死在殼體內(nèi)。探頭材料為銅合金，以防檢測過程中摩擦產(chǎn)生電火花造成危險事故發(fā)生，另外銅合金比較耐磨，提高了檢測設備的使用壽命。兩端分別倒角利于檢測探

26、頭在鉆桿上自由順利過渡檢測。2.3.2 連接部分：結構如圖2所示： 圖2.5 浮動連接裝置此連接裝置工作原理28如下：檢測探頭與連桿用鉸鏈連接，實現(xiàn)探頭的自由擺動，便于在鉆桿加厚過渡區(qū)自由方便移動檢測。當檢測探頭過渡到鉆桿加厚區(qū)時，浮動彈簧被壓縮，帶動探頭下移，實現(xiàn)對鉆桿大徑的順利檢測。浮動彈簧采用壓縮彈簧以保證在整個檢測過程中探頭始終與鉆桿有效接觸，利于磁化檢測。調(diào)整彈簧可以輔助保證探頭計量平整檢測，不致偏移太大。 3.設計過程論證 本論文主要是設計鉆桿現(xiàn)場無損檢測儀器，對于這種儀器，它的主要部分就是檢測探頭和浮動連接裝置，支柱以及它們的連接安裝問題，其中浮動連接裝置中至關重要的零件就是壓縮

27、彈簧。下面著重就針對這些問題進行論述。3.1檢測探頭檢測探頭直接與鉆桿接觸29，在鉆桿高速旋轉和軸向運動中要承受摩擦和沖擊力的作用，還要受原油泥漿腐蝕，工作環(huán)境惡劣，且由于接觸易燃物體，在工作過程中避免長生電火花，所以探頭選和設計非常重要。1 選材：防腐蝕，耐磨，防止產(chǎn)生電火花，故選用銅合金：硅青銅2 設計尺寸：1) 長度： 因檢測探頭要保證兩個永磁體中心線之間的距離為:，永磁體長度為：設計邊界尺寸為： 長度設計為: 2) 寬度： 永磁體寬度為： 設計邊界尺寸為： 寬度設計為:3) 高度： 永磁體高度為： 設計邊界尺寸為： 壓板厚度為： 高度設計為： 相關形狀和尺寸如圖所示：圖3.1 檢測探頭

28、3.2彈簧設計3.2.1 具體設計彈簧選擇圓柱螺旋壓縮彈簧30，具體設計方法和步驟1) 工作時，彈簧所受最大工作載荷為600n，工作環(huán)境有腐蝕性，故選擇材料為1cr18ni9，類彈簧，許用切應力，許用彎曲應力， 彈性模量 ，切變模量 ，此種材料耐腐蝕，耐高溫，有良好的工藝性，適用于小彈簧。2) 選擇旋繞比 ，暫取 ，則根據(jù)公式 計算出曲度系數(shù) 3）根據(jù)安裝空間，初定彈簧中徑，則根據(jù)公式 計算出 4）計算彈簧絲直徑 取 5）對于壓縮彈簧，工作圈數(shù)根據(jù)公式 計算 實際工作中正常情況下 ，為保證檢測時鉆桿過度偏向一邊時的儀器的安全，這里取 彈簧內(nèi)徑 彈簧外徑 彈簧節(jié)距 彈簧自由長度因在實際安裝中，允

29、許的空間滿足不了所設計的彈簧自由高度值，也即過大，不符合實際應用要求，需重新設計。重新設計如下: 重選 則 曲度系數(shù)：彈簧絲直徑： 取 彈簧中徑： 彈簧內(nèi)徑： 彈簧外徑： 彈簧節(jié)距： 彈簧工作圈數(shù)： 取 彈簧自由長度： 取 7）驗算穩(wěn)定性：細長比 符合兩端固定彈簧的選擇標準，故不需要進行穩(wěn)定性驗算。8）疲勞強度和靜應力強度的驗算 疲勞強度驗算公式 已知： 由 可得 對于變應力作用下的普通圓柱螺旋壓縮彈簧，疲勞強度安全系數(shù)值按公式 計算， 式中：-彈簧疲勞強度的設計安全系數(shù)，當彈簧的設計計算和材料的力學性能數(shù)據(jù)精確性高時，?。?彈簧材料的脈動循環(huán)剪切疲勞極限，按變載荷作用次數(shù)n，由下表查?。槐?

30、-1 彈簧參數(shù)表 變載荷作用次數(shù)n 取 故設計合理。上面設計的彈簧僅能檢測5寸鉆桿的現(xiàn)場使用情況，對于5寸以下的鉆桿卻無能為力。為了解決這個問題，我們可以調(diào)整設計，爭取實現(xiàn)多種鉆桿尺寸的現(xiàn)場檢測。這里主要是改變浮動彈簧的工作變形量，依據(jù)上面的設計原則，重新設計如下：1）選材：1cr18ni9 2）旋繞比：取， 則 3）彈簧中徑：4）彈簧絲直徑： 取5）對于壓縮彈簧工作圈數(shù)根據(jù)公式 計算，其中 在實際工作中正常情況下 這里取 則 取 6）計算彈簧內(nèi)徑，外徑，節(jié)距，自由長度：彈簧內(nèi)徑 彈簧外徑 彈簧節(jié)距 彈簧自由長度 取7）驗算穩(wěn)定性：細長比 符合兩端固定彈簧的選擇標準，故不需要進行穩(wěn)定性驗算。8

31、）疲勞強度和靜應力強度的驗算 疲勞強度驗算公式 由 可得 對于變應力作用下的普通圓柱螺旋壓縮彈簧，疲勞強度安全系數(shù)值按公式 演算 即 故彈簧設計合理。3.2.2 彈簧的有關參數(shù)如下表： 表3-2 彈簧參數(shù)表參數(shù)名稱及代號計算公式結果中徑30mm內(nèi)徑25mm外徑35mm旋繞比 6長細比 3.67自由長度 110mm工作長度 30.15mm有效圈數(shù) 11.5圈總圈數(shù) 13.5圈節(jié)距 9mm軸向間距 4mm展開長度 1277.5mm螺旋角 5.458°質量 0.203kg3.3浮動連接裝置設計浮動連接裝置的示意圖如下所示：圖3.2 浮動連接機構套筒與連桿下端的導向部分為圓形截面，目的是利于

32、彈簧的自由伸縮。而連桿上端的桿體部分則設計成方形，其目的是防止檢測探頭在檢測過程中發(fā)生轉動，彈簧設計在前面已經(jīng)敘述過了。下面著重討論一下其他部分和其工作原理。1） 導向連桿31如圖所示：連桿下端連接浮動彈簧，上端連接檢測探頭，彈簧和連桿導向部分外端有套筒起固定導向和防油污作用；連桿下端設計還利于對彈簧的定位；連桿桿體部分采用方形結構，既實現(xiàn)軸向作用，又可防止探頭在檢測過程中發(fā)生轉動；連桿導向部分和套筒內(nèi)壁也采用小間隙配合，既起導向作用又可防止連桿在套筒內(nèi)發(fā)生大的偏轉帶動檢測探頭的偏轉而影響彈簧最佳工作狀態(tài)（軸向運動）的保證，影響檢測探頭的徑向檢測，最終影響檢測結果的準確性。由于檢測儀器工作環(huán)境

33、的特殊性，既腐蝕又易燃，鑒于連桿的工作情況，選擇硅青銅，既耐磨有可防止產(chǎn)生電火花。2） 浮動彈簧前面有詳細的計算說明，彈簧為圓柱螺旋彈簧，頂端磨平，與導向連桿接觸端直接套在連桿下端的部分，也起一定的導向和定位作用。3） 套筒套筒選材也要耐磨并防止產(chǎn)生電火花，故此處選用黃銅。對套筒有個很特殊的要求就是內(nèi)壁一定要光滑達到要求的粗糙度，因為套筒內(nèi)壁直接與連桿的導向部分接觸，連桿要帶動探頭順利移動，就要求摩擦力盡量減小，內(nèi)壁盡量光滑。4）套筒蓋套筒蓋設計為長方形，因為儀器要承受150n的作用壓力就需要在內(nèi)部布置支柱。由于檢測儀器內(nèi)部空間有限，如果套筒蓋也隨套筒設計成圓形或是方形，影響支柱的安放空間。5

34、）墊板 因為檢測儀器為圓柱形，內(nèi)壁的圓弧結構不利于浮動連接裝置與儀器內(nèi)壁的連接，所以設計一種特殊的墊板起過渡作用，以方便連接裝置與儀器的連接。 墊板的結構如圖所示，它與儀器內(nèi)壁采用焊接方式連接。圖3.3 墊板3.4支柱設計3.4.1 鉆桿有關參數(shù)如下32： 1） 桿體參數(shù)表3-3 桿體參數(shù)外徑 mm名義質量kg/m 平端質量 kg壁厚mm鋼級加厚端型式127 38.1 35.79 12.70ei，e，u2）加厚端尺寸表3-4 加厚端尺寸外徑 mm內(nèi)徑 mm最小長度 mm最大長度 mm鋼級 149.2 96.9 76.2 139.7 x，g，s3.4.2 鉆桿重量計算： 本設計應用于4000米以

35、下鉆桿現(xiàn)場檢測，4000米鉆桿質量近似計算如下：則鉆桿總重量為：3.4.3 支柱設計： 選材：支柱起一般的支撐作用，選用q235； 類型：圓鋼； 壓力：由于儀器殼體不承重，鉆桿重量全部由支柱支撐，則 ； 根數(shù)：初定8根； 每根承重：； q235的許用壓應力： 設計計算： 由公式直接求出支柱必需的橫截面尺寸：即 校核計算：按公式進行校核， 設計計算合理。3.4.4 直徑計算圓鋼直徑：由 得這里取3.4.5 校驗合理性如圖所示 支柱分布情況：圖3.4 支柱1顯見，支柱分布受空間限制，故需進行校核，看設計是否合理。錯誤！未找到引用源。 如果將支柱安放在距檢測最大外徑處相距處，則支柱中心所在圓的一些

36、參數(shù)如下：直徑為：周長為：探頭所占長度為：支柱可占長度為：每根支柱可占長度為：顯見：，即實際空間不夠放下設計尺寸的支柱，需要重新設計。錯誤！未找到引用源。 如果將支柱安放在距檢測最大外徑處相距處，則支柱中心所在圓的一些 參數(shù)如下： 直徑為：周長為：探頭所占長度為：支柱可占長度為：每根支柱可占長度為： 顯見：，即實際空間不夠放下設計尺寸的支柱，而且可以看出鉆桿安放空間靠位置外移是不行的，必須改變設計策略，這里重新設計每個位置安放兩根支柱，即支柱數(shù)量為，放置情況如圖所示：圖3.5 支柱2則：每根承重：； q235的許用壓應力： 設計計算： 由公式直接求出支柱必需的橫截面尺寸：即 校核計算：按公式進

37、行校核， 設計計算合理。 圓鋼直徑：由 得 可以看出即便支柱安放在上面第錯誤！未找到引用源。 種情況，即放在距最大檢測外徑處，也滿足不了安放空間，故這里計每處安放3根支柱，即放置情況如圖所示：圖3.6 支柱3則：每根承重：； q235的許用壓應力： 設計計算： 由公式直接求出支柱必需的橫截面尺寸：即 校核計算： 設計計算合理。 圓鋼直徑：由 得顯見， 故可滿足安裝和正常工作要求。設計合理。3.4.6 支柱設計具體數(shù)據(jù)如下： 共24根，分8組安裝，每組3根均布； 每根截面直徑為：31mm： 每根長度為：234mm3.5連接零件選擇333.5.1 螺栓： 1）殼體連接螺栓： 因這部分螺栓僅起一般的

38、連接作用，基本不受什么力的作用，故選用普通的連接螺栓即可。在被連接件上開有通孔，插入螺栓后在螺栓的另一端擰上螺母。這種連接的結構特點是被連接件上的通孔和螺栓桿間留有間隙，通孔的加工精度要求低，結構簡單，裝拆方便，使用時不受被連接件材料的限制，因此采用極廣。2）連接套筒用連接螺栓： 因套筒設計原因，為方便制造，上端采用蓋體與下端的連接，如圖代替通體制造的圖 ，圖3.7 套筒連接螺栓3.5.2 螺釘 1）探頭壓板與探頭連接用螺釘：圖3.8 探頭固定螺釘如圖所示，這種連接的特點是螺釘直接擰入被連接件的螺紋孔中，不用螺母，在結構上比雙頭螺柱連接簡單，緊湊。其用途和雙頭螺柱連接相似，適用于結構上不能用螺

39、栓連接的場合，但如經(jīng)常拆裝時，宜使螺紋孔磨損，可能導致被連接件報廢，故多用于受力不大，或不需要經(jīng)常拆裝的場合。此處選擇比較合理。2）探頭套筒與檢測儀器內(nèi)壁連接用螺釘：圖3.9 套筒固定螺釘3.6安裝問題3.6.1 檢測探頭裝置的安裝問題：1） 傳感器的安裝： 傳感器安裝在設計的腔內(nèi)，用密封膠封死，防止傳感器與原油或泥漿接觸造成短路。這個環(huán)節(jié)至關重要，整個檢測儀器就靠傳感器檢測通過轉換輸出設備向外輸出數(shù)據(jù)，顯示結果，達到檢測的目的。2） 永磁體的安裝： 兩個永磁體對稱安裝在為它們設計的腔內(nèi)，為便于安裝，永磁體與探頭 外殼之間采用是小間隙配合。3） 壓板與檢測探頭之間的安裝： 壓板與檢測探頭之間用

40、螺釘連接，采用型4） 壓板與導向連桿之間的安裝： 壓板與導向連桿之間用兩個連接螺釘連接，選用型3.6.2 浮動連接裝置的安裝問題：1） 浮動彈簧的安裝： 浮動彈簧兩頭磨平，與導向連桿和墊板之間均采用焊接方式連接。浮動彈簧于導向連桿之間有較小的安裝空間，彈簧套在專門設計的導向連桿尾部的部分。2） 導向連桿的安裝： 導向連桿上端與檢測探頭壓板之間用連接螺釘連接，中間導向部分與套筒內(nèi)壁采用小間隙配合安裝，下端與彈簧之間是設計有安裝空間。3） 套筒蓋的安裝： 套筒蓋與套筒之間用的連接螺釘連接，套筒蓋與導向連桿桿體部分采用小間隙配合安裝，既起導向作用有可防止連桿的晃動。4） 套筒的安裝： 套筒與墊板之間

41、用的緊固螺釘連接，套筒內(nèi)壁和彈簧之間是有間隙的安裝。5） 墊板的安裝： 墊板和儀器外殼之間用焊接方式連接，墊板與套筒之間用螺釘連接。6） 套筒支撐的安裝：3.6.3 支撐裝置的安裝問題34：1） 支柱的安裝：支柱與固定板之間采用焊接方式連接安裝。2） 固定板的安裝： 固定板與檢測儀器頂板和底板之間采用焊接方式連接，固定板和支柱之 間也的采用焊接方式連接。3.6.4 其他安裝問題1） 儀器頂板與儀器外殼之間的安裝： 儀器頂板與儀器外殼之間用的螺栓配合螺母連接安裝。2） 儀器底板與儀器外殼之間的安裝： 儀器底板與儀器外殼之間用的螺栓配合螺母連接安裝。3） 儀器與防噴器之間的安裝：儀器與防噴器之間靠

42、螺栓和螺母連接，儀器底板設計有長的連接空間，利于檢測儀器與其他部件的配合安裝。4.結果分析 通過上面的設計計算及校核計算，不難看出此檢測儀器的設計是合理的，使用性也比較強，可以滿足鉆桿現(xiàn)場檢測使用要求。5.結論或總結從漏磁檢測實驗，證明該方法能方便地用于石油鉆桿的檢測，并且，該方法具有結構簡單、信號處理方便、檢測能力強、靈敏度高等優(yōu)點，特別是具有定位性、客觀性和可記錄性，不僅適用于石油鉆桿的檢測，還適用于粗糙表面的管材、鋼棒等，同時，對漏磁檢測設備、檢測探頭和磁化工藝有較高要求，需要進一步研究提高，以更好體現(xiàn)漏磁檢測技術具有的高靈敏度和優(yōu)良準確率的優(yōu)越性。參考文獻1 c. edwards an

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44、s key to ensuring safe pipelines, 87 (8) oil and gas journals4 c. edwards and s. b. palaer, the p rod magnetization method of magnetic particle inspect ion, 25, p 305 british ndt 19835 沈功田 中國無損檢測進展 ndt 無損檢測 中國 世界 2005 (2)6 劉志平，康宜華，武新軍等 儲罐底板漏磁檢測傳感器設計 無損檢測 2004 26 (12) : 6126157 李路明，黃松齡，李振星等 鑄鐵件的漏磁檢測方

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46、與處理系統(tǒng)的設計 計算機測量與控制2004 12 (2) :12012114 陳亮，闕沛文，黃作英等 一種新型磁阻式傳感器在漏磁檢測中的應用 傳感器技術 2004 .23 15 徐章遂，靳英衛(wèi)，張政保等 基于磁檢測的螺栓孔裂紋定量檢測方法 無損檢測 2001 (6) : 237239第 1 頁 ( 共 28 頁 )致謝致謝本設計的整個過程中，指導老師楊教授給我進行了耐心的指導。對于我遇到的問題，揚教授都進行了詳細準確的解答，我遇到的其它困難他也盡力幫我解決。在這里我特別要向他表示感謝，沒有他無私的幫助和親切的關懷，我的設計工作不能順利進行。再一次向他表示我的敬意！09/20 11:46 102

47、機體齒飛面孔雙臥多軸組合機床及cad設計09/08 20:02 3kn微型裝載機設計09/20 15:09 45t旋挖鉆機變幅機構液壓缸設計08/30 15:32 5噸卷揚機設計10/30 17:12 c620軸撥桿的工藝規(guī)程及鉆2-16孔的鉆床夾具設計09/21 13:39 ca6140車床撥叉零件的機械加工工藝規(guī)程及夾具設計83100308/30 15:37 cpu風扇后蓋的注塑模具設計09/20 16:19 gdc956160工業(yè)對輥成型機設計08/30 15:45 ls型螺旋輸送機的設計10/07 23:43 ls型螺旋輸送機設計09/20 16:23 p-90b型耙斗式裝載機設計09

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