（机械设计及理论专业论文）tzg216110型铁钻工的机构研究.pdf

摘要 在石油开采钻、修井过程中，采用传统的生产方式和使用笨重的液压动力大钳操作 不便，并存在许多的安全隐患，影响工作效率的提高。在自动化钻井生产中，铁钻工是 目前最先进的扭矩旋扣设备，可完成钻杆、套管等钻具的旋扣连接工作，提高了生产的 效率和安全性，是现代化钻井中重要的自动化设备之一。为了提高钻、修井生产安全性 和工作效率，实现自动化监控生产，为钻井平台无人化生产打下基础，设计出了参数优 化、应用广泛的t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工，并对铁钻工的设计方案进行研究。 本文通过对目前国际市场常见类型铁钻工产品的对比分析，对铁钻工的结构、工作 原理、技术参数进行说明。同时结合我国生产状况，通过对国内液压大钳和国外铁钻工 产品的工作原理、性能参数、设计方案的对比分析，探讨t z g 2 1 6 一1 1 0 型铁钻工的设计 方案。通过对铁钻工的静力学和动力学分析，确定具体的结构形式，对铁钻工的主要部 件进行了设计及计算。结构设计的主要部分包括支撑部分、铰接臂部分和钳体部分的设 计。 通过动力学分析，建立了铁钻工的数学模型。用三维工程设计软件p r o e n 舀n e c r 对 铁钻工进行虚拟设计，包括零部件的3 d 建模、虚拟装配及模型的输出等。同时使用 w b r l ( b e n c h 软件对关键件进行安全性和可行性分析。 另外，本文阐述了铁钻工产品的现状，并对铁钻工的发展方向做出展望。针对目前 国内石油生产情况和石油设备现状，讨论铁钻工国产化的发展方向。 关键词：铁钻工；动力大钳；机构研究；自动化钻井；仿真 a b s t r a c t d u r i n gt 1 1 ep r o c e s so fd r i l l i n ga 1 1 dw o r k o v e ri no i lp r o d u c t i o n ，m e r ea r es o m eo p e r a t i o n a l i n c o n v 枷朗c e s 肌d1 1 i d d e l ld a n g e 瑙b yu s m gt r a d i t i o n a lp r o d u c t i o nm c 廿l o d sa i l d h e a v y h y d r a u l i cp o w e rt o n g s ，a n dt h e s ef a c t o r si n f l u e n c et h ei m p r o v e m e n to fe 伍c i e n c y d u d n gt l l e p r o c e s so fm ea u t o m a t i cd m l i n g ，i r o nr o u g l l l l e c ki s t l l em o s td e v e l o p m e n te q u i p m e n to fp i p e h a n d l i n go p e r a t i o na i l do n eo fm em o s ti m p o r t a l l ta u t o m a t i ce q u i p m e n tw h i c hc 锄c o m p l e t e c o 衄e c t i o no fm ep i p e ，c a s i n ga l l do t l l e re q u i p m e n t 锄di m p r o v et h es a f ；啊a n de 伍c i 饥c yi n o i lp r o d u c t i o n t h eb e t t e rp a r a m e t e ra n dm o r ew i d e l yu s e di r o nr o u g h l l e c kt z g 2 l6 1 1ow 硒 d e v e l 叩e dt oi m p r o v et h ep r o d u c t i o ns a f e t ya n de 伍c i e n c y ，a c h i e v et h ea u t o m a t i cp r o d u c t i o n 眦dm a k em ef o u i l d a t i o nf o rn o b o d yp r o d u “o no n “l l i n gp l a t f o m ，a 1 1 di n v e s t i g a t i o no f d e s i 朗s c h e n l eo f i r o nr o u g h n e c kt z g 2 1 6 1 1 0 b a s e do nm ec o m m o n p r o d u c t i o n 仔o mo t h e rc o u n t r i e s ，t h i st h e s i sc o n s t m e st h ed i f f i e r e l l t 帅eo fi r o nr o u g h n e c ka i l de x p l a i n st h es t r u e n j r e ，p r i n c i p l ea 1 1 dp a r a m e t e r so fi r o nr o u g l u l e c k b a s e do nm ep r o d u c t i o ni no u rc o u n t 吼t m sm e s i s c o n 仃a s t i v e l ya j l a l y s e st h ew o r k i n g 州n c i p l e ，p e r f o m l a l l c ep 觚衄e t e ra n dd e s i 印s c h 锄eo ft l l ep o w e rt o n g si no u rc o u n t 叮a i l d t h ed i f r e r e n tp r o j e c t so fi r o nr o u g i l e c k 丘o mo t h e rc o u n t r i e sa i l dd i s c u s st h ed e s i g ns c h 锄eo f i r o nr o u g h n e c kt z g 2l6 - llo t i l em a j o rp a n so fs 劬c t i 鹏d e s i 舯i n c l u d et h ed e s i 弘o f s u p p o r td e v i c e ，a r t i c u l a t e da 肌a n dt o n g s a c c o r d i n gt ot h es t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i so fm ei r o nr o u g h n e c k ，t h i st h e s i sp e r f o m s t h es p e c i f i cs t n j c t u r eo fi r o nr o u g i l l l e c k t 1 1 i st h e s i sa l s od e s i g n sa n dc a l c u l a t e sm e m a j o rp a r t s o fm ei r o nr o u g h i l e c k t h ep a r 锄e t e rm o d e lo ft h ei r o nr o u g h n e c kw a se s t a b l i s h e db yt h e c a l c u l a t i o no ft h ei l y n a m i ca n a l y s i s nc o v e r sw i mv i r t u a ld e s i g nf o ri r o nr o u g l u l e c kb y u s i n g 3 d ( t h r e e d i m e n s i o n ) s o f 时a r ep r o e n g i n e e ri 1 1 c l u ( 1 i n gi t s3 dm o d e la n dv i r t u a la s s e m b l y t h e l l ，i tc o n f i 肌st h es a f e t ya i l df e a s i b i l 时t ot 1 1 em a j o rc o m p o n e n t sa n dp a r t sb yw o r k b e n c h t i l i st 1 1 e s i sa l s oe x p a t i a t e st l l es i t u a t i o na i l df o r e c a s to fi r o nr o u g h n e c k a c c o r d i n gt om e o i lp r o d u c t i o na l l dt l l ee q u i p m e n ti no u rc o u n t t h i st h e s i sd i s c u s s e sm ed e v e l o p m e n t 慨d o ft l l eh o m e m a d ei r o nr o u g h i l e c k 1 ( e y w o r d s ：i r o nr o u g h l l e c k ；p o w e rt o n g s ；s 缸1 j c t u r er e s e a r c h ；a u t o m a t i c 拍1 1 i n g ；s i r n u l a t i o n i i 插图索引 图2 1 手臂式铁钻工8 图2 2 小型落地式铁钻工8 图2 3 大型落地式铁钻工9 图2 4z q 2 0 3 7 5 x 型钻杆钳1 2 图2 5 便携式铁钻工1 2 图3 1 手臂式铁钻工结构简图1 5 图3 2 旋扣钳机构1 7 图3 3 旋扣钳简图1 8 图3 4 旋扣钳夹持角度1 9 图3 55 英寸钻杆夹紧臂受力分析1 9 图3 69 英寸钻杆夹紧臂受力分析2 0 图3 7 冲扣钳夹紧机构2 1 图3 8 连接强度与上扣扭矩关系2 3 图3 9 冲扣钳v 型块的受力分析2 4 图3 1 0 冲扣钳机构简图2 5 图3 1 1 夹紧钳机构简图2 7 图3 1 2 铰接臂机构简图2 8 图3 1 3 手臂关节内部说明2 9 图3 1 4 关节极限位置结构3 0 图3 1 5 手臂受力分析3 0 图4 1 铁钻工运动形式3 7 图4 2 铰接臂机构化简图4 5 图5 1 铁钻工本体虚拟图样5 4 图5 2 支撑装置虚拟图样5 4 图5 3 旋扣装置虚拟图样5 5 图5 4 夹紧装置虚拟图样5 5 图5 5 推力杆受力图5 7 图5 6 推力杆应力图5 7 图5 7 推力杆应变图5 7 图5 8 推力杆受力变形图5 8 图5 9 推力杆改进图5 8 图5 1 0 推力杆改进后变形图5 8 i i i 图5 1 1 夹紧钳顶板应力图5 9 图5 1 2 夹紧钳顶板应变图5 9 图5 1 3 夹紧钳顶板受力变形图6 0 图5 1 4 铰接臂下支架受力图：6 0 图5 1 5 铰接臂下支架应力图6 l 图5 1 6 铰接臂下支架应变图6 l 图5 1 7 铰接臂下支架受力变形图6 1 i v 附表索引 表2 1国内某型号大钳和国外铁钻工产品数据对比6 表2 2 常见铁钻工产品技术参数1 0 表2 3 普通液压大钳主要参数l l 表3 1 常规钻杆数据表2 1 表3 2 套管基本数据表2 2 表3 3 扭矩与连接强度关系表2 3 表4 1 铁钻工各关节转动范围3 8 表4 2 铰接臂运动分析结果3 8 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名：孑昊 日期立彩年夕月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：于是l 导师签名：彩防 日期0 t 萝年f 月乡日 日期：2 诉多月岁日 硕 j 学位论文 1 1 扭矩旋扣设备简介 第1 章绪论 伴随着工业自动化的发展，石油设备的自动化程度也在不断提高，工业机器 人作为现代化生产的重要自动化设备也在逐步引入到石油生产中去。传统的石油 钻采过程中，存在很多的人力辅助设备，而野外艰苦的工作环境和繁重的钻采设 备，给石油生产带来了很多的不便之处。 随着石油勘探开发力度的不断加大，石油钻井设备的自动化、智能化程度也 在不断提高，钻具的扭矩旋扣设备也在不断的升级换代，从手动吊钳、液气混合 动力大钳发展到现在最先进的铁钻工，从简单的手动设备发展到了现代化的工业 机器人。综合来看，铁钻工能够能取代人力在野外环境工作，是能够实现自动控 制、可重复编程的自动化生产设备，属于工业机器人范畴。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、 仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。 工业机器人的应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。 工业机器人由操作机( 机械本体) 、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构 成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机 电一体化自动化生产设备，特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定提 高产品质量和生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作 用。 工业机器人自从6 0 年代初问世以来，经过了4 0 多年的发展，巳广泛应用于 各个工业领域，成为制造业生产自动化中主要的机电一体化设备。在制造业中采 用机器人，可以提高劳动生产率、保证产品质量、缩短生产准备周期和改善劳动 条件。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器 特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力， 又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它 也是机器进化过程的产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也 是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备【l 】。 在常规的石油钻井过程中，钻井平台上方往来的重型设备繁多，且多数需要 人力辅助，对工人体力要求很高，又存在一定的安全隐患。目前国内使用的扭矩 旋扣设备主要为动力大钳，经过多年的研发和应用实践，已经具有成熟的技术和 良好的性能。但是高度的往复操作对工人体力和耐力都是很大的考验，上、卸钻 具过程中井口又会伴随大量的泥浆喷出，存在一定的污染及安全问题，工作环境 硕上学位论文 恶劣，而铁钻工的出现能够很好的解决这方面问题。 铁钻工的研究、开发、应用涉及到许多学科，属于工业机器人的开发研究范 畴。机器人技术是一门跨学科的综合性技术，其中多刚体动力学、机构学、机械 设计、传感技术、电气液压驱动、控制工程、人工智能控制、计算机科学技术等 等都和机器人技术有密切的联系。 1 2 铁钻工的定义 自动化钻井是2 1 世纪钻井技术的主要发展方向，全自动化闭环钻井的理论、 方法与软硬件研究，是国外石油工程研究的核心技术之一【2 1 。铁钻工( i r o n r o u g l l i l e c k ) 一词最早在上个世纪7 0 年代，在自动化钻井生产中作为钻机配套设备 由美国石油设备生产者提出。作为液压动力大钳的替代产品，铁钻工能够安全、 高效的完成钻井作业中上卸钻杆接头丝扣、正常钻进时卸方钻杆接头、上卸钻铤、 甩钻杆、活动井下工具等工作，是现代化石油生产中重要的自动化辅助设备。 铁钻工作为一种多功能、安全高效的钻具旋扣设备，在生产中通过综合控制 台进行遥控操作完成作业工作，具有结构紧凑、性能强大、安装及操作简便的特 点，能广泛适用于陆上、海上多种钻井平台和不同的野外环境的使用。作为动力 大钳的升级换代设备，其工作原理与传统大钳有着明显的区别。独立的旋扣和冲 扣装置使钻具连接更为方便，工序更为简单，也是区别于传统动力大钳的显著标 志。 1 3 铁钻工目前的发展状况 目前国际上只有美国、德国、日本等少数几个发达国家在生产铁钻工近些 年来，美国的石油机械制造商为促进采油技术的进步，提高自动化管理水平和经 济效益，做了大量工作，研制成功多项新装置和新技术。其中美国的n o v ( n a t i o n a l 0 i l w e l lv a r c o ) 公司对铁钻工产品的研制开发代表了该产品最先进的技术水平， n o v 公司也是当今铁钻工市场上最大的经销商。目前国际上油田钻井过程中使用 铁钻工的国家也仅限于这几个发达国家。 国内的石油钻采设备公司的扭矩旋扣设备以液压动力大钳为主，其控制理论 还比较落后。液压大钳的控制基本上只有气液控制，电气控制的部分很少很少， 这种液压大钳是用绳索悬挂在钻井井架天车上的，它们质量达2 t ，难以在其悬挂 位置与井眼中心线之间来回推移。为了避免悬吊液压动力大钳的绞盘绳索与顶部 驱动系统发生绞缠，其操作会更加复杂。这就使得移动液压动力大钳的劳动非常 繁重，需要3 名钻井队员才能完成。由于设备重且需频繁操作，对人身的安全构 成了极大的威胁【3 1 。 硕上学位论文 在铁钻工方面国内的铁钻工在研发方面还处于起步阶段，研制铁钻工的厂家 很少，大部分石油钻采设备生产公司生产的还是液压大钳，或者是改良的液压大 钳。国内各个油田的钻井队在钻井过程中使用铁钻工的也很少，大部分钻井队使 用的还是液压大钳或者是改良的液压大钳。 1 4 铁钻工在现代化钻井中的前景分析 铁钻工属于钻井辅助类型工业机器人范畴，整体由机械部分、传感部分、控 制部分组成，通过人机交互系统可完成较复杂的井口工作，先进的工作理念完全 改变了传统大钳的工作方式，在动力方面采用全液压的驱动方式，结构方面向小 型手臂式或大型落地式方向发展，性能方面向大管径夹持和大扭矩输出方向发展， 并且扭矩输出更为精确，减少了对钻具的损害，操作更为简单。新型铁钻工系列 产品的使用范围更广，具有很高的市场潜在价值。 铁钻工产品在国外已得到多年的应用，稳定、高效、安全的生产应用使其得 到广泛的好评；从国内情况来看，通过对铁钻工的进一步研发，相信其系列产品 将很快的适应国内生产需要，投入生产作业后可大副提高生产效率和安全性，创 新式的远程监控生产模式，将改变国内传统的石油生产方式，推动钻井平台无人 化的自动化钻井的发展，促进我国石油生产的现代化进程。 1 5 本课题提出的意义 在当今的石油行业中，时间和效率在实际生产中是关乎企业发展、国家资源 贮备等多方面的重要词汇，尤其是在石油价格日益增长的今天，缩短工作周期、 提高工作效率在竞争激烈的石油钻采行业变得更为重要。近些年国际油价持续上 涨并持续居高位连创历史新高，石油设备的价格也在随着不断的升高，这为我国 石油钻井机械带来了空前的发展机遇。 油田钻井是油田开发与发展的龙头产业，由于很多石油生产国在钻井设备能 力方面均存在不同程度的不足，而油田对钻井设备的需求却在不断升高，同时自 动化要求也越来越高。传统的液压动力大钳( p o w e r t o n g ) 1 4 6 】操作不方便，工人劳 动强度大，工作效率低，存在许多安全隐患，为此，根据石油生产中套管、钻杆、 井下工具、震击器、减震器、井下用仪器、涡轮钻具以及螺杆钻具的连接需要， 急需开发精度较高石油钻具扭矩旋扣机。此外海上石油的开采现在也成为各个国 家越来越重视的资源开发领域，由于海上钻井要求设备具有结构紧凑，占用空间 小的特点，传统的液压动力大钳已不能适应海上钻井的要求。 自上个世纪9 0 年代开始伴随着石油钻井机械的自动化进程，铁钻工作为架设 坝十宁位论文 在钻井平台上的自动化旋扣装置被开发研制，并应用到生产实践中去，它作为井 口自动化工具，被业界称为革命性的高新技术产品，可以大大减少井口作业人数， 减轻工人劳动强度，提高工作效率据相关人员测算，配备传统液压动力大钳的 石油钻机的工作时间约有3 0 用于起下钻或下油( 套) 管方面。通过铁钻工的使 用将使生产既安全又有效率，使生产状况得到很大改观。综合各方面考虑，铁钻 工的研制开发势在必行 4 硕十学位论文 第2 章铁钻工的现状分析 2 1 动力大钳与铁钻工对比分析 2 1 1 结构对比 动力大钳由钳体、液压马达、变速机构、卡紧机构、复位机构、制动机构、 悬挂系统、液压系统及气路系统等组成，内部结构比较复杂，不利于正常的维护 保养，也影响使用寿命；其安装方式基本为悬吊式，占用空间大、可靠性不高、 人工操作困难，存在较多的生产问题，此外钳头门框的设计自动化程度低，需要 人工开合【4 】：在套管钳方面，目前钻机上所用的液压套管钳有进口的和国产的， 国产的是在测绘国外液压套管钳的基础上生产的，耐用性较差【5 】。 目前国际上常见的铁钻工产品根据结构不同大体可分为手臂式和落地式两 种，主要结构均为移动装置和钳体两部分，钳体分为旋扣装置和冲扣装置两部分， 结构简单，便于保养与维修；在安装方式方面，手臂式铁钻工需在钻井平台安装 支撑立柱，并将铰接臂和钳体安装于支撑立柱，落地式铁钻工需在钻井平台安装 底座或铺设轨道进行工作。 2 1 2 工作原理对比 动力大钳由现场操作工人控制气缸调整到工作位置后，由动力端带动行星轮、 减速装置等传动装置，通过主钳和背钳配合完成上、卸扣工作，液动和气动的混 合动力系统较为复杂。 铁钻工将旋扣与冲扣分成两部分处理，分开的旋扣装置与冲扣装置简化了上、 卸扣工作原理，整机动作简单快捷；开放式的钳体扩大了夹持范围，增加了最大 输出扭矩，能完成套管、钻杆、井下工具等大管径钻具的连接需要，扭矩和速度 在控制台直观显示，可快速调节，提高了螺纹连接时扭矩输出精度。 2 1 3 操作方式对比 动力大钳采用人工现场操作，由人力辅助完成大钳移动与钻具对接，由于井 口工作环境恶劣，给操作工人带来了很大的困难，而往返于井口的各种设备给工 人的安全带来了一定的隐患；在套管连接过程中，井队操作工通常将绳锁缠绕在 套管上，通过电机带动绳索拉动套管进行旋扣，或者要请专业套管队人员使用套 管钳工作，给生产带来很多不便。 坝十掌位论又 铁钻工由一名操作工人根据现场的工作情况进行远程遥控操作，通过控制平 台的操作可控制铁钻工完成钻具上、卸扣和紧、冲扣等全部动作，节省了人力并 提高了人身安全保障【4 7 1 。 2 1 4 工作效率对比 表2 1 国内某型号大钳和国外铁钻工产品数据对比 液压动力大钳铁钻工 适用范围( i 1 1 )3 z 一8 z3 z 8 必 液压系统最高压力( m p a ) 1 6 62 l 最大上扣扭矩( n m )8 2 0 0 0 最大卸扣扭矩( n m ) 1 0 0 0 0 01 0 8 5 0 0 旋扣扭矩( n m ) 3 0 5 0 旋扣速度( r m i n ) 4 08 0 钻具最大连接高度( 1 1 l i l l ) 1 7 2 7 水平垂直移动距离( m m )1 5 0 0 ( 移送液缸移送距离) 1 4 0 7 9 6 5 重量( k g ) 2 4 0 03 5 0 0 从表2 1 的数据可以发现，在适用范围和输出扭矩方面，铁钻工均达到或超过 大钳的性能指标，可完成大钳的全部工作，在旋扣速度方面铁钻工独立的旋扣装 置将速度提高了一倍，整机的钳体前后位置调整由铰接臂完成，动作稳定快捷， 此外，与大钳相比铁钻工易于安装，组装调试方便。 任何设备的升级换代都需要对其系统进行综合的评价，系统评价就是利用模 型和各种资料，根据指定的系统目标，在调查分析和可行性研究的基础上，对各 种可行方案从技术和经济两方面进行综合对比，权衡利弊得失。至于各因素的具 体内容，则取决与系统目标，主要有以下几个方面： 1 功能 一般的机械系统都包括多种由系统目标决定的功能。对系统的每一项功能都 要进行分析，确定其衡量的手段和标准，并按衡量标准判别各项功能的优劣程度 和改进效果。 2 费用 包括设计与制造该系统的费用、销售流通费用、使用与维修费用等。 3 可靠性 包括系统各个层次的可靠性。 6 硕， ：学位论文 4 时间 这是指建立系统所需要的时间，它直接影响到系统的价值。系统的建立或改 建是按期、提前或延后完成，不仅关系到费用的多少，而且极大的影响着产品系 统的竞争能力。当社会有需求，而市场上有没有相应的产品时，首先建成并投入 市场的产品必将具有很大的优势。反之，如市场已为多种其他同类产品所占领， 后投入市场的产品必将面临激烈的竞争。 5 维护修理的方便性 一个产品系统在使用过程中，可能出现各种故障。如果没有相应的维护修理 人员、设备和场所，或找不到维修所需的零配件，必将影响系统的竞争力。所以， 现在许多厂家为了增加产品的竞争力，不仅努力提高产品系统的质量，而且加强 售后服务，以提高系统维修的方便性。 6 安全性 包括对人员的安全性，以及是否对周围环境产生污染( 废水、废气、废渣、 噪声、放射性等) ，以及污染程度。 除以上六方面外，还可能有其他社会环境有关的因素。如国家或地方有关该 产品系统的法律，法规和政策。再如，高度自动化的系统需要考虑使用者的科学 文化水平，等等。 结合以上几方面因素对铁钻工和动力大钳进行对比分析，总结发现：在功能 方面，铁钻工具有动力大钳所具有的全部功能，并可完成套管等大管径钻具连接 工作；在费用方面，铁钻工的成本要大副高于动力大钳，但其节省了2 3 个人操 作工，减少了人员薪酬的支出；在可靠性方面，通过对国外产品的了解可以知道， 铁钻工系统具有很高的工作稳定性，在高效作业的同时能准确、安全的完成目标 工作；在时间方面，目前独立的铁钻工产品的研发和应用在国内尚处在起步阶段， 具有很广阔的市场前景；在维护修理方面，铁钻工的机械机构更为开放，较动力 大钳更为便于维护修理；在安全性方面，铁钻工减少了平台人员数量，第一操作 人员可以在远离平台处安全完成作业，同时铁钻工的液压动力系统对周围的污染 非常小；此外，独立的操作平台和简单的控制界面为操作人员带来了方便，不要 进行复杂培训。综上所述，铁钻工系统在各个方面都存在很大的优势，是值得研 发和推广的现代化石油钻采设备。 2 2 目前国外铁钻工现状 2 2 1 产品概况 目前全球的石油钻具厂商中，美国国民油井瓦克公司的铁钻工产品最为成熟， 7 硕士学位论文 经过不断的研发，其公司铁钻工产品也代表着世界先进水平4 8 1 。此外意大利、日 本等国家也推出过铁钻工产品，综合国外产品设计方案可将其归纳为手臂式铁钻 工和落地式铁钻工两种： 1 手臂式铁钻工 通过双关节或多关节式机械臂带动旋扣装置进行工作，整机通过支撑总成安 装在钻井平台上。此类铁钻工具有结构紧凑、重量轻、操作简单、旋扣速度快、 位移范围大、占用空间小等特点，多用于钻杆、小管径套管等钻具连接，并且能 够很好的适应海上钻井需要。其主要结构有支撑总成、铰接臂、钳体、控制台、 液压站等几个部分。 s t 一8 0 0 c 型铁钻工i r 3 0 8 0 5 5 型铁钻工瓜1 0 0 型铁钻工 图2 1 手臂式铁钻工 图2 1 为常见的铁钻工产品，其中s t 8 0 和i r 3 0 8 0 两个系列产品为美国国民 油井瓦克公司的代表产品，此外德克萨斯第一工业公司( t e x 弱f i r s ti n d u s t r i a lc o 叩) 也推出了i r l o o 铁钻工产品，以上这几个型号的产品属于手臂式铁钻工。该类铁 钻工由一人操作，通过机械臂带动前端钳体进行横向、纵向移动，支撑端设计有 转动关节可进行轴向转动，设备在完全收起时占用井台面积很小，方便人员和其 他设备的进出。通过独立的液压站完成动力供应，液压控制的动作有：夹紧钳央 紧、冲扣钳夹紧与转动、旋扣钳转动与开合、铰接臂伸缩、整机纵向位移等几个 动作。 2 落地式铁钻工 在钻井平台架设底座或铺设轨道，通过液压装置控制实现上下、前后位置的 调整后进行旋扣，前端钳体及工作原理与手臂式铁钻工基本相同。落地式铁钻工 分为小型机和大型机两种。其主要结构底座( 轨道) 、功能架、钳体、控制台、液 压站等几个部分。 硕i j 学位论文 a ) e z 8 0 型铁钻工b ) o f f s h o r ep r o d u c t 铁钻工 图2 2 小型落地式铁钻工 图2 2 为德克萨斯第一工业公司e z 8 0 紧凑型铁钻工和k o n g s h a v ni n d u s t i 公司 的o f f s h o r ep r o d u c t 铁钻工1 5 u j 。小型机一般结构紧凑，占用空间小，重量很轻，安 装使用简便，能适用于多种钻井平台，但其夹持范围和扭矩输出较小，在使用过 程中将其固定于井口进行旋扣工作。 攒 a ) l p t 一2 0 0 型铁钻工b ) a r 系列铁钻工 图2 3 大型落地式铁钻工 图2 3 为瓦克公司l p t 2 0 0 和a r 系列两个类型的产品，属于落地式铁钻工。 大型机具有夹持范围广、扭矩输出大的特点，可快速调节输出扭矩和旋扣速度， 并且扭矩输出精确，对钻具有较好的保护作用，多用于套管等大管径的钻具连接。 大型机整机安装在井口可安全、高效的完成上、卸扣工作，扭矩输出大，同时由 于钳体的改进可以使夹持管径范围增大，能广泛适用于大管径钻杆、套管的连接 工作。 落地式铁钻工在安装方式上分为固定式和轨道式两种。固定式铁钻工其底座 或支架固定在平台井口位置进行旋扣，作业过程中不需要进行位嚣调整；轨道式 铁钻工机身坐于轨道上，设备可以在轨道范围内移动进行工作位置的调整。由于 需要在钻井平台上安装底座、支架或铺设轨道，占用的空间较大，而一般钻井平 台空间都比较有限，也使这类产品的使用受到了一定的限制。 硕i ：学位论文 2 2 2 参数情况 通过对国外铁钻工产品的资料收集，整理出几种目前市场上最为常见的铁钻 工产品的主要参数进行对比分析，下面列举出应用比较广泛的铁钻工产品的具体 参数： 表2 2 常见铁钻工产品技术参数 手臂式铁钻r ：落地式铁钻，f ： 技术参数 i r 3 0 8 0 5 5s t 8 0 cl p t 2 0 0a r 5 0 0 0 夹持范围( i 1 1 )3 8 z4 8 3 9 必3 必一2 0 液压系统最高压 2 0 61 3 82 0 61 7 2 力( m p a ) 最人上扣扭矩 8 1 3 4 98 1 5 0 01 3 7 0 0 01 3 5 6 0 0 ( n m ) 最人卸扣扭矩 1 0 8 4 6 51 0 8 5 0 02 0 0 0 0 01 6 2 7 0 0 ( n m ) 旋扣扭矩( n m ) 3 0 5 02 3 7 34 7 0 05 0 0 0 旋扣速度( r m i n )8 01 0 01 0 01 0 0 钻具连接高度范7 6 2 1 7 2 7 8 1 2 1 7 2 7 围( m m ) 水平垂直移动距 1 4 0 7 16 9 6 5 21 5 2 5 1 8 3 0 离( i 啪) 重量( k g ) 3 5 3 53 0 9 l5 0 0 07 2 6 0 通过参数对比进一步说明：手臂式铁钻工具有移动范围大、重量轻、占用空 间小的优势；落地式铁钻工具有夹持管径范围大、输出扭矩高的特点。 2 3 铁钻工的发展趋势 通过对新型铁钻工的对比可以发现，铁钻工的设计类型向小型紧凑型化和大 型多功能化两个方向发展：小型铁钻工结构更为紧凑、重量更轻；大型铁钻工扩 大了夹持范围，增加了最大输出扭矩，能完成套管、钻杆、井下工具等大管径钻 具的连接需要。综合来看，新型铁钻工将会在以下几个方面进行提高： 1 铁钻工作为动力大钳的换代产品，除能够完成大钳的全部工作外，将提高 钳体移动速度、对接速度、旋扣速度等，实现快速调节，进一步节约工作时间， 提高生产效率。设备只需一人操作，工作原理和操作将更为简化，钻井工人将更 容易熟悉和掌握铁钻工的性能和操作要领。 1 0 硕i j 学位论文 2 新型铁钻工在设计上向数字化、信息化、自动化、智能化方向发展【5 1 1 ，结 构将更为优化，方便运输、安装、位置调节易于维修保养；优化的前端钳体结构， 可降低液压系统的压力要求，合理的油路设计使动作平稳快捷，加快反应速度， 控制更精确。 3 引入传感和检测技术，使其具有更为准确的扭矩、转速显示界面，同时各 项装置的输出参数更为精确，对钻具起到了更好的保护作用；遥控的操作方式实 现了平台无人化生产，并进一步向远程操作方向发展，提高石油生产的安全性和 钻井设备的自动化程度。 2 4 国内旋扣设备现状 在我国石油钻井生产过程中，旋扣设备主要为b 型大钳，既液气混合动力大 钳。目前国内大钳的生产厂商较多，技术已达到很成熟的阶段，各类不同功能的 大钳在国内的油田管具作业中得到广泛应用，性能比较稳定。其工作原理和具体 结构均比较类似，现以某厂生产的普通钻杆动力钳为例进行说明，主要参数见表 2 3 。 表2 3 普通液压大钳主要参数 适用范围( i 1 1 )3 z 8 z 液压系统最高压力( m p a ) 1 6 6 最大卸扣扭矩( n m ) 1 0 0 0 0 0 钳头高档转数( r m i n )4 0 钳头低档转数( r m i n ) 2 7 移送液缸移送距离( n u n ) 1 5 0 0 重量( k g ) 2 4 0 0 动力大钳可完成多种钻井作业，、包括起下钻作业中上卸钻杆接头丝扣、正常 钻进时卸方钻杆接头、上卸钻铤、甩钻杆、活动井下工具等【6 1 。动力大钳由钳体、 液压马达、变速机构、卡紧机构、复位机构、制动机构、悬挂系统、液压系统及 气路系统等组成，通过人工操作气缸调整到工作位置后，下钳钳口卡紧机构装在 壳体内，由气缸推动钳头转动，卡紧钻杆下接头，上钳的钳口部件浮动于下钳壳 体上方，通过液压马达提供动力，带动行星轮、减速机构、不停车换档刹车机构 等使钳头获得高速低扭矩( 旋扣时) 或低速大扭矩( 冲扣时) 来完成钻具上扣、 卸扣工作。 通过多年的生产应用成熟的液压大钳在管具连接中发挥了重要的作用。随着 硕士学位论文 钻井设备的不断发展进步，动力大钳在自动化程度的提高方面存在一定局限性， 同时也暴露出来了夹持范围小、扭矩低、安装不便、生产效率不高、安全存在隐 患等弊端。在设计方面，钳头门框的设计自动化程度低，需要人工开闭，另外上 下壳体联接部位薄弱，下壳体强度弱【7 】。在使用过程中，动力大钳采用卜3 名操 作工人现场操作，作业中用人工前后推拉大钳，或手拉葫芦升降大钳，劳动强度 大【8 】，而悬吊式的安装方式与频繁往来于井口上方的各类钻具对操作工人带来了 潜在的危险，气液混合动力使操作烦琐。 在套管钳方面，目前钻机上所用的液压套管钳有进口的和国产的，国产的是 在测绘国外液压套管钳的基础上而生产的，进口的在耐用性方面好于国产的，结 构和性能与国产的差别不大【9 】。 国内很多石油设备厂商也在不断的推陈出新，对大钳的工作原理和结构在不 断改进，来提高生产效率和安全性，也有厂家在尝试研制铁钻工产品。2 0 0 4 年8 月特达公司推出z q 2 0 3 7 5 x 型钻杆钳，如图2 4 所示，其工作原理与大钳区别不 大，创新的独立悬吊式安装方式推进了大钳的改革步伐。2 0 0 7 年南阳市奥达石油 机械有限公司推出了便携式铁钻工，如图2 5 所示，该产品为新式多功能动力大 钳，夹持范围大，可以实现上、卸扣和紧、崩扣功能，可同时替代钻杆动力钳旋 扣和b 形钳崩扣。 图2 4z q 2 0 3 7 5 x 型钻杆钳图2 5 便携式铁钻工 从目前国内的各厂家的产品来看，基本以改良大钳为主，铁钻工方面还没有 成型的产品，处于空缺状态，对铁钻工的研发也处于起步阶段。结合国内的生产 状况和设备情况，要求国产铁钻工需要具有价格低、结构简单、安装调试方便、 易于维修操作、便于运输等特点，通过对国外各个类型的对比发现，手臂式铁钻 工在以上几方面更具有优势，较适合国内生产需要，可以作为主要的研究对象。 在铁钻工国产化研究的过程中需要对结构进一步优化，更简洁的结构利于保养维 修，能适应井口污物多、环境恶劣的特性，简单快界的操作方式便于工人熟练掌 握操作技术，节约了培训时间和经费；在性能参数方面，需要增大央持范围和扭 硕i j 学位论文 矩输出，更优越的性能才能满足更多的生产需求。同时降低生产成本，合理的设 计液压系统和控制系统，使其具有更高的市场竞争力。 硕i j 学位论文 第3 章t z g 2 1 6 1 1 0 铁钻工的机构研究 机械设计是一个工作过程，由设计工作者根据生产的需要，应用各种科学技 术、设计方法，以及社会、经济方面的知识，进行构思、分析、计算，以确定机 械产品的工作原理、结构、运动方式、力与能量的传递方式，以及每一个零件的 尺寸、形状、材料、加工要求等，最后形成机械产品的设计图纸与文件，以作为 机械制造工作的依据。不同的机械产品，由于其使用要求、工作任务不同，其设 计方法也有所不同，一般分为以下几类： 1 开发性设计：即应用新的科学技术( 新理论、新材料、新工艺) 设计，创 造某一种过去没有的全新机械。这种设计一般从提出需求，到设计制造出原型机， 再经过改进，最后形成产品，要经过相当长的时间，其间有多次设计、试制、改 进设计，以及再试制的反复的过程。最初的汽车设计，到目前投入使用的磁悬浮 的设计都属于这类设计。另外，有些国外或其他企业已推出的新产品，由于专利 保护等原因，本企业在研制这种产品时所进行的设计，也属于开发性设计。 2 适应性设计：即在原机械产品的原理方案基本保持不变的前提下，对产品 作局部的变更，如更改或增加某一( 几) 种部件，以改进产品的适应性，使产品 能更好地满足使用要求。例如给汽车加装空调设备，加长或更改卡车的车厢等。 3 变形设计：即在不改变现有产品工作原理及结构的条件下，改变产品的尺 寸和结构配置，以扩大产品的使用范围。例如，同结构的减速箱改变尺寸，可以 得出一系列产品以满足在同一减速比条件下传递不同转矩的需求；改变其传动轴 部件的配置就可以得到一系列不同传动比的减速箱。这类设计即属于变形设计。 不同任务的设计，其设计方法也有所不同。开发性设计一般包括较多的研究 工作，特别是在原型机的设计阶段。适应性设计和变形设计根据其任务情况，有 时可采用组合方式设计方法，即把已有的、已标准化的元件和部件，有机地优化 组合成新的产品。当所需要产品的性能在已有的两种产品之间时，可采用内插式 设计方法进行变形设计。所需产品性能超出现有产品时，则可采用外推式设计方 法，但这种设计由于已超出过去的生产经验，所以有一定的风险。另外，在适应 性设计中，对所更改或新增的部件可能也需要进行开发性设计。所以，虽然根据 设计任务可将其分为三种类型，但是有时是难以截然区分的。因此本次设计将采 用三种相结合的方法，对铁钻工的机构进行研发设计。 3 1t z g 2 1 6 1 1 0 主要结构及性能参数 总体结构方案设计是技术设计的前提，本次设计采用方案设计、技术设计及 1 4 硕卜学位论文 工作图设计的渐进式方法。铁