李明根毕业论文

1、东北石油大学本科生毕业设计（论文） 摘 要吊卡是一种用来吊起钻杆、油管和套管等管材的工具。它悬挂在提升系统大钩两侧的吊环里面，以便对井眼进行起出或下入钻具及油管、套管的作业。 吊卡在钻修井作业时，用来直接悬挂管柱的井口工具，上连吊环，不同的孔径悬挂不同的管柱。吊卡在顶驱系统中经常会承受所有管柱的重量，在接管和卸管过程中也起着不可替代的作用，按悬挂的管柱不同分为抽油杆吊卡、钻杆吊卡、套管吊卡和油管吊卡。在上管的过程中，机械臂会将管柱送到合适的位置，打开吊卡将管柱锁紧，当吊卡将管柱的位置摆放好后位于顶驱的上卸扣装置会将钻杆旋紧，卸下管柱时顶驱将钻杆卸扣，然后由吊卡将管柱送到合适的位置由机械臂移开管

2、柱。关键词：动力吊卡；钻修井；设计。AbstractThe elevator is a tools which used to lift the drill pipe, tubing and casing pipe. It hungs in the lift system on both sides of the hook rings,which inside job starting out or down into the drill and tubing, casing to the borehole.When the elevator is in drilling work opera

3、tion, the elevator is a wellhead tools which used to suspension the tubular pile and connect the rings up.And the different rings aperture hanging the different column.In the top drive system elevator often support all columns weight,which also important in the process of takeover and unloading pipe

4、.The suspension of the column is divided into the sucker rod elevator、drill pipe elevator, casing pipe elevator and tubing elevator. In the process of connect pipe,the mechanical arm will sent the pipe in a right place,open the elevator and lock the pipe.When the elevator's location is right,the

5、 fastening and unfastening device at the top drive will screw the pipe.When we need set down the pipe the top drive will unfasten the pipe,then the elevator sent to the pipe in a right place and the mechanical arm will move away the pipe.Key words：Power elevators；Drilling and workover；DesignI目 录第1章

6、概述.1 1.1修井作业工艺过程.1 1.2 修井作业机械化装置的发展.1 1.3 吊卡的发展过程.3第2章 动力吊卡与扶正机械手总体设计.9 2.1动力吊卡与扶正机械手总体方案设计.9 2.2动力吊卡与扶正机械手的工作原理.11第3章 动力吊卡与扶正机械手的结构设计.14 3.1动力吊卡控制开合的设计.14 3.2 动力吊卡锁紧装置设计.15 3.3 扶正机械手的设计.18 3.4 动力吊卡平衡性检测.20第4章 动力吊卡与扶正机械手的强度校核计算.22 4.1 概述 . 22 4.2扶正机械手重要零部件的强度校核计.23 4.3 动力吊卡重要零部件的强度校核计算.30 4.4 总结.31结

7、论.35参考文献.36致谢.37第1章 概述1.1修井作业的工艺过程修井作业一般分为二种形式即起下作业、循环冲洗、旋转钻进。起下作业指利用通井机、修井机等提升设备进行起下管柱的作业施工，完成起下井内的油管、杠柱、调整、配产、配注、新井下泵、检泵、打捞井下落物、处理井下卡钻事故情况等；循环冲洗指利用泵进行的洗井、冲砂、压井、压裂、酸化和封堵等项作业统称为循环冲洗作业；旋转钻进指利用转盘和钻具及井下工具进行的套铣、研磨、侧钻、钻水泥塞、造扣、倒扣等项施工。修井起下作业是现场工作频率最高的作业形式，也是最需要实现操作机械化的作业。1.2修井作业机械化装置的发展1.2.1国外修井作业机械化装置的发展状

8、况目前 ,国外石油钻修井机发展方向主要体现在以下几个方面:一是朝着性能好、寿命长、安全可靠的方向发展;二是朝着机械化、自动化和智能化方向发展 ,突出高效、节能、降低钻井成本和提高经济效益;三是朝着满足各种环境条件和满足作业者不同需要的方向发展。1.2.1.1钻修井机的快速运移性得到重视随着石油工业经济全球化的趋势日益加快 ,全方位实施 “低成本战略 ”成为世界石油公司的基本战略。钻修井机的高度集成化和良好运移性 ,能大大降低钻修井机的辅助成本 (运输成本和停工成本 ) ,因此钻修井机的快速运移性已成为作业者考察承包商的重要内容之一 ,甚至在某些地区是进入市场的先决条件。提高钻修井机的快速运移性

9、主要采用模块化设计和轮式运输方案等方式 ,拆卸安装方便、快捷、省时、省力 ,搬家运输车次少。如:美国 NATIOANAL OILWELL设计的 1 500 HP拖挂式直流电驱动钻机 ,其主要部分 (包括底座、井架及绞车 )可适应三种运输方式: 对于近距离及路况较好的情况下 ,采用井架直立 ,底座高位状态下整体轮式拖挂运输; 对于较远距离及路况较差的情况下 ,采用井架、底座低位状态下整体轮式拖挂运输; 在长距离、路况差的情况下 ,井架与底座分开运输 ,分别采用单独整体轮式拖挂运输。这样就大大提高了大型钻机的运移性能 ,整个井场设施可以做到 2330个搬家车次运完。1.2.1.2 钻修井机的机械化

10、、自动化和智能化得到了很大发传统的钻修井机是由彼此相互独立的子系统构成 ,重要的信息不能由其它子系统共享 ,而现代的石油钻修井机正向着整体化钻修井机/钻井系统的方向发展。所谓整体化钻修井机/钻井系统是指将所有的钻井机械装备、监测仪表和数据处理设备相互联结起来的构成一个标准化的系统 ,通过计算机网络可实现所有设备的信息共享。该系统可在中央控制室进行完全的控制。因此可实现先进的自动化和优化工艺 ,提高作业效率 ,降低作业成本。全液压可移动式钻修井机彻底改变了传统石油钻修井机的结构模式 ,利用倍程油缸和液压顶驱 ,代替了传统钻修井机的井架和地盘 ,配以自动化工具 ,整套钻修井机自动化程度高 ,仅两人

11、就可操作整套钻修井机进行钻井作业。该钻修井机作业费用明显下降 ,占地面积小 ,搬家省事 ,噪音低。顶部驱动钻井装置克服了转盘钻井方式存在的许多缺陷 ,被石油工业界广泛接受和普遍应用 ,成为国际钻井市场上的必备装置。顶部驱动钻井装置有液压顶部驱动装置和电驱动顶驱钻井装置。交流变频顶驱具有调速范围宽 ,电机无炭刷 ,防爆性能安全 ,功率因数高 ,重量轻等优点 ,且随着变频技术的不断完善 ,交流变频顶驱钻井装置已成为电驱动钻井装置的主流。1.2.2我国修井技术的发展19921995 年,原石油工业部机械制造司委托原石油勘探开发科学研究院机械所、石油大学(华东) 开发修井机计算机辅助设计系统。后来,该

12、系统通过了专家评审,为修井机的设计与计算奠定了良好的基础。该计算机辅助设计软件基本包括了所有修井机基础设计的理论研究成果。国内油田的修井作业仍采用传统的方式，井口操作的机械化程度很低。为降低工人的劳动强度，改善工人的工作环境，增加修井工人工作的安全性，在国内一些石油机械厂和石油院校对修井井口作业的机械化进行了研究。最先开展的是对液压大钳的研究，在70年代中期以前，钻修井工人对油管等管柱的上卸扣普遍采用的是手动管钳，费力又费时，为加快钻井速度，从60年代末期各石油机械研究所掀起对液压大钳的研究热潮，在参照前苏联、美国等西方国家液压大钳的基础上，设计并制造出适用十不同管径和井深的液压大钳，最初主要

13、应用十钻井上，经过改造后推广到了修井作业中。到目前修井液压大钳已经发展成熟，修井液压大钳在修井作业中的应用是修井井口操作机械化发展的第一步也是重要的一步。1.3吊卡的发展过程1.3.1 常规吊卡的主要功用吊卡是钻修井作业时，用来直接悬挂管柱的井口工具，上连吊环，不同的孔径悬挂不同的管柱。它的最大作用就是承受管柱的全部重量，在顶驱系统中，它即可以配合顶驱上的上卸扣装置工作，也可以配合下部的动力大钳进行上卸扣工作，在上管和卸管的过程中都是必不可少的装备。1.3.2 常规吊卡分类在国内修井作业作业常用的吊卡主要有以下几种：1) DDZ型为对开式吊卡(图1.1)：适用于提升18度锥台肩钻杆，钻具等；2

14、) DD对开式吊卡(图1.2): 是钻井与修井起下钻作业中，用于提升平台肩钻杆、套管、油管和钻铤； 图1.1 DDZ型对开式吊卡 图1.2 DD型对开式吊卡 3) CD型侧开式吊卡(图1.3): 是钻井与修井起下钻作业中，用于提升钻杆、套管、油管和钻铤的必备工具；4) CDZ型侧开式吊卡(图1.4): 是钻井与修井起下钻作业中，用于提升钻杆、套管、油管和钻铤的必备工具； 图1.3CD型侧开式吊卡 图1.4 CDZ型侧开式吊卡5) SLX型侧开式吊卡(图1.5): SLX型侧开式吊卡是钻井与修井起下钻作业中，用于提升钻杆、套管、油管和钻铤的必备工具；6) 单根辅助吊卡(图1.6): 是悬持单根套

15、管等管柱的必备工具。7) 抽油杆吊卡：是提下抽油杆专用工具，抽油杆吊卡分为舌簧自锁式和提引式两种结构 图1.5 SLX型侧开式吊卡 图1.6 单根辅助吊卡1.3.3 常规吊卡的改进1）采用小月牙更换技术和重力自销式吊卡锁的新型油管吊卡（图1.7）新型油管吊卡在结构上作了两大改造：一是吊卡体小月牙改成可更换式；二是吊卡销改成重力自锁式。1.3.3.1可更换小月牙式油管吊卡的结构和工作原理 图1.7上是新型油管吊卡的装配结构示意，图1.7下是新型油管吊卡可更换小月牙体结构。以上各部件构成可更换小月牙式修井油管吊卡。新型油管吊卡的工作原理：小月牙体装在吊卡体内，用小月牙固定螺栓装在小月牙固定螺栓沉头

16、孔中固定在吊卡体上，然后将活动月牙装在吊卡体和小月牙体之间的环形中，安装上活动月牙手柄，装配完毕便可用于起下油管作业。1.3.3.2防脱吊卡销的结构和工作原理图1.8a是新型油管吊卡装配重力自锁式吊卡销结构，图1.8b是重力自锁式吊卡销的结构。以上各部件构成重力自锁式吊卡销。新型重力自锁式吊卡销的工作原理：吊卡销装在新型油管吊卡上下通孔内, 钢板钩进入吊卡钢板定位槽。当需要起下油管时，把新型油管吊卡卡在油管体上，转动手柄,关闭活动月牙,然后将吊环挂入吊卡环孔内,把重力自锁式吊卡销插入吊卡上下通孔内，钢板钩进入吊卡钢板定位槽中，即可提升油管。1.3.3.3特点该新型油管吊卡的特点为：（1）新型油

17、管吊卡可以长期使用，出现小月牙磨损或变形后,只需更换月牙即可，可节约吊卡购置费用90%。由于安装更换非常方便，工效也有较大提高，修井作业时间缩短，为原油生产争得了时间。该吊卡容易制造、节约成本、经久耐用，具有显著的经济效益。（2）重力自锁式防脱吊卡销在油管、吊卡、吊环上弹时，销子由于自锁作用而不会弹出吊卡体外，防止了吊环脱离吊卡体现象，也就从根本上避免了因吊卡脱离吊环所造成的机械和人身伤亡事故，具有显著的社会效益。（3）该新型油管吊卡，已在一定范围内进行了推广应用，由于有可更换不同尺寸月牙的特点，它可同时适用于同管径的平式油管和加厚油管的起下作业。 图1.7 新型油管吊卡的装配结构 1销体；2

18、焊块；3轴销；4钢板钩；5扭力簧；6吊卡钢板定位槽 图1.8重力自销式卡销2） 新型筒式轻便油管吊卡a）结构新型筒式轻便油管吊卡由吊筒(如图1.9)、吊环(如图1.10)、垫叉(如图1.11)组成。吊筒由筒体、环形活门、吊耳、提手等组成。环形活门套在筒体上，用小销钉限位在筒体两侧对称的长槽中；活门可沿筒体滑动，完成吊筒“开启”与“关闭”的规定动作。两吊耳侧壁上的矩形体分别楔入筒体上部两侧对称方孔中焊牢，通过两吊耳圆孔起悬吊作用。提手焊接在吊筒下部，更换单根油管时起扶正吊筒的作用。垫叉主要由底座、立柱、手柄、限位体等组成。立柱焊接在底座上,起支撑井下管柱质量的作用。手柄焊接在底座前端,起前后移动

19、垫叉的作用。限位体的小轴插入底座后部的轴孔后，限位体可在底座长槽中以小轴的轴心为圆心作“开”、“关”动作；当限位体关上后起锁定、扶正油管的作用。吊环为一异形环体(把吊环扁面处对准吊筒吊耳圆孔的开口处，可把吊环放入吊耳圆孔内，吊环的扁面处绕吊耳圆孔转动180°，吊环可自锁在吊耳圆孔内,起下钻时防止脱、掉钻事故)，起悬吊钻具的作用。 1筒体；2环形活门；3吊耳；4提手 图 1.9 吊筒结构图 图1.10 吊环结构图 1手柄；2底座；3立柱；4限位体 图 1.11 垫叉总图b）工作原理新型筒式轻便油管吊卡利用非全圆结构原理，分别设计成垫叉和吊筒,两者各利用部分管接箍底端面实现承载和卸载，以

20、完成管柱载荷在垫叉和吊筒之间的不断转换，从而达到用单只吊卡(吊筒锁死在大钩上，与垫叉配合)实现起下管柱作业。c) 特点吊环以异型形状插入吊筒圆环口，不用安全销、不会脱出，不会出现操作(井口与司钻)不同步问题；以活门式结构将油管接箍限位于吊卡开口内，活门不怕油污、冰冻、有利于冬季施工和消除月牙型油管吊卡的活门关闭不到位而引发的掉钻事故；利用非全圆接触式特殊结构，可用垫叉起到一只吊卡的作用,从而实现利用单支单卡完成起下管柱作业任务；由于实现了单支单卡起下管柱作业施工,作业工人不再反复搬上搬下吊卡,以单井一次起、下100根油管计算，可少搬动约8t质量，减轻了作业工人劳动强度。由于筒式吊卡的特殊结构形

21、式，保证了相应事故减少(井口掉钻、毁设备、折弯油管、伤人等)，其社会效益也尤为明显。3）其他特殊用途的吊卡随着采油生产和井下工艺技术的不断发展和完善，出现了双管采油、不压井作业和顶部驱动作业。为了适应这种情况，出现了特殊作用用吊卡，它们有双管吊卡、双管绳索式吊卡、加压吊卡、分段加厚吊卡和自动化吊卡。有些是专门设计的，有些是利用现有吊卡改制而成的。 第2章 动力吊卡与扶正机械手总体设计2.1动力吊卡与扶正机械手总体方案设计2.1.1动力吊卡与扶正机械手的设计要求 动力吊卡外形尺寸300*300*300mm，由于是实验教学用，所以会比正常工作时的尺寸小一些，但是不影响吊卡功能的体现，在此基础上还要

22、可以实现开合与锁紧两个动作，由于该教学钻机系统采用的是目前世界上比较先进的顶驱钻井系统，所以钻机在整体上的设计都突出一个技术的创新，并且要高度自动化，所以这个吊卡的设计也是基于此目地，吊卡的开合和锁紧两个动作都要力争自动化，尽量使用较少的液压缸完成全部需要的动作，在缩紧上更是要做到简单和紧密，安全方面不容忽视。 吊卡整体悬挂于吊环上，吊环上通过推杆机构实现管柱的扶正。适应2寸半和3寸管柱的操作，由于吊卡所悬挂的物体重量并不是很大，而且吊卡的结构也相对比较紧密，在重量上力争轻便，所以对液压系统的工作压力要求不高，液压系统工作压力10MPa即可。 拟订结构方案时，要充分考虑操作的各个环节及位置排布

23、，在满足使用要求的前提下，力求做到结构简单，安全适用，经济合理，技术先进，便于制造和装运。2.1.2动力吊卡与扶正机械手的方案设计根据设计要求，通过借鉴一些厂家的先进吊卡，并且在常规吊卡的基础上进行了一些改进，经过老师的指导论证，我提出了动力吊卡与扶正机械手的最终设计方案，并创建出三维整机模型（如图2.1）。该吊卡在整体结构上所占的空间比较大，但是零部件并不是非常复杂，它既能通过扶正机械手的工作实现吊卡的来回摆动，也能与吊卡配合完成管柱的安装和卸下，相比于众多厂家生产的吊卡，该吊卡具有以下几个优点(1) 悬挂重量大：该吊卡使用的是两扇开合试，重量主要集中于后面主体部分，因此可以悬挂很大重量的钻

24、柱。(2) 结构简单：吊卡用一个液压缸控制两扇的开合动作，大大减少了对吊卡控制的复杂度。(3) 安全稳定：吊卡上的锁紧装置用单独一个液压缸控制，可以保证在所有液压缸失效的情况下依然可以将管柱牢牢的锁在吊卡上。(4) 自动化程度高：相比于传统常规试吊卡，该吊卡已经完全实现了自动化控制。适用复杂工作情况：由于吊卡的结构精密程度比较高，而且液压系统的位置也比较好，所以在复杂工作情况下也可以很好的完成工作。 图2.1动力吊卡与扶正机械手结构示意图为了便于观察整个动力吊卡与扶正机械手的工作原理，将顶驱系统的部分部件保留了下来，由于顶驱与该部分是一个相互合作的整体，所以在某种程度上来说二者缺一不可。动力吊

25、卡与扶正机械手的结构主要包括：大液压缸、摆动杆、摆动连杆、下拉杆、动力吊卡。在工作时由大液压缸提供摆动动力，当大液压缸的液压杆向下运动时，带动吊卡向前伸出，完成抓管动作后，大液压缸的液压杆向上运动，回到起始位置，这样来回相互配合以完成管柱的上卸扣。2.2动力吊卡与扶正机械手的工作原理2.2.1 动力吊卡的组成主体部分：也就是承重部分，主要承受管柱的重量。两扇：也就是负责吊卡的开合，打开后放上或取下管柱，然后闭合。控制开合的液压缸：主要负责两扇的开合动作。连杆机构：这个机构的主要工作原理是铰链四杆机构，通过一个液压缸的工作带动整个机构运动，以达到完成两扇开合的目的（如图2.2）。锁紧装置：由一个

26、液压缸单独控制，当两扇闭合后液压缸运动完成锁紧，虽然这个锁紧装置看似结构简单，但正符合了我们的设计要求：力争在结构简单的情况下完成复杂的工作任务（如图2.3）。动力吊卡在工作时的主要任务就是卡管，当往外放管时，锁紧装置打开，控制开合的液压缸缩回，打开两扇卡管机构将管柱取出。当往里上管时控制开合的液压缸外伸将两扇打开，然后放管机构将管柱放在吊卡内，液压缸缩回控制两扇闭合，再将锁紧装置将两扇锁紧，以完成上管动作。 图2.2 动力吊卡仰视图 图2.3 动力吊卡前视图2.2.2 扶正机械手的组成大液压缸:主要负责提供整个机构摆动的动力，当大液压缸外伸时下拉杆向回摆动，吊卡回归到起始位置，当大液压缸缩回

27、时下拉杆向外摆动，吊卡向外运动接管。摆动杆：它是与大液压缸直接相连的部分，主要起传递动力的作用。摆动连杆：主要起传递运动的作用，它有一部分固定在顶驱系统上，因此有些类似于铰链四杆机构。下拉杆：它是摆动机构与吊卡的连接部分，通过大液压缸提供动力并将动力传递给下拉杆，下拉杆带动吊卡运动（图2.4）。2.2.3 整体工作原理在工作时，一共分两个阶段，一是从外部取管，然后运动到指定位置由顶驱和下部的动力大钳接管，二是向外送管，先由顶驱和下部的动力大钳旋扣，然后将管送到机械手中。取管：首先大液压缸缩回，带动摆动杆和摆动连杆运动，通过摆动杆和摆动连杆的运动将动力传递到下拉杆上，使下拉杆向外运动，同时带动下

28、拉杆上的动力吊卡运动，当动力吊卡运动到合适位置时，动力吊卡上控制锁紧的液压缸运动，打开锁紧装置，然后动力吊卡控制开合的液压缸运动，使动力吊卡上的两爪打开，这时机械手会将管柱放到动力吊卡上，然后控制开合的液压缸运动使两爪闭合，闭合后锁紧液压缸运动将两爪锁紧，最后大液压缸外伸带动摆动杆、摆动连杆和下拉杆运动使动力吊卡回归到起始位置，最后由上部的顶驱系统和下部的动力大钳完成旋扣。送管：送管就是完井后取出所有管柱的过程，这个过程和刚才取管的运动过程基本相同，都是由大液压缸所控制的扶正机械手运动带动吊卡运动，并通过吊卡上的两个液压缸协同完成整个运动的过程，在这整个运动的过程中最主要的就是协同配合，一旦某

29、个步骤提前或滞后完成，将会导致不能达到预期的目标，也就是不能很好的完成取送管工作，这回给油井钻进带来很大不便，因此，我们在尽量简单的前提下设计了整个机构，以便于很好的完成所有控制过程。 图2.4 扶正机械手 第3章 动力吊卡与扶正机械手的结构设计3.1动力吊卡控制开合的设计3.1.1 设计过程简介 控制开合的部分是吊卡设计的主体部分，也是一大难题，因为常规的吊卡一般都是由人手动控制的，因此在设计的复杂程度上比较低，而目前市面上见到的液压动力吊卡也是由两部分组成的，也就是用一个液压缸的作用力和反作用力便能起到控制吊卡两爪开合的目的，而这个动力吊卡的设计按照设计要求来看的话是三部分组成，而为了操作

30、的方便和结构的简单我们就得同样使用一个液压缸来控制两爪的开合，因此在这个技术问题上就需要做大量的工作，前前后后尝试了不下二十余种方法想达到这个目的，但是最终都由于各种缺陷而被一一否决了，最后确定用杆机构来完成这个复杂的动作，从图3.1 中我们可以看出整个机构应用了两个铰链四杆机构，由转动副联接四个构件而形成的机构，称为铰链四杆机构。 其中铰链四杆机构又分为以下几种：(1) 曲柄摇杆机构 ：两连架杆中一为曲柄、一为摇杆的铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构。曲柄摇杆机构的作用是将曲柄的回转运动转换成摇杆的往复摆动。 (2) 双曲柄机构 ：两连架杆均为曲柄的四杆机构称为双曲柄机构 。双曲柄机构中，当两曲柄

31、长度相等，连杆与机架的长度也相等时，称为平行双曲柄机构（平行四边形机构）。 (3) 双摇杆机构 ：两连架杆均为摇杆的四杆机构称为双摇杆机构 。3.1.2 工作原理在我的这个设计中应用到的就是双摇杆机构，下面对双摇杆机构进行一些简单介绍，1.最长杆长度+最短杆长度 其他两杆长度之和，此条件称为杆长条件。2.组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆。 在满足杆长条件的四杆机构中，如果以最短杆为连杆（即图中的AB杆，CD杆为机架），则该机构为双摇杆机构。3. 如果铰链四杆机构各杆的长度不满足杆长条件，则无周转副，此时不论以何杆为机架，均为双摇杆机构。 图 3.1 双摇杆机构图 从图3.1中我们可以看出第

32、一个双摇杆机构由2左传递杆、3液压缸、4弯杆、5小弯杆，四部分组成，通过3液压缸的来回运动带动2左传递杆的运动，通过2的摆动带动4弯杆的运动，通过4弯杆的运动带动5的来回摆动从而完成双摇杆的整个运动过程。第二个双摇杆机构由4弯杆、5小弯杆、6连接杆、7右传递杆，四部分组成，它的运动过程是通过4弯杆的运动带动5小弯杆的摆动，通过5小弯杆的摆动6连接杆的来回运动，继而将运动传递到7右传递杆，最后完成整个双摇杆机构的运动过程。两个双摇杆机构是相辅相成的，它们在运动过程中第一个双摇杆机构将力传递到第二个双摇杆机构中，第一个双摇杆机构带动1吊卡左连接杆的摆动，继而带动吊卡左爪的摆动，第二个双摇杆机构带动

33、8右连接杆的摆动，继而带动吊卡右爪的运动，从而完成了左右爪的开合运动，整个运动过程的动力全部由3液压缸提供，不需要额外的任何动力。3.1.3 机构特点和优势1.特点： 这个机构最大的特点就是简单，并且在简单的前提下充分考虑到了锁紧装置的兼容性，从图3.2 动力吊卡半开状态可以看出左爪比右爪稍微高出一些，这是因为当左右爪打开时左爪要比右爪提前运动，这样就能有效的避免锁扣和外壁碰撞，也就是说锁扣并不是摆动进入右爪中，而是近于插入的状态，这给接下来加入外挡板和加入锁紧液压缸都带来很大的方便，装置另外一个特点就是开合角度可以调节，从图3.3 动力吊卡全开状态可以看出两爪的最大打开角度要比管柱直径大一些

34、，这样就有效避免了管柱和爪的碰撞几率，当然我们也可以通过对液压缸的控制而有效控制两爪的开合角度。2.优势：（1） 占用空间小：没有过多的修饰结构，从整体上来看所占的空间也比较小，因此在运动过程中不会显得十分笨重。（2） 重量轻：整个控制两爪开合的机构全部由杆组成，因此在重量上一定有很大的优势。（3） 结构简单：用一个液压缸完成两爪的开合运动，从结构上来说这已经是在很大程度上降低了控制的复杂程度。（4） 维修方便：由于该设计只有一个液压缸，因此出现故障的几率就低了很多，而且整个运动机构都是由杆组成，在坚固程度上有很大的保障，即使在十分恶劣的情况下也不会出现大问题。3.2 动力吊卡锁紧装置设计 锁

35、紧装置是动力吊卡上比较重要的一部分，它主要负责两爪的锁紧，当管柱被两爪卡紧后，由于控制开合的液压缸的动力有限为了防止液压缸失效导致的管柱掉落而造成安全事故，因此用安全锁锁紧两爪，使其在失去控制的情况下也不至管柱脱落（如图3.4），这个安全锁完全由一个液压缸代替，这样即使安全锁的液压缸失控，依然可以将锁销留在锁孔内，这样不仅简化了锁紧装置的复杂度，也在一定程度上加强了安全锁的安全性能。1-吊卡爪左连杆;2-左传递杆;3-液压缸;4-弯杆;5-小弯杆;6-连接杆;7-右传递杆;8-吊卡爪右连杆 图 3.2 动力吊卡仰视图 图3.3 动力吊卡半开状态 图3.4 动力吊卡全开状 图3.5 动力吊卡前视

36、图3.3 扶正机械手的设计3.3.1 设计过程简介 扶正机械手的主要作用是带动吊卡运动，使其达到取管的指定位置，在取管后能顺利回到起始位置，并同时做出一些调整，使其能和上部顶驱系统的背钳配合完成上部的上卸扣工作，也同时能和下面的动力大钳协同完成下面管的上卸扣工作。整个扶正机械手的设计并没有多么复杂，但是在5下拉杆和3、4摆动杆的强度设计上应该下一些苦功夫，因为吊卡本身的重量并不是很轻，即使在尽量轻便的情况下吊卡还是有500N左右的重量，而且当吊卡卡管后重量也有了很大的提升，因此这几根杆的强度应该是一个十分重视的设计部分。 1-摆动机构连杆； 2-大液压缸； 3-摆动杆1； 4-摆动杆2； 5-

37、下拉杆； 图 3.6 扶正机械手原位图3.3.2 扶正机械手工作原理这个设计的整体动力都是由2大液压缸提供，当大液压缸向下运动时，由于大液压缸和1摆动机构连杆相连，因此会带动摆动杆3和4的运动，继而带动下拉杆的前后摆动。从图中可以看出摆动杆1和下拉杆都是固定在一定位置上的，以支撑其运动。图3.7 扶正机械手最大位置3.3.3 扶正机械手特点该装置最大的特点就是用一个液压缸控制两根下拉杆的摆动，起初在设计时本来准备用两个液压缸分别控制两根杆的摆动，两个液压缸在设计上简单了许多，不用考虑杆的承重能力和许多空间上的不足，但由于两个液压缸在无形中增加了控制的复杂程度，因此最后定型为一个液压缸通过1摆动

38、机构连杆将力传递到两根下拉杆上，这样虽然在设计过程中增加了一些难度，但是在后来的控制上和维护方面都减少了很多麻烦，扶正机械手还有一个特点就是灵活，它是通过一个液压缸控制的，液压缸外伸和內缩来控制下拉杆的来回摆动，在送管的机械手有些位置偏差的时候也能在把吊卡放在指定位置的同时进行一些调整，这样就能更好的配合机械手送管机构的工作，当动力吊卡卡住管柱后下拉杆摆动回原位后也可以进行轻微的调整，以使管柱的位置竖直放置，这样能更好的配合上部顶驱系统的旋扣装置和下部动力大钳的紧扣装置。这样在无形中就减少了许多控制过程中的不便，也增加了整个钻井系统的协调性和稳定性，可以说一个看似很微妙很简单的设计创新都会给整

39、个系统带来很大的帮助。3.4 动力吊卡平衡性检测 由于动力吊卡的两个吊耳和下拉杆相连，因此就必须考虑到吊卡的平衡性，若在实际工作中有偏斜将会给工作带来很大的麻烦，就会影响到预期的效果，因此用solidworks软件对动力吊卡的质心进行寻找并分析。经软件计算得如下动力吊卡打开（图3.7）时质心位置数据。体积 = 2868962.34 立方毫米，表面积 = 565334.49 毫米2重心 : X = 0.05Y = 7.49Z = 40.10惯性主轴和惯性力矩 : ( 克 * 平方毫米 )由重心决定。 Ix = (1.00, -0.01, -0.01) Px = 12891602.15 Iy =

40、(-0.00, 0.34, -0.94) Py = 21837057.75 Iz = (0.01, 0.94, 0.34) Pz = 23994896.30惯性张量 : ( 克 * 平方毫米 ) 由重心决定，并且对齐输出的坐标系。Lxx = 12893491.38Lxy = -113486.76Lxz = -87440.49Lyx = -113486.76Lyy = 23738744.92Lyz = -695683.24Lzx = -87440.49Lzy = -695683.24Lzz = 22091319.89惯性张量: ( 克 * 平方毫米 ) 由输出座标系决定。Ixx = 176679

41、50.91Ixy = -112390.26Ixz = -81571.12Iyx = -112390.26Iyy = 28352201.34Iyz = 166183.37Izx = -81571.12Izy = 166183.37Izz = 222524.43图3.8 动力吊卡打开状态质心位置 经软件计算出的装配体质量重心可以知道重心在装配体的中心，可以保持平衡并在实际工作中得到很好的应用。 下图3.8为动力吊卡闭合时质量重心的位置，得到下列软件计算数据： 体积 = 2868962.34 立方毫米 表面积 = 565334.49 毫米2 重心 : ( 毫米 )X = -0.41Y = 7.49Z

42、 = 37.71 惯性主轴和惯性力矩 : ( 克 * 平方毫米 )由重心决定。 Ix = (1.00, -0.01, 0.02) Px = 11693940.56 Iy = (0.02, 0.60, -0.80) Py = 16204776.84 Iz = (-0.01, 0.80, 0.60) Pz = 17811240.99 惯性张量 : ( 克 * 平方毫米 ) 由重心决定，并且对齐输出的坐标系。Lxx = 11695729.64Lxy = -25066.40Lxz = 87862.26Lyx = -25066.40Lyy = 17231946.02Lyz = -771873.91Lzx

43、 = 87862.26Lzy = -771873.91Lzz = 16782282.73 惯性张量: ( 克 * 平方毫米 ) 由输出座标系决定。Ixx = 15936269.25Ixy = -33862.83Ixz = 43584.67Iyx = -33862.83Iyy = 21311955.62Iyz = 38587.26Izx = 43584.67Izy = 38587.26Izz = 16943773.88图 3.9 动力吊卡闭合状态质心位置第4章 动力吊卡与扶正机械手的强度校核计算4.1 概述 材料的机械强度包括拉伸、压缩、弯曲、剪切、冲击、疲劳等。材料机械强度指材料受外力作用时，

44、其单位面积上所能承受的最大负荷。一般用抗弯(抗折)强度、抗拉(抗张)强度、抗压强度、抗冲击强度等来表示。通过对陶瓷和金属机械强度的测试，可了解不同种类材料在机械强度方面的差异，掌握材料强度的测试原理与计算方法。 机械强度评价包括静刚度评价、静强度评价、疲劳强度评价、断裂强度评价四部分内容。静刚度评价包括等直杆件扭转刚度评价、受弯梁的弯曲强度评价、薄板受弯曲载荷作用静刚度评价、薄壳变形计算；静强度评价包括常规设计静强度评价、极限设计静强度评价、热应力强度评价；疲劳强度评价包括名义应力无限寿命设计、名义应力有限寿命设计、名义应力疲劳寿命估算、局部应力应变法疲劳寿命估算；断裂强度评价包括线弹性断裂强

45、度评价、弹塑性断裂强度评价、裂纹扩展寿命估算。 为保证工程结构或者机械的正常工作，构件应有足够的能力负担起应当承受的载荷。因此，它应当满足以下要求： （1） 强度要求：在规定的载荷作用下的构件不应被破坏。强度要求就是指构件应有足够的抵抗破坏的能力。（2） 刚度要求：在载荷作用下，构件即使有足够的强度，但若变形过大，仍不能正常工作。刚度要求就是指构件应有足够的抵抗变形的能力。（3）稳定性要求：有些受压力作用的细长杆，应始终维持原有的直线平衡形态，保证不被压弯。稳定性要求就是指构件应有足够的保持原有平衡形态的能力。若构件横截面积尺寸不足或形状不合理，或材料选用不当，将不能满足上述要求，从而不能保证

46、工程结构或机械的安全工作。相反，也不能不恰当地加大横截面尺寸或选用优质的材料，这虽满足了上述要求，却多使用了材料和增加了成本，造成浪费。在机械工程问题中，一般说，构件都应有足够的强度、刚度和稳定性，但对具体构件又往往有所侧重。例如，储气罐主要是保证强度，车床主轴主要是要具备一定的刚度，而受压的长杆则应保持稳定性。此外，对某些特殊构件还可能有相反的要求。例如为防止超载，当载荷超出某一极限时，安全销应立即破坏。又如为发挥缓冲作用，车辆的缓冲弹簧应有较大的变形。为防止机械零件的失效，可靠性是产品的一个重要的质量指标特征，它表示产品在规定的工作条件下及规定的使用期限内完成规定功能的能力。传统的设计方法

47、是把设计变量当做规定性变量来看待。但是，对于一大批同类产品中任何特定的一件来讲，许多设计变量（例如工作载荷、极限应力、零件的尺寸等）都是随机变量。如果在产品的设计过程中通过概率与统计的方法来分析和处理这些随机变量，则可以更为准确地把握产品的可靠性。 因此，在机械设计中，对重要零部件进行校核是十分必要的，扶正机械手的主要校核部件有摆动机构连杆、摆动杆、下拉杆等，动力吊卡的主要校核部件有吊卡爪左连杆、左传递杆、液压缸、弯杆、小弯杆、连接杆、右传递杆、吊卡爪右连杆等，我们考虑的因素主要有应力、安全系数等。我们的三维建模和校核都是基于SolidWorks软件进行的，软件不仅为我们提供了方便快捷的建模方

48、法，在静态力学和动态分析上具有较高的智能化，在静力学分析中，我们只要输入我们夹具的作用面、力加载面、力的大小、方向等，软件会自动分析在这个大小的力的作用下，零部件的各部分的应力分布，变形量的大小，应变大小以及安全系数的分布等等。4.2扶正机械手重要零部件的强度校核计算4.2.1摆动机构连杆强度校核 摆动机构连杆是直接连在大液压缸上的杆，大液压缸上下运动时带动摆动机构连杆上下运动，继而带动吊卡及管柱的运动，因此摆动机构连杆所受的力很大，所以为了保证摆动机构连杆的强度我用合金钢作为摆动机构连杆的材料，让杆的两端固定，在以大液压缸为力的来源，吊卡的重量大约为700N，管柱的重量大约为200N，当吊卡

49、提升至最高时摆动机构连杆所受的力最大，约为1000N，在大液压缸上加以1000N的力，在正常比例的情况下基本没产生形变，而且安全系数为8.8，达到了使用强度，因此符合要求。图4.1 摆动机构连杆强度校核4.2.2 大液压缸强度校核大液压缸的计算是整个管柱移运装置的重要部分，摆动杆装置的正常运动工作就是依靠液压缸来驱动的，因此，液压缸的计算要有足够的余量，保证装置在工作的过程中能够稳定，安全。不同的液压缸有不同的内容和要求，一般在设计液压缸的结构时应注意以下几个问题：(1)尽量使液压缸的活塞杆在受拉状态下承受最大负载，或在受压状态下具有良好的纵向稳定性。 (2)考虑液压缸行程终了处的制动问题和液

50、压缸的排气问题。缸内如无缓冲装置和排气装置，系统中需有相应的措施，但是并非所有的液压缸都要考虑这些问题。 (3)根据主机的工作要求和结构设计要求，正确确定液压缸的安装、固定方式。但液压缸只能一端定位。 (4)液压缸各部分的结构需根据推荐的结构形式和设计标准进行设计，尽可能做到结构简单、紧凑、加工、装配和维修方便。 液压缸的计算主要有液压缸的行程、最短距离、最大距离、液压缸的内径尺寸、外径尺寸和活塞杆的外径。下拉杆在最大位置时液压缸两接耳间距最小，s1=9.7；下拉杆在竖直位置液压缸接耳间距最大，s2=56.8 ；两位置差s=s2-s1=56.8-9.7=47.1mm；查液压缸系列表可知，最接近

51、的液压缸行程为50mm，因此确定液压缸的行程s=50mm。液压缸两接耳的最小距离为9.7mmm，最大距离为56.8mm，此范围比s1和s2间距范围大，完全满足其运动。根据摆动机构连杆运动过程，摆动机构连杆在吊卡达到最大位置时的受力最大，因此为保证液压缸的安全可靠性，计算液压缸的尺寸大小应根据最大的力的受力情况来计算，如此才能保证液压缸的正常工作。因此，为保证液压缸正常工作，我们将其受力情况进行全面，具体的分析，并且要加入动载系数，这样才能在复杂的现场工作环境中使液压缸的安全性能得到保证。下面是液压缸的受力情况的计算过程，我们计算的是吊卡达到最大位置时的受力情况。液压缸受力为：F=100G=10

52、00N 工作压力定为：P=10MP。 液压缸内径计算公式： （4-1）将F和P值代入式4-1解出：D=11.28mm；查液压缸内径尺寸系列值，将计算值圆整为系列值，取D=12mm。液压缸的校核可以根据其受力情况，利用SolidWorks软件中的静力学算例分析得到液压缸各部分的应力分布以及安全系数的分析，这样就可以找到零件哪里的应力最大，哪里的安全系数最小，我们可以根据这种分析，找到零件的不安全点，然后进行修改，加强，使其达到我们要求的安全范围之内。图4.2 大液压缸应力分析图从校核中我们可以知道液压缸的变形位移量最大为0.068mm，最小的安全系数值为2.95。由此我们可以看出，液压缸在工作受力的情况下会发生一定位移变形，但