动力吊卡与扶正机械手总体设计 毕业设计.docx

动力吊卡与扶正机械手总体设计 毕业设计.docx

《动力吊卡与扶正机械手总体设计 毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《动力吊卡与扶正机械手总体设计 毕业设计.docx（37页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

动力吊卡与扶正机械手总体设计毕业设计

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柱。

关键词：

动力吊卡；钻修井；设计。

Abstract

Theelevatorisatoolswhichusedtoliftthedrillpipe,tubingandcasingpipe.Ithungsintheliftsystemonbothsidesofthehookrings,whichinsidejobstartingoutordownintothedrillandtubing,casingtotheborehole.

Whentheelevatorisindrillingworkoperation,theelevatorisawellheadtoolswhichusedtosuspensionthetubularpileandconnecttheringsup.Andthedifferentringsaperturehangingthedifferentcolumn.Inthetopdrivesystemelevatoroftensupportallcolumnsweight,whichalsoimportantintheprocessoftakeoverandunloadingpipe.Thesuspensionofthecolumnisdividedintothesuckerrodelevator、drillpipeelevator,casingpipeelevatorandtubingelevator.

Intheprocessofconnectpipe,themechanicalarmwillsentthepipeinarightplace,opentheelevatorandlockthepipe.Whentheelevator'slocationisright,thefasteningandunfasteningdeviceatthetopdrivewillscrewthepipe.Whenweneedsetdownthepipethetopdrivewillunfastenthepipe,thentheelevatorsenttothepipeinarightplaceandthemechanicalarmwillmoveawaythepipe.

Keywords：

Powerelevators；Drillingandworkover；Design

第1章概述........................................................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NATIOANALOILWELL设计的1500HP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:

①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;②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;③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23～30个搬家车次运完。

1.2.1.2钻修井机的机械化、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

1992～1995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）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1.1DDZ型对开式吊卡图1.2DD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1.4CDZ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1.5SLX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－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，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