石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化【SolidWorks三维】【38张CAD图纸】【优秀】

石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化

60页 15000字数+说明书+任务书+开题报告+SolidWorks三维图+38张CAD图纸【详情如下】

SL160-00水龙头总图.dwg

SL160-01提环.dwg

SL160-02鹅颈管.dwg

SL160-03支架.dwg

SL160-04.00盘根总成.dwg

SL160-04.01上螺帽.dwg

SL160-04.02卡簧.dwg

SL160-04.03 O形密封圈.dwg

SL160-04.04上盘根盒.dwg

SL160-04.05上隔环.dwg

SL160-04.06冲管盘根.dwg

SL160-04.07冲管.dwg

SL160-04.08下盘根盒.dwg

SL160-04.09隔环.dwg

SL160-04.10隔环.dwg

SL160-04.11下隔环.dwg

SL160-04.12下螺帽.dwg

SL160-05.00油标尺.dwg

SL160-05.01油塞.dwg

SL160-05.02油标尺杆.dwg

SL160-06提环销.dwg

SL160-07压板.dwg

SL160-08缓冲垫螺栓座.dwg

SL160-09缓冲垫.dwg

SL160-10放油塞.dwg

SL160-11垫片.dwg

SL160-13护丝.dwg

SL160-14接头.dwg

SL160-15中心管.dwg

SL160-16下轴套.dwg

SL160-17下隔环.dwg

SL160-18下盖.dwg

SL160-20壳体1.dwg

SL160-20壳体2.dwg

SL160-21孔用挡圈.dwg

SL160-23上隔环.dwg

SL160-24上轴套.dwg

SL160-25橡皮伞.dwg

SolidWorks三维图

实习调研报告.doc

任务书.doc

石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化说明书.doc

石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化开题报告.doc

摘要

　　　现代钻机机械属于一套联合机组，深井钻机属于重型机械。我国的石油钻采机械起步较晚，但发展较快，各石油机械零件设计已经发展到了新的高度。水龙头属于钻采机械旋转系统的一部分。水龙头由旋转部分，固定部分，承转部分组成水龙头通过提环挂在大钩上，可随大钩运行而上提下放；下部接方钻杆，连接下井钻具；上部通过鹅颈管与水龙袋相连。由此可见，水龙头是提升、旋转、循环三大工作机组相汇交的“关键”部件。水龙头作为钻采机械中承上启下的关键性组成部分，其质量和工作情况决定着钻机的工作情况。对水龙头的要求也显得要有必要的苛刻性，对其结构的优化和寿命的延长也有很多要求。

　　　根据水龙头所要完成的任务，本毕业设计首先对水龙头做整体结构设计，设计工程中考虑钻井工艺对水龙头的总体要求，满足API相应规范和行业标准要求。根据二维图，进行三维建模后，对提环进行校核，并针对提环这一薄弱环节，运用ANSYS进行应力、应变分析，适当优化，通过ANSYS分析，提环完全符合设计要求。

关键词： 钻采机械  水龙头  ANSYS分析

Abstract

  Modern drill machine belongs to a set of joint sets, deep well drilling machine belong to heavy machinery. The oil drilling machinery in China starts late, but develops fast, the petroleum machinery parts design has developed to a new height. The tap to a part of the drilling machine rotation system. Faucet by rotating part and fixed part, handing down of the faucet by lifting ring hanging on the hook, can lift with hook run down; The lower connect the drill pipe, connect the well drilling tools; The upper by gooseneck connected with hoses bag. Thus, faucet is three big ascension, rotation, cycle unit work concurrent "key components". Faucet as a key part of which forms a connecting link between the preceding and drilling machinery, its quality decides the working condition of drilling rig and work situation. The requirement to the faucet also appears to have the necessary rigour, the optimization of the structure and the extension of life also has a lot of requirements.

Keywords: Drilling machinery，  faucet,  ANSYS analysis

目    录

摘要

Abstract

第一章：绪论1

1.1 本课题研究背景1

1.2石油钻机组成1

1.2.1起升系统2

1.2.2 旋转系统2

1.2.3 循环系统2

1.2.4 动力设备3

1.2.5传动系统3

1.2.6 控制系统3

1.2.7 井架和底座3

1.2.8 辅助设备4

1.3国内外发展状况4

1.3.1 国外发展趋势4

1.3.2国内的发展5

1.4石油钻机用水龙头功能简介5

1.4.1水龙头的组成5

1.4.2水龙头的功用5

1.4.3对水龙头的要求6

1.5课题研究的主要内容6

第二章：三维建模7

2.1SolidWorks软件简介7

2.2零件的三维造型7

2.2.1 提环的三维造型8

2.2.2鹅颈管三维造型16

2.2.3零部件建模及装配图25

2.3 本章小结31

第三章 水龙头零部件校核32

3.1主轴承预期使用寿命校核32

3.1.1 对主轴承时间寿命计算式的分析32

3.1.2 主轴承预期使用寿命计算33

3.1.3 主轴承寿命校核35

3.2 壳体校核37

3.3 提环销校核38

3.4本章小结38

第四章 有限元分析39

4.1 有限元分析软件简介39

4.2 提环的有限元分析39

4.2.1 创建提环分析40

4.2.2 划分提环网格41

4.2.3 计算接触块尺寸和载荷41

4.2.4 施加约束和载荷43

4.2.5 分析结果46

4.2.6 优化提环47

4.3本章小结50

第五章 总结和展望51

5.1 总结51

5.2 展望51

致谢

参考文献

1.1 本课题研究背景

　　  我国钻采机械行业和其他传统机械行业一样，起步较晚。虽然发展较快，但是总体仍未达到国际先进水平。国内对机械零件优化80%以上仍然局限于简单的机械零部件。而今石油钻采机械优化设计已经不再是简单的零部件优化，而是复杂的零部件或者整机甚至组合产品系列化的优化。石油化工机械设备正在朝着机械设计更高的水平发展，我国的科研工作者也正在抓住这跨越式发展的机遇，让我国的钻采机械设计达到崭新的高度。

1.2石油钻机组成

　　　为了寻找石油和天然气的储藏，除了采用地球物理方法进行勘探外，还必须钻各种探井，这就需要石油钻机。石油钻机能够带动钻具破碎岩石，向地下钻进，钻出规定深度的井眼，供采油机或采气机获取石油或天然气。是由多台设备组成的一套联合机

　　　钻机的种类很多，转盘钻机是成套钻井设备中的一种基本形式，也称为常规钻机。此外，为适应各种地理环境和地质条件、加快钻井速度、降低钻井成本、提高钻井综合经济效益，其钻井方法和钻井技术也必须随之不断地发展、变化和改善，近年来世界各国在转盘钻机的基础上研制了各种                图1.1 石油钻机

类型的有特殊用途的钻机，如沙漠钻机、丛式井钻机、顶驱钻机、小井眼钻机、连续柔管钻机等特种钻机。

　　　它主要包括起升系统、旋转系统、钻井液循环系统、传动系统、控制系统、动力驱动系统、钻机底座、钻机辅助设备系统。下面对石油钻机的系统作概述　                                                                                      

1.2.1起升系统

   为了起下钻具、更换钻头、控制钻头送进、下套管等，钻机还必须配备一套起升系统设备，它主要由以下设备组成：主绞车、辅助绞车(或猫头)、辅助刹车、游动系统(包括钢丝绳、天车、游动滑车和大钩)以及悬挂游动系统的井架组成。另外，还有起下钻操作使用的工具及设备(吊环、吊卡、卡瓦、大钳、立根移动机构等)。

　　　起升时，绞车滚筒缠绕钢丝绳，天车和游车构成副滑轮组，大钩上升通过吊环、吊卡等工具实现钻具的提升。下放时，钻具或套管柱靠自重下降，借助绞车的刹车机构和辅助刹车控制大钩的下放速度。在正常钻进时，通过刹车机构控制钻具的送进速度，将钻具重量的一部分作为钻压施加到钻头上实现破碎岩层。

  1.2.2 旋转系统

　　　为了旋转钻具破碎岩石，钻机必须配备钻盘、水龙头等地面旋转设备，以及方钻杆、钻杆、钻铤、钻头等井下旋转设备。

　　　其中钻头是直接破碎岩石的工具，有刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头等类型。钻铤的重量和壁厚都很大，用来向钻头施加钻压，钻杆将地面设备和井底设备联系起来，并传递扭矩。方钻杆的截面一般为正方形，转盘通过方钻杆带动整个钻柱和钻头旋转，水龙头是旋转钻机的典型部件，它既要承受钻具的重量，又要实现旋转运动，同时还提供高压泥浆的通道。

  1.2.3 循环系统

　　　为了随时清除井底已破碎的岩屑和正常连续钻进，同时为了冷却钻头保护井壁，防止井塌井漏等钻井事故的发生，旋转钻机配备有循环系统。

　　　循环系统包括钻井泵，地面管汇、泥浆罐、泥浆净化设备等，其中地面管汇包括高压管汇、立管、水龙带，泥浆净化设备包括震动筛、除砂器、除泥器、离心机等。

　　　井泵将泥浆从泥浆罐中吸入，经钻井泵加压后的泥浆，经过高压管汇、立管、水龙带，进入水龙头，通过空心的钻具下到井底，从钻头的水眼喷出，经井眼和钻具之间的环行空间携带岩屑返回地面，从井底返回的泥浆经各级泥浆净化设备，除去固相含量，然后重复使用。

 1.2.4 动力设备

　　　为了使工作机获得足够的动力进行运转，必须配备动力设备及其辅助设备，如柴油机及其供油设备，或交流、直流电动机及其供电、保护、控制设备等。

 1.2.5传动系统

　　　传动系统将动力设备提供的力和运动进行变换，然后传递和分配给各工作机组，以满足各工作机组对动力的不同需求。传动系统一般包括减速机构、变速机构、正倒车机构以及多动力机之间的并车机构等。

　　　由柴油机直接驱动的钻井多采用统一驱动的形式，传动系统相对复杂，由交直流电动机驱动的钻机多采用各机组单独或分组驱动的形式，传动系统得到了很大的简化。

 1.2.6 控制系统

　　　为了指挥各机组协调进行工作，在整套钻机中还装备各种控制设备，如机械控制设备(手柄、踏板、杠杆等)、气动或液动控制设备(开关、调压阀、工作缸等)、电控制设备(开关、变阻器、启动器、继电器等)以及集中控制台和观察记录仪表等。

 1.2.7 井架和底座

　　　井架和底座用来支撑和安装各钻井设备和工具、提供钻井操作场所。井架用来安装天车、悬挂游车、大钩、水龙头和钻具，承受钻井工作载荷，排放立根；底座用来安装动力机组、绞车、转盘、支撑井架，借助转盘悬持钻具，提供转盘和地面之间的高度空间，以安装必要的防喷器和便于泥浆循环。

 1.2.8 辅助设备

　　　为了保证钻井的安全和正常进行，钻机还包括其他的辅助设备，如防止井喷的防喷器组，为钻井提供照明和辅助用电的发电机组，提供压缩空气的空气压缩设备以及供水、供油设备等。

1.3国内外发展状况

 1.3.1 国外发展趋势

　　 21世纪以来,国外研究改进、开发创新了多种新型石油钻机,涌现了许多新结构、新技术。近年来,为了适应浅海、海滩、沙漠和丘陵等不同地带油气藏的勘探和开发,美国、中国、德国、法国、加拿大、意大利、墨西哥和罗马尼亚等国先后开发了各种类型的石油钻机。国内外在顶部驱动钻机、小井眼石油钻机、套管钻机、液压钻机、自动化钻机及钻机配套技术方面发展很快,一些技术已进入实用阶段。

　　　近年来，国外的石油钻机发展速度非常快，而且呈现出一定的趋势，现总结出以下几点：

　　　（1）专业化钻机得到快速发展，形式更加趋向于多元化，如以上提到的能够适应各种环境和工艺技术发展的沙漠钻机、海洋钻机、斜井钻机、小井眼钻机、特深井钻机、连续管钻机等。

　　　（2）规模向两极化方向发展：深井石油钻机趋向大型化(1500m,MAX12500kN)、轻便钻机趋向小型化(车载为主)。

　　　（3）钻机技术更加得先进化，能够实现控制的自动化、智能化。顶驱、盘式刹车技术逐步成熟,电动控制技术、液压驱动技术和可靠性逐步提高。

1.3.2国内的发展

   我国钻采机械和其他行业一样，起步较晚，但是发展迅猛。60多年来，我国石油钻机经历了仿制、引进、消化、吸收的过程，现已进入以自主开发为主的阶段。近10年来，我国石油钻机技术得到最为快速的发展，制造能力得到极大提高。我国钻机制造厂制造的各种钻机已基本满足我国石油勘探开发工作自身的需要，先后开发了适于陆地、沙漠及海洋作业的石油钻机，传动技术已发展到机械传动、直流电传动、交流变频电传动及机、电复合传动并举。目前，我国已形成年制造钻机200台的能力，已成为全球最大钻机制造国。我国石油钻机技术及制造能力的发展为我国石油工业实施低成本战略，参与国际市场竞争及保证我国石油安全奠定了良好的基础。如今，我国已经成为世界钻采机械生产大国之一。

1.4石油钻机用水龙头功能简介

　　　水龙头通过提环挂在大钩上，可随大钩运行而上提下放；下部接方钻杆，连接下井钻具；上部通过鹅颈管与水龙袋相连。由此可见，水龙头是提升、旋转、循环三大工作机组相汇交的“关键”部件。水龙头具有较高的承载能力和良好的密封性能以及有足够大的旋扣扭矩特性。1.4.1水龙头的组成

　　　水龙头是旋转系统的重要组成部分。根据水龙头在钻井过程中所起的作用，其结构可分为三部分：

　　　（1）. 承载系统：中心管及其接头、壳体、耳轴、提环和主轴承（负荷轴承）等；

　　　（2). 钻井液系统：鹅颈管、钻井液冲管总成（包括上、下钻井液密封盒组件等）；

　　　（3). 辅助系统：扶正轴承、防跳轴承、机油密封盒组件及上盖等。

1.4.2水龙头的功用

　　　通过对水龙头的研究，水龙头主要有以下功用：

　　　（1）悬持旋转着的钻杆柱，承受大部分乃至全部钻具重量；

　　　（2）向转动着的钻杆柱内引输高压钻井液；

1.4.3对水龙头的要求

　　　(1）水龙头的主轴承必须具有足够的强度和寿命（因为水龙头的主轴承几乎是在全部钻具重量下振动、旋转，工作条件十分恶劣）；

　　　(2）高压钻井液密封系统（或称冲管总成）必须工作可靠，寿命长，更换快速、方便；

　　　(3）机油密封良好，能制动补偿工作过程中密封元件的磨损；

　　　(4）各承载零件，如提环、壳体、中心管等，应具有足够的强度和刚性。

　　　水龙头的寿命和工作质量主要取决于主轴承的结构类型、轴承布置方案和钻井液密封系统的结构型式。　　

1.5课题研究的主要内容

　　　本课题主要解决的问题是石油钻机用中型水龙头的结构设计，并就其受载复杂的主轴承进行校核，以及提环进行有限元分析和优化。其主要内容如下：

　　　参阅与石油钻机及其水龙头相关的中英文文献，将其整理。了解课题的相关专业知识，深刻体会本课题研究内容，在此基础上完成水龙头结构设计的方案；

　　　根据完成的结构设计的方案，建立三维模型，并将其装配。直观地了解所设计的结构，找出不合理的结构尺寸，进行修改完善。

　　　校核受载复杂的主轴承的寿命，并对壳体、提环、提环销进行简化强度校核。

　　　对提环进行有限元分析：利用静力学分析，计算加载，添加约束，得出应力应变位移结果。在此基础上，进行优化，使其满足安全要求。第二章：三维建模

　2.1SolidWorks软件简介

　　　SolidWorks为达索系统（Dassault Systemes S.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。达索公司是负责系统性的软件供应，并为制造厂商提供具有Internet整合能力的支援服务。该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系统，著名的CATIAV5就出自该公司之手，目前达索的CAD产品市场占有率居世界前列。

　　　SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。

　　　Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。　　

2.2零件的三维造型

　　　本毕业设计中，运用Autocad 2010编辑二维图，根据二维零部件图，运用SolidWorks三维建模软件绘出所有非标准件；根据二维装配图导入标准件和已绘非标准件图，形成水龙头装配图。

2.2.1 提环的三维造型

   提环主要作用是在水龙头工作状态下，支撑起水龙头整体。其U型部分受到吊钩的复杂的压力，耳环部分受到提环销周向的载荷。它是一个关键的零部件。根据二维图尺寸提环的三维建模过程如下： 5.1 总结

　　　毕业设计工作接近尾声，现将近一个学期的毕设工作总结如下：

　　　在接触毕设课题后，我花了大量的时间进入校电子图书馆下载了大量关于石油钻机、石油钻机用水龙头的论文、图书。积极了解石油钻机及其水龙头的国内外发展现状、发展趋势、组成结构、工作原理。

　　　前期工作我完成了外文翻译，开题报告，文献综述等工作内容，并准时参加了中期答辩。

　　　先用Autocad2010绘出二维图，再用Solidworks绘出水龙头零部件，并将这些零部件准确组装。

　　　石油钻机用水龙头在工作时，主轴承受力复杂，承载困难，往往成为在长期疲劳工作过程中的薄弱环节。故需要对其进行校核。导师指出：在满足其安全系数的的情况下，尽量减少材料使用。以期在满足使用要求的情况下，减少投入生产后的制造成本，将企业的利润最大化。

　　　使用有限元分析软件ANSYS分析提环的受力情况，根据实际受载荷情况，对其加辅助支承和载荷，分析出它在接近现实的情况下，应力、应变分布情况，找出最大应力、应变处，计算出是否满足安全系数。在操作过程中发现：提环的U型部分其应较大，需加厚；耳环部分应力、应变也较大，需加厚。

　　　在此毕业设计过程中，对于我来说每个部分都是难题，特别是一开始我对三维画图和ANSYS都不熟悉，这个过程在老师和同学的帮助下才得以解决，才能让我完成毕业设计。

　　　整个毕业设计过程时间较长、内容较多、有一定难度。我从一遇到问题就开始慌了，进过这次毕业设计，我逐渐明白怎么去解决一件事情，怎么样去获取信息，这是我对毕业设计最大的收获。而在此过程中，不断的与老师和同学交流，让我的知识更加充实，也增加了师生友谊。

5.2 展望

　　　虽然毕业设计按期完成，但是其中还有很多不足的地方。在时间更加充裕的情况下，这些不足之处都可以被弥补。

　　　首先由于自身对大学生涯机械知识掌握的不充分，这里面遇到不小的麻烦，不能够把一些知识熟悉的衔接应用起来。

　　　在设计水龙头尺寸时，我运用了现有生产加工的水龙头的结构和大多尺寸。自己根据石油钻机水龙头工况需要而设计出尺寸结构太少。所以，在时间允许的情况下，我还可以进一步去探索。在现有的结构的基础上，根据实际工作需要，进行结构优化和尺寸调整。

　　　在水龙头工作过程中，水龙头是受到较为复杂的载荷的，伴随着载荷的，还有振动。在本毕业设计中，我只运用ANSYS分析了提环在静力学情况下的应力应变。但是仅仅是ANSYS的应用，这也让我大为头疼，全英文的软件让我无从下手，在老师的帮助下，才勉强对其进行的分析。如果时间充裕，在此基础上，我可以运用ANSYS对提环进行模态分析，分析出它的谐振等参数。更加深入地了解水龙头提环在实际工况下的受载情况。

　　　如果时间充裕，我可以从上述的一些改进入手。我相信，我会做得更好。

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