自动排管系统举升机.docx
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自动排管系统举升机
高职学生毕业设计
题目：
自动排管系统---举升机
学院:
电子技术学院
专业:
机电一体化
学号:
200912386144
学生姓名:
周飞
指导教师:
曾镛
日期:
2012年5月28日
引言
在20世纪40年代,人们就开始探索起下钻操作的机械化方法,于是产生了钻杆自动排放系统。
目前,该系统已在深水及超深水海洋钻机中得到广泛应用,在改进钻井作业的安全性和经济性等方面取得了巨大成功。
在起下钻过程中需要将钻杆从井口移送到钻杆排放架或从钻杆排放架移送到井口,即钻杆排放操作。
特点是具有危险性;是一个重复性高而劳动强度大的过程;花费大量时间;需要多人合作共同完成。
在海上钻井作业中常遇风浪,工作环境恶劣,安全情况更为突出。
同时,海上钻井成本很高,加快钻井速度,缩短钻井周期显得尤为重要。
20世纪40年代,人们开始探索使钻杆操作机械化的各种方法,于是产生了钻杆排放系统,实现钻井过程中井口到排放架之间钻杆排放的自动化操作,避免人与钻杆的直接接触,并可加快起下钻速度,对降低海上钻井作业成本发挥了重要作用。
1）发展历史
1949年,在研制半自动化钻机时就采用了钻杆排放系统。
该系统可以通过液压和气动阀来进行,从而完成起下钻的各种常规操作。
1956年,第1套机械化钻杆操作系统应用到CUSS21钻井船上,该系统为卧式操作系统,安装在钻杆甲板尾部。
钻杆通过自动化坡道移送至井口,然后由吊卡提升。
与此同时,一套立式钻杆排放系统得到发展,此系统与传统的钻杆立根操作方式相似。
20世纪40年代末,一套样机系统安装到Hum2ble30型钻机上,并且成功钻进了22860m。
此后将近20年,才有完全自动化的钻杆排放系统开始投入商业使用,该系统使得起下钻过程不需要钻井工人直接参与。
1968年,Offshore公司在其转塔系泊钻井船Discoverer号上配备了立式钻杆排放系统,此后,自动化钻杆排放系统开始得到迅速发展。
采用该系统的初衷是解决由于钻井船运动而引起的钻杆操作的困难。
这套系统获得成功后,许多其他钻井船开始安装类似系统,包括几套类似于CUSS21钻井船上的卧式系统。
1973年,全自动化钻杆排放系统首次安装到挪威的SmedvigWestVenture半潜式钻井平台上。
采用这套系统不是为了解决平台移动产生的问题,主要是解决平台在挪威北海钻井时强风和低温的影响问题。
这套系统同样获得了成功,此后,大量其他同级别的钻机配备类似系统也获得了成功。
直到1980年,才开始出现了各种不同设计的立式钻杆排放系统。
这主要是因为相关国家标准的影响,尤其是挪威。
挪威石油局的标准规定:
作业于挪威领海内的钻机必须配备全自动化钻杆排放系统、动力卡瓦以及自动化上卸扣装置。
目前,钻杆排放系统的种类很多,包括简单的位于钻台上的机械手,以及复杂的具有3个机械手臂的排放系统。
许多系统能够举升钻杆立根,有些甚至能举升直径为<508mm（20英寸）的套管。
这些钻杆排放系统可以看作是位于井口和排放架之间的二臂或三臂机器人,操作员在封闭控制室内通过电脑或其他电子设备对系统进行控制。
2）促进钻杆排放系统发展的因素
①安全性
在整个钻井过程中,有30%以上的时间花费在起下钻杆、钻挺、套管以及其他钻具上。
研究和事故分析表明,钻井工人在进行这些操作时危险性很大。
钻杆排放系统的一个主要目标就是减少钻台上的操作人员,从而提高安全性。
②经济性
经济性不仅包括钻井作业人员的薪酬,还包括人员运输及其在作业地点的其他费用,在海上及沼泽等边远地区,花费在人员方面的费用会更高。
减少钻井作业人员可以降低总的钻井成本。
采用钻杆自动排放系统的第2个经济因素是钻井作业时间。
在某些情况下,经济因素迫使人们将钻井作业时间以分甚至以秒来考虑。
在钻超深井或在超深水海域进行钻井时,立根数目相应增多,起下钻将耗费大量的时间。
如果缩短每个立根的操作时间,那么整个起下钻过程耗费的时间将会明显减少。
当然,钻杆自动排放系统不是单纯地加快起下钻的速度,而是在其稳定的操作速度和安全的工作环境共同作用下降低成本。
③工业标准
1981年,挪威石油局的标准规定:
作业于挪威领海内的钻机必须配备自动钻杆排放系统。
1991年,对该标准作了修改,规定钻杆排放系统所能操作的管柱范围必须包括钻铤和套管。
挪威在2003年做的一项调查表明,钻杆自动排放系统在钻井工人安全、健康和工作环境等方面都有了明显的改善。
④工业发展趋势
自动化和计算机化目前已成为工业发展趋势,并且深入人心,这在一定程度上也促进了钻杆自动排放系统的发展。
钻杆自动排放系统在现代钻井中发挥了重要的作用。
目前,钻杆排放系统的操作范围已由最初的钻杆扩展到钻铤、套管、隔水管以及其他井下工具。
最近20年来,新建的大型海洋钻井装备以及自动化钻机上都广泛采用了钻杆自动排放系统
目录………………………………………………………………………………………III
1钻杆自动排放及移运系统分析
1.1钻杆自动系统分析
海洋钻井平台上的钻杆从钻井架上排放到钻杆架上需要经过钻杆的转运和钻杆的移运两个过程，为了实现海洋钻井平台钻杆排放和移运的自动化，针对钻杆的转运和移运两个必要过程，海洋钻井平台钻杆自动排放及移运系统主要分为钻杆自动转运系统和钻杆自动移运系统。
本设计主要参数钻井深7000米深，钻杆外径5英寸，壁厚0.5英寸，长12m，重量35.79kg/m；钻杆接头外径147mm,钻杆组合长度457.2mm，重量32.62kg/m。
在海洋上钻井为了节省钻杆的安装时间，通常将3根钻杆用钻杆接头组合成立根。
单根立根重量m=12×3×35.79+0.457.2×3×32.62=1350kg，总长37.37m。
1.2钻杆自动转运系统基本原理分析
钻杆自动转运系统主要是实现钻杆从钻井架上的垂直位置转动到水平位置。
在这个过程中需要一个能够从水平位置转动到垂直位置的转运臂，由于3根钻杆组合成的立根比较重因此初步采用液压缸推动转运臂转动实现从水平位置转动到垂直位置的过程。
在钻杆从钻井架上的垂直位置转换到水平位置的过程中还需要抓紧钻杆的机械手抓紧机构，防止钻杆从转运臂上滑落。
1.3钻杆自动移运系统基本原理分析
钻杆自动移运系统主要是实现钻杆从转运臂上转运到钻杆架上。
在这个过程中需要一个能够从转运臂上抓住钻杆并且移动到钻杆架上的移动系统，这个移动系统包括水平移动的小车和抓住钻杆起升降落的机械手以及存放钻杆的钻杆架组成。
由于3根钻杆组合成的立根比较重因此初步采用液压缸带动机械手运动实现钻杆的起升和下降的过程。
考虑到钻杆的水平移动平稳性和精确定位，初步定为液压马达为小车的驱动机构。
2钻杆自动排放及移运系统结构设计
2.1钻杆自动转运系统结构设计结构原理
钻杆自动转运系统由转运臂、伸缩臂、机械手总成和底座四部分组成。
钻杆自动转运系统基本结构如图3-1所示：
图3-1钻杆自动转运系统结构图
1）转运臂2）转运液压缸3）钻杆4）短伸缩臂5）长伸缩臂6）机械手总成7）钻杆接头
8）底座9）固定板10）伸缩臂伸缩液压缸
（1）转运臂其作用是实现钻杆从钻井架上的垂直位置转动到水平位置。
主要采用桁架结构，在转运臂上安装短伸缩臂、长伸缩臂、机械手总成、转运液压缸和伸缩臂伸缩液压缸。
由转耳、转耳连接钢板、大梁角钢、支撑角钢、辅助支撑角钢和连接钢板构成。
（2）伸缩臂其作用是当转运臂转动到垂直位置后，伸缩臂伸长使机械手抓住钻井架上的钻杆，然后伸缩臂收缩使机械手以及机械手抓住的钻杆一起离开钻井架，接下来与转运臂一起转动到水平位置，由长伸缩臂和短伸缩臂构成。
（3）机械手总成其作用是在钻杆从钻井架上的垂直位置转动到水平位置的整个过程中紧紧抓住钻杆，使其不能从转运臂上滑脱。
由机械手指、抓紧液压缸和连杆构成。
（4）底座通过地角螺栓安装在海洋钻井平台上，其作用是给钻杆的转运提供一个稳定结构，提高钻杆转运和移运的精确性。
2.2钻杆自动移运系统结构设计结构原理
钻杆自动移运系统由移动小车、大梁、机械手总成、起升液压缸和钻杆架五部分组成。
钻杆自动移运系统基本结构如图3-2所示
图3-2钻杆自动移运系统结构图
1大梁2）钻杆排放架3）机械手总成4）起升液压缸5）移动小车6）液压马达7）固定板
（1）移动小车其作用是提供水平方向的灵活稳定移动。
由马达、传动齿轮、转动轴、车轮和车体组成。
（2）大梁其作用是连接移动小车，并且给起升液压缸提供安装位置，采用桁架结构可以提高起升液压缸的稳定性和精确性。
（3）机械手总成其作用是钻杆从转送臂上移动到钻杆钻杆排放架上整个过程中紧紧抓住钻杆，使其不能从转运臂上滑落。
由机械手指、抓紧液压缸和连杆构成。
（4）起升液压缸其作用是在机械手紧紧抓住钻杆后使钻杆实现起升和下降的过程。
（5）钻杆钻杆排放架其作用为钻杆存放和移动系统的精确排放提供一个架体。
3钻杆自动转运系统结构设计计算
3.1转运臂结构设计
转运臂是短伸缩臂、长伸缩臂、机械手总成、转运液压缸和伸缩臂伸缩液压缸的支撑部件，由于3根钻杆组合成的立根比较长，因此转运臂的总体采用等边角钢桁架结构，这种结构即节约了大梁的钢材，而且总体重量也很轻并且结构稳定性也比较好，经济上也比较合理；而转运臂上的短伸缩臂、长伸缩臂、机械手总成、转运液压缸和伸缩臂伸缩液压缸等部分通过轴与焊接在转运臂上的钢板连接，钢板的材料选用热轧钢板就能够满足。
转运臂由转耳、转耳连接钢板、大梁角钢、支撑角钢、辅助支撑角钢和连接钢板组成。
基本结构如图4-1所
图4-1转运臂示意图
1）转耳2）转耳连接钢板3）大梁角钢4）连接钢板
（1）转耳的尺寸初步定为：
将180mm×300mm×50mm的热轧钢板的300mm的一般切割成半径60mm的圆弧，在上钻一个
65孔由于按转衬套与底座连接，垂直焊接在转耳连接钢板上。
（2）转耳连接钢板的功能是将转耳与转运臂的大梁角钢连接，使转运臂能够从水平位置转动到垂直位置。
尺寸初步定为：
300mm×300mm×50mm的热轧钢板。
（3）大梁角钢的功能是为转运臂支撑短伸缩臂、长伸缩臂、机械手总成、转运液压缸和伸缩臂伸缩液压缸等提供安装条件，材料选用5号热轧等边角钢，长度初步定为30m。
（4）支撑角钢的功能是支撑大梁角钢防止其发上弯曲和扭曲变形，材料选用4.5号热轧等边角钢，长度初步定为290mm。
（5）辅助支撑角钢的功能是提高支撑角钢的抗弯扭变形的能力，材料选用4号热轧等边角钢。
（6）连接钢板的功能是将短伸缩臂、长伸缩臂、机械手总成、转运液压缸和伸缩臂伸缩液压缸等部件连接在转运臂上，初步定为12块200mm×290mm×45mm的热轧钢板。
3.2长伸缩臂结构设计
长伸缩臂是实现机械手抓住的钻杆从钻井架上收缩到转运臂上和钻杆从转运臂上伸长到钻井架上两个过程的主要伸缩手臂。
材料选择a=150mm方钢，在长伸缩臂上安装伸缩臂伸缩液压缸，所以在长伸缩臂偏中间位置上铣一个长方形的孔。
由于7000米深的海洋钻井平台上的钻井架底座长8米，宽8米。
这就要求伸缩臂至少能够伸长4米，使钻杆能够到达井口的位置。
考虑到钻杆自动转运系统距钻井架底座保持一定的距离
，经过计算长伸缩臂的尺寸和形状如图4-2所示
3.3短伸缩臂结构设计
短伸缩臂是实现机械手抓住的钻杆从钻井架上收缩到转运臂上和钻杆从转运臂上伸长到钻井架上两个过程的辅助伸缩手臂。
材料选择a=150mm方钢，经过计算短伸缩臂的尺寸和形状如图4-2所示。
图4-3短伸缩臂尺寸示意图
3.4机械手总成结构设计
机械手总成的作用是在钻杆从钻井架上的垂直位置转动到水平位置的整个过程中紧紧抓住钻杆，使其不能从转运臂上滑脱。
主要由机械手指、抓紧液压缸和连杆三大部分构成。
机械手总成基本结构如图4-4所示。
图4-4机械手总成示意图
1）开口销2）凹头连杆3）抓紧液压缸4）机械手指5）机械手指连接销6）连杆连接销
7）衬套8）凸头连杆9）抓紧液压缸连接轴10）长伸缩臂连接轴
3.4.1机械手指设计
机械手指的作用是直接与钻杆接触，通过抓紧液压缸推动连杆使机械手指紧紧抓住钻杆，产生的摩擦力使钻杆不能滑落。
所以机械手指的内壁做成与钻杆接头外径一样大的圆弧，这样就能使钻杆紧紧被抓住。
3.4.2抓紧液压缸设计
一.抓紧液压缸负载分析
机械手提供的摩擦力应该大于等于3根钻杆组合成立根的重量，取摩擦力的临界力，抓紧液压缸的受力分析如图4-5所示。
图4-5抓紧液压缸受力分析示意图
f=1350kg×10N/kg=13.5kN；
f1=1/2f=6.75kN,由f1=
N1得
N1=f1/
=45kN；
由F1=Fcos30°=N1得
F=N1/cos30°=52kN；
式中：
N1——机械手提供的压力；
f1——一个机械手提供的摩擦力；
F——抓紧液压缸的负载；
F1——F水平方向分力；
——摩擦系数0.15；
f——总摩擦力；二.确定抓紧液压缸主要参数
1.初选液压缸的工作压力P1
由抓紧液压缸受力分析可知，抓紧液压缸的负载F=52kN。
根据表5-1初步选定液压缸工作压力为P1=8MPa。
表4-1按负载选择执行元件工作压力
负载F/kN
﹤5
5～10
10～20
20～30
30～40
﹥50
工作压力p/MPa
﹤0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
﹥5
2.计算液压缸结构参数
由于抓紧机构比较简单，所以选用单出杆活塞差动连接的方式实现机械手的抓紧过程。
设液压缸两有效面积为A1和A2，因为活塞杆是受压力，所以取d=0.7D，即A1=2A2。
由抓紧工况下液压缸平衡力平衡方程P1A1=F，可得
A1=F/P1=52000/9×106cm2=58cm2
式中：
A1——液压缸作用有效面积
F——液压缸负载
P1——液压缸工作压力
液压缸内径D就为
D=
=
cm=86cm
根据表5-2初步选定液压缸内径D=80cm，由d=0.7D和表5-3取d=56cm。
计算出液压缸的有效工作面积A1=50.24cm2，A2=25.12cm2
表4-2缸筒内径D系列（GB/T2348-1993）（mm）
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
100
125
160
200
250
320
400
表4-3活塞杆直径d系列（GB/T2348-1993）（mm）
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
2.液压缸验算
由抓紧工况下液压缸平衡力平衡方程P1A1=F，可得
P1=F/A1=10.4MPa
所以，液压缸的工作压力P1=10.4Mpa。
3.5伸缩臂伸缩液压缸结构设计
伸缩臂伸缩液压缸的作用是推动伸缩臂伸长和收缩带动机械手，使钻杆离开或到达钻井架井口位置。
3.5.1伸缩液压缸运动状态分析
伸缩液压缸的运动状态分为①转运臂转到垂直位置，液压缸没有伸出，液压缸主要有一个背压防止钻杆下落。
②液压缸伸出，机械手伸长到井口位置，液压缸也有一个背压防止钻杆过度下落到井钻架的平台上。
③当转运臂处于水平位置时，液压缸产生一个背压房子伸缩臂过度收缩。
3.5.2伸缩液压缸设计
一.负载分析
①状态伸缩液压缸负载分析
伸缩液压缸提供的拉力产生的转矩与3个钻杆组成的立根重量产生的转矩应该平衡，才能保证钻杆处于静止状态。
由于钻杆是被2个机械手臂提起，所以一个机械手承受一半立根的重量，受力分析如图4-6所示。
图4-6伸缩液压缸①状态受力分析示意
经过计算机械手总成的重力为G1=1.116kN，所以一个机械手承受的总重力G=7.866kN。
列平衡方程得：
F·sin75º+Y=G
G×2.9×sin5º+Y×1.6×cos85º=0
解得：
Y=-14.3kN
F=22.95kN
式中：
F——伸缩液压缸的负载；
Y——铰支垂直方向分力；
G——机械手承受重力
②状态伸缩液压缸负载分析
伸缩液压缸提供的拉力产生的转矩与3个钻杆组成的立根重量产生的转矩应该平衡，才能保证钻杆处于静止状态。
由于钻杆是被2个机械手臂提起，所以一个机械手承受一半立根的重量，受力分析如图4-7所示。
图4-7伸缩液压缸②状态受力分析示意图
列平衡方程得：
Fsin31°+Y=G
G×2.9×sin67º+Y×1.6×sin67º=0
解得：
Y=-14.3kN
F=43kN
式中：
F——伸缩液压缸的负载；
Y——铰支垂直方向分力；
G——机械手承受重力
③状态伸缩液压缸负载分析
伸缩液压缸提供的拉力产生的转矩与3个钻杆组成的立根重量产生的转矩应该平衡，才能保证钻杆处于静止状态。
由于钻杆是被2个机械手臂提起，所以一个机械手承受一半立根的重量，受力分析如图4-8所示。
图4-8伸缩液压缸③状态受力分析示意图
列平衡方程得：
Fsin15°+Y=G
G×2.9×sin85º+Y×1.6×sin85º=0
解得：
Y=-14.3kN
F=86kN
式中：
F——伸缩液压缸的负载；
Y——铰支垂直方向分力；
G——机械手承受重力
二.确定伸缩液压缸主要参数
1.初选伸缩液压缸的工作压力
根据①状态的液压缸负载F=22.95kN和表5-1，取液压缸工作压力P1=3Mpa。
2.确定液压缸主要参数
由于伸缩机构比较简单，所以采用单出杆活塞差动连接的方式实现机械手的抓紧过程。
设液压缸两有效面积为A1和A2，因为活塞杆是受拉力，所以取d=0.5D，其中A2=
-
=
。
由收缩工况下液压缸平衡力平衡方程P1A2=F，可得
A2=F/P1=22950/3×106cm2=76.5cm2
式中：
A2——液压缸作用有效面积；
F——液压缸负载；
P1——液压缸工作压力；
液压缸内径D就为
D=
=
cm=114cm
根据表4-2初步选定液压缸内径D=125cm，由d=0.5D和表4-3取d=63cm。
计算出液压缸的有效工作面积A1=122.7cm2，A2=92cm2。
2.液压缸验算
（1）由抓紧工况下液压缸平衡力平衡方程P1A2=F，可得
P1=F/A2=2.5Mpa；
所以，液压缸抓紧工况的工作压力P1=10.4Mpa。
（2）在伸缩液压缸②状态负载下校核，列平衡力方程P1A2=F，可得
P1=F/A2=4.7Mpa；
式中：
F——②状态下负载43kN；
工作压力P1=4.7Mpa，根据表4-1知在许用范围之内。
（3）在伸缩液压缸③状态负载下校核，列平衡力方程P1A2=F，可得
P1=F/A2=7.01Mpa
式中：
F——②状态下负载86kN；
工作压力P1=7.01Mpa，根据表4-1知在许用范围之内。
所以综上所述，伸缩液压缸筒内径D=125满足工作要求。
3.6转运液压缸结构设计
转运液压缸的作用是推动转运臂实现从水平位置转动带垂直位置或从垂直位置转动到水平位置的过程。
3.6.1转运压缸运动状态分析
转运液压缸的运动状态分为两种①转运液压缸刚开始推动转运臂转动②转运液压缸推动转运臂到垂直位置同时伸缩臂伸出并静止。
3.6.2伸缩液压缸设计
一.负载分析
①状态转运液压缸负载分析
转运液压缸提供的推力产生的转矩与转运臂自重产生的转矩应该平衡，刚好能推动转运臂，受力分析如图4-9所示。
图4-9转运液压缸①状态受力分析示意图
经过计算转运臂及其上的部件总重G1=24.8kN，钻杆及机械手总成和连杆总重G2=15.5kN。
列平衡方程得：
F×3.535×sin9º-G1×14.905-G2×24.22=0
解得：
F=210.8kN
式中：
F——转运液压缸负载；
②状态伸缩液压缸负载分析
当转运臂转动到垂直位置后，转运液压缸提供的拉力产生的转矩与3个钻杆组成的立根重量产生的转矩应该平衡，才能转运臂处于静止状态，受力分析如图4-10所示。
图4-10转运液压缸②状态受力分析示意图
列平衡方程得：
F×3.5×sin19º-G×5.4=0
解得：
F=73.5kN
式中：
F——转运液压缸的负载；
G——钻杆及机械手总成和连杆总重；
二.确定转运液压缸主要参数
1.初选转运液压缸的工作压力
根据①状态的液压缸负载F=158.53kN和表4-1，考虑到负载比较大，所以初步选取液压缸工作压力P1=18Mpa。
2.确定液压缸主要参数
由于转运机构比较简单，所以采用单出杆活塞差动连接的方式实现机械手的抓紧过程。
设液压缸两有效面积为A1和A2，因为活塞杆是受压力，所以取d=0.7D，其中A1=2A2。
由刚开始推动工况下液压缸平衡力平衡方程P1A1=F，可得
A1=F/P1=210800/18×106cm2=117.1cm2
式中：
A1——转运液压缸作用有效面积；
F——转运液压缸负载210.8kN；
P1——转运液压缸工作压力；
液压缸内径D就为
D=
=
cm=122cm
根据表4-2初步选定液压缸内径D=125cm，由d=0.7D和表4-3取d=90cm。
计算出液压缸的有效工作面积A1=122.7cm2，A2=61.4cm2。
2.液压缸验算
（1）由刚开始推动转运臂工况下液压缸平衡力平衡方程P1A1=F，可得
P1=F/A1=17.2Mpa；
所以，液压缸的工作压力P1=17.2Mpa。
（2）在伸缩液压缸②状态负载下校核，列平衡力方程P1A2=F，可得
P1=F/A2=12Mpa；
式中：
F——②状态下负载73.5kN；
工作压力P1=12Mpa，根据表4-1知在许用范围之内。
所以综上所述，转运液压缸筒内径D=125满足工作要求。
3.7底座结构设计
底座是转运臂及其上部件的支撑部件，由于转运臂及其上的部件总重较重，因此底座的总体采用等边角钢桁架结构，与转运臂的结构相似。
底座上的固定板通过地角螺栓与钻井平台牢牢的固定住。
基本结构如图4-11所示。
图4-11底座机构示意图
1）连接耳2）分隔角钢3）固定板
4钻杆自动移运系统结构设计计算
4.1移动小车结构设计
移动小车是钻杆自动移运系统中一个重要的部件，考虑到移动的平稳性和精确性，采用液压马达带动车轮转动，从而实现了整体的移动，基本结构如图5-1所示。
图5-1小车结构示意图
1）车轮2）轴3）支撑钢板4）车体大梁5）支撑角钢6）大梁7）长连杆8）短连
9）马达安装钢10）齿轮11）马
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