ZJ50D鉆機鉆桿自動傳送系統(tǒng)的研究

1、 二.研究目標(biāo)、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。 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

2、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。 1 2 3 4 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

3、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。1. 研究目標(biāo):研制出適應(yīng)于ZJ50D鉆機鉆桿傳送系統(tǒng)方案 設(shè)計方案：a) 鉆管、鉆鋌、套管等管材首先由運輸車運送到管架；b) 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；c) 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)；d) 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）；e) 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。 地面系統(tǒng)

4、結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如下： 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。 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。 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)簡圖平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如下： 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

5、，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(yán)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。 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

6、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。 平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如下： 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

7、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):45-49平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如下： 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

8、 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: 25252424242424212121232322222221211818171616151514141312111020202020202020202020202020191919 1919191919191919191919998888817776454333321a) 托盤鉸鏈承載；b) 桅桿上下機械手傳送鉆桿的可靠性；c) 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根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，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

9、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。 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： 否 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 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

10、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。 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

11、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(zhǔn)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). 2011.92011.10 查閱文獻搜集資料2). 2011.102011.11 調(diào)查研究 3). 2011.112011.12 開題報告撰寫開題報告4). 2012.12012.8 相關(guān)理論和軟件的學(xué)習(xí)5). 2012.92012.11 理論知識的進一步夯實6). 2012.112013.3 撰寫畢業(yè)論文 7). 2013.42013.5 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