石油钻杆移运系统中钻杆运移小车的设计.pdf

石 油钻 杆 移 运 系统 中钻 杆 运 移 小车 的设 计 口余焱群 口牛文杰 口闰成新 中国石油大学 华东 机电工程学院山东东 营2 5 7 0 6 1 摘要 针对石 油钻杆移运 系统 的工作状况 ， 设计 了水平移 运机 构 中的关键部件钻杆运移 小车。介 绍 了小车的结构 和工作原理 ， 并对小车关键零部件进行 了静 力学分析和计 算， 校核 了强度 。 校核结果表 明， 钻杆运移 小车结构设计合理 ， 关 键零部件 完全满足石油机械 高强度的设计要求。 关键词 钻杆移运移运小车结构设计 中图分类号 T H1 2 3 ； T E 9 3 4 ． 2 文献标 识码 A 文章 编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 1 0 9 0 0 3 0 0 3 在 石 油 钻 井 过 程 中 ， 钻 杆 需 要 从 堆 移 运 到 钻 井 平 台 。 目前 移 运 主 要 以 人 工 操 作 为 主 ， 生 产 效 率 低 ， 工 人 劳 动 强 度 大 『 1-- 2 ] 。本 课 题 组 设 计 了 一 种 石 油 钻 杆 移 运 装 置 ， 依 据 行 程 开 关 定 位 。 通 过 一 系 列 的 液 压 动 作 ， 可 实 现 钻 杆 上 下 钻 井 平 台 、 移 运 钻 杆 堆 场 过 程 自动 化 ， 极 大 地 减 轻 了 井 场 工 人 劳 动 强 度 ， 提 高 了 生 产 效 率 。 使 用 该 钻 杆 自动 移 运 系 统 ， 可 以 使 总 钻 井 时 间 减 少 2 5 ％ ， 钻 井 成 本 减 少3 0 ％【 3 】 。 在 钻 杆 移 运 系 统 设 计 过 程 中 ， 钻 杆 从 堆 场 移 近 钻 井 平 台 是 后 续 钻 杆 移 运 的 基 础 ．在 此 过 程 中 钻 杆 运 移 小 车 是 关 键 部 件 。 本 文 基 于 力 学 分 析 对 钻 杆 运 移 小 车 的 关 键 零 部 件 进 行 了 结 构 设 计 、 计 算 和 强 度 校 核 。 1 整体结构 钻 杆 堆 场 距 离 钻 井 平 台 约 2 0 m ， 上 钻 杆 时 首 先 需 要 将 钻 杆 移 近 钻 井 平 台 ，卸 钻 杆 时 需 要 将 钻 杆 移 离 钻 收稿 日期 2 0 1 1 年 3月 井 平 台 ， 此 过 程 由 钻 杆 运 移 小 车 来 实 现 。 钻 杆 运 移 小 乍 在 水 平 架 轨 道 上 往 复 运 行 ， 小 车 动 力 由 液 压 绞 车 提 供 ， 换 向 由 行 程 开 关 控 制 ， 整 个 过 程 实 现 自动 化 ， 小 车 工 作 示 意 如 图 1所 示 。 钻 杆 运 移 小 车 主 要 由 小 车 主 体 部 件 、 翻 转 部 件 、 扭 簧 、 扭 簧轴 、 小 车 轴 、 小 车轮 子 等组 成 ， 具 体 结构 如 图 2 所 示 。 2主要零部件设计计算 2 ． 1 小 车 轴 设 计 计 算 2 ． 1 ． 1 小 车 轴 结 构 及 受 力 小 车 轴 由轴 颈 压 盖 安 装 在 小 车 主 体 部 件 上 ，通 过 轴 承 与 小 车 轮 子 相 连 。 具 体 安 装 结 构 如 图 3所 示 。 [ 2 ] 陈轶杰 ， 顾 亮 ， 杨 占华 ， 等． 减振器 节流 阀片大挠 曲变形解 析计算 [ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 0 8 1 0 9 0 9 2 ． f 3 1 P S E l s ，B Gr o b b e l a a r Hr e t ．T r a n s f e r E f f e c t s o n Hy d r o p n ． e u m a t i c S u s p e n s i o n S y s t e m [ J ] ． J o u rna l o f T e r r a me c h a n i c s ， 1 9 9 9 1 0 1 9 7 - 2 0 5 ． [ 4 ] L i p i n s k i ， W． T r a n s i e n t R a d i a t i v e H e a t T r a n s f e r w i t h i n a S u s p 一 2 0 1 1 ／ 9 e n s i o n o f C o a l P a r t i c l e s U n d e r g o i n g S t e a m G a s i fi c a t i o n [ J ] ． H e a t a n d Ma s s T r a n s f e r ， 2 0 0 5 9 1 2 1 - 3 2 ． [ 5 ] 庄德军， 柳江， 喻凡， 等． 汽车油气弹簧非线性数学模型及特 性 [ J ] ． 上海交通大学学报 ， 2 0 0 5 ， 3 9 1 1 4 4 1 1 4 4 4 ． 、 编 辑 丁 罡 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 小 车 轴 具 体 结 构 如 图 4所 示 。 小 车 轴 受 力 主 要 有 钻 杆 移 运 小 车 自身 重 力 ， 卸钴 杆 时 单 根 钻 杆 重 力 最 大 受 力 工 况 以及 轴 承 产 生 的 扭 矩 可 以 忽 略 不 计 。 具 体 受 力 如 图 5所 示 。 F 车G ／ 41 45 ． 5 5 N F 钻杆G 钻杆 ／ 48 0 8． 5 N F车、 F钻 杆 分 别 为 小 车 和 单 根 钻 杆 对 小 车 轴 的 作 用 力 ， N； G 车、 G钻 杆分 别 为 小 车 和 单 根 钻 杆 的 重 力 ， N。 2 ． 1 ． 2小 车 轴 强 度 校 核 依 据 图 4小 车 轴 结 构 和 图 5小 车 轴 受 力 可 知 ， 小 车 轴 受 力 危 险 截 面 在 4 , 3 0段 轴 颈 处 。 轴 材 料 选 用 4 5 钢 调 质 处 理 ， 抗 拉 强 度 6 5 0 MP a， 屈 服 极 限 o s 3 6 0 MP a 。 对 称 循 环 疲 劳 极 限 一1 b O． 4 4 0 “ B 28 6 MPa 一1 0． 3 B 1 9 5 M Pa 脉 动 循 环 疲 劳 极 限 盯 仃 一 x 486 M Pa 7 庐 1 ． 6 l 31 2 M Pa 其 中 、 O r 0 b 分 别 为 对 称 循 环 和 脉 动 循 环 应 力 状 态 下 的 弯 曲 应 力 ， MP a； r T O 分 别 为 对 称 循 环 和 脉 动 循 环 应 力 状 态 下 的 切 应 力 ， MP a 。 等 效 系 数 o 2 l b - e r o D／ o O ． 1 8 ffr 2 r _ 1 - z o ／ v 0 ． 2 5 弯 矩 危 险 截 面 处 机械制造4 9 卷 第5 6 5 期 F车 F钻 杆 x 6 5 71 8 ． 3 N mm 弯 曲 应 力 幅 a m r_ 2 ．1 2 M P a 扭 转 切 应 力 r 0 6 6 MP a 其 中 0 r m为 平 均 弯 曲 应 力 ， MP a ； 为 平 均 切 应 力 ， MP a ； W I V T分 别 为 小 车 轴 的 抗 弯 截 面 系 数 和 抗 扭 截 面 系 数 ， mm 。 扭 转 切 应 力 幅 和 平 均 切 应 力 E r m 0 ． 3 3 MP a 采 用 安 全 系 数 法 校 核 小 车 轴 强 度 弯 曲 安 全 系 数 S o - - _ L 6 2 ． 7 7 。 m 届 ⋯～ ～ 扭 转 安 全 系 数 5 下 1一 2 9 4 ． 2 8 妒 f “ 复合安全系数 ．s 粤兽 6 1 ． 3 9 s s 其 中 为 弯 应 力 状 态 的 断 面 收 缩 率 ； 为 切 应 力 状 态 的 断 面 收 缩 率 ； 小 车 轴 设 计 按 无 限 寿 命 计 ， k --1 。 查 表 可 得 有 效 应 力 集 中 系 数 口 1 ． 74 T 1 ． 31 表 面 状 态 系 数 0 ． 9 2 R 1 ． 6 ， B 6 5 0 MP a 尺 寸 系 数 占 o 0 ． 8 8 占 T 0 ． 8 1 通 过 上 述 强 度 校 核 ，可 见 钻 杆 运 移 小 车 的 小 车 轴 安 全 系 数 高 ， 有 较 大 的 强 度 余 量 ， 完 全 满 足 石 油 机 械 零 部 件 高 强 度 的 设 计 要 求 。 2 ． 2扭 簧 设 计 计 算 ． 为 了保 证 扭 簧 扭 转 变 形 角 时 的 扭 矩 ，扭 转 弹 簧 的 工 作 变 形 角 1 、 应 在 试 验 变 形 角 s 的 2 0 ％ ～ 8 0 ％之 间 ，或 工 作 扭 矩 、 在 试 验 扭 矩 的 2 0 ％ 一 8 0 ％之 间 。扭 转 弹 簧 的 结 构 和 载 荷 如 图 6所 示 。 图 中 d为 扭 簧 簧 丝 直 径 ， mm； D、 D。 、 D2 分 别 为 弹 簧 的 中 径 、 内 径 、 外 径 ， mm ； 为 试 验 扭 矩 ， N mm； p。 、 2、 s分 别 为 在 、 、 作 用 下 的 变 形 角 ； P 为 扭 簧 节 距 ， mm。 2 ． 2 ． 1扭 簧 受 力 分 析 小 车 上 扭 簧 需 要 保 证 钻 杆 在 V 型 槽 中 移 运 时 不 扭 转 ， 而 到 达 目的 地 后 在 卸 杆 机 构 的 推 动 下 扭 转 。 扭 簧 2 0 1 1 ／ 9 国 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m F 摩擦刊 5 92 3 N 作 用 在 接 箍 卡 板 上 的 扭 转 力 为 FF 辈擦G 钻杆 c o s 8 9。 6 48 ． 9 N 运 行 时 需 要 扭 簧 扭 矩 为 ⅣFL94． 1 N IT I 其 中 三为 扭 转 力 作 用 力 臂 ， m。 扭 簧 设 计 扭 矩 为 安 全 系 数 3 N 设计3 N2 8 2． 3 N m 2 - 2 - 2扭 簧 设 计 小 车 翻 转 部 件 旋 转 角 度 为 1 0 0 。 ， 相 应 的 扭 簧 工 作 变 形 角 也 为 i 0 0 。 ， 设 计 工 作 扭 矩 为 2 8 2 ． 3 N m 设 计 扭 簧 结 构 性 能 尺 寸 如 表 1 。 表 l 设计扭簧 结构 尺寸表 2 ． 2 ． 3扭 簧 校 核 受 循 环 载 荷 作 用 的 扭 转 弹 簧 ．需 校 核 其 疲 劳 强 度 。 通 过 计 算 ，扭 簧 试 验 许 用 弯 曲 应 力 最 大 值Ors 9 7 6 MPa． 试验扭矩T s 2 0． 69 7 N m ．试 验 变 形 角c．p 2 6 6 ． 4 4 。 最 小 弯 曲 应 力 o r 1 ． 4 3 MP a 。 最 大 弯 曲应 力 orm 4 0 4 ． 3 8 MP a 。 由 D 、 一 和 c r b 的 比值 从 图 9中查 取 疲 劳 寿 命 。 切 应 力 特 性 系 数 T O ． 0 0 4；最 大 弯 曲 应 力 ／ 抗 拉 强 度 一 0 ． 3 3。 由 图 9可 知 ， 所 设 计 的 扭 簧 疲 劳 强 度 满 足 设 计 要 求 。 2 0 1 1 ／ 9 3 结论 钻 杆 自动 移 运 系 统 的 研 究 ． 对 于 减 轻 现 场 l I 人 的 劳 动 强 度 与 提 高 安 全 性 有 重 要 意 义 。 本 文 对 移 运 系 统 的 钻 杆 运 移 小 车 进 行 了 结 构 设 计 ，并 对 关 键 零 部 件 进 行 了 受 力 分 析 和 强 度 校 核 。 分 析 结 果 表 明 小 车 结 构 设 计 合 理 ． 主 要 零 部 件 安 全 系 数 高 ． 完 全 满 足 现 场 恶 劣 lT 况 的 使 用 要 求 。 参 考 文 献 [ 1 ] 闫成新． 石 油钻杆运移机构起升臂设计及优化 [ J 』 ． 重型机 械 ． 2 0 0 9 5 5 5 5 7 ． [ 2 ] 尹 晓丽 ，牛 文杰 ，张 中慧． 钻杆 自动传送系统及设 计方案 [ J ] ． 石油矿场机械， 2 0 0 9 7 4 2 4 6 ． [ 3 ] 闫成新． 石 油钻杆提升装置承重轮总成设计 [ J ] ． 润滑与密 封 ， 2 0 1 0 ， 3 5 5 7 4 7 7 ． [ 4 ] 成 大先． 机械 设计手册 第 二卷 [ M] ． 北 京 化学丁业 出版 社 ， 2 0 0 8 ． 编 辑 丁 罡 本厂专业加工曩旋钮臻 轮，n- f Y g l 户提供免费设计、 测绘服务。 欢迎来图来样洽谈。 厂址浙江省金华市仙源路8 5 5 号 浙中模具城D 区5 幢 邮编3 2 1 0 0 0 电话 ‘ 0 5 7 9 ． 8 2 3 8 3 8 7 0 传真0 5 7 9 - 8 2 3 8 6 9 3 0 手机1 3 0 0 2 6 5 8 6 6 2 机械制造 4 9卷 第 5 6 5期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m