（机械工程专业论文）pdc钻凿特性测定装置设计与研究.pdf

摘要 针对国内p d c 钻头试验装置严重落后国外的现状，以及目前正在使用的试验装置 存在的不足，利用三维实体设计软件s o l i d w o r k s 设计了新的p d c 钻凿特性测定装置， 并对此装置进行了深入系统地研究。 p d c 钻凿特性测定装置中所有的执行元件均采用液压驱动。确保液压系统功能达到 设计要求的前提下，在液压件的选用和液压回路设计上均以节能为原则，减少了无功功 率的消耗，提高了能量利用率。 以手动、半自动和自动三种操作模式设计了p d c 钻凿特性测定装置的运动控制系 统，提高了装置的自动化程度，简化了试验操作的流程，同时也降低了试验人员的劳动 强度。 基于虚拟仪器设计了p d c 钻凿特性测定装置的测量与控制系统，实现钻压与转速 的闭环控制。使用图形化编程软件l a b v i e w 编制了数据采集程序，设计了测控系统入 机界面。试验需要的钻压、转速值以及与数据采集相关的参数在人机界面中设定，同时， 将验采集到的钻压、转速、钻深、扭矩信号在人机界面中以波形和数字的方式直观的显 示出来，最后将数据存储在计算机中方便以后调用。 根据液压回路原理图和钻压、转速控制原理图，借助液压系统仿真软件l m si m a g i n e l a ba m e s i m ，建立了油缸进给回路和旋转钻进回路的仿真模型，并进行了仿真研究， 仿真结果能够较好的反映装置运行时的特性。 关键词：p d c 试验装置，虚拟仪器，a m e s i m ，仿真 d e s i g na n dr e s e a r c ho nd r i l l i n gc h a r a c t e r i s t i ct e s te q u i p m e n t o f p d c w a n gy o n g ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n g z u o l o n g a b s t r a c t c o n t r a p o s i n gw i t ht h es e r i o u sl a g g a r da c t u a l i t yb e t w e e nc h i n aa n df o r e i g nc o u n t r i e si n p d ct e s te q u i p m e n t ，a n dt h ed e f e c t so fp d c t e s te q u i p m e n tt h a tw ea r eu s i n g ，i nv i r t u eo ft h e t h r e e _ d i m e n s i o n a ls o l i d d e s i g n i n gs o f t w a r es o l i d w o r k s ，d e s i g n e dt h en e wd r i l l i n g c h a r a c t e r i s t i ct e s te q u i p m e n to fp d c ，a n dd i ds y s t e m i cr e s e a r c ho nt h i se q u i p m e n t i nt h i se q u i p m e n t ，a l la c t u a t o r sw e r ed r i v e nb y h y d r a u l i cp r e s s u r e u n d e rt h ep r e m i s eo f t h ef u n c t i o no ft h eh y d r a u l i cs y s t e mm e e td e s i g nr e q u i r e m e n t s ，i nt h ea s p e c t so f c h o o s i n g h y d r a u l i cp i e c e s ，a n dd e s i g n i n gh y d r a u l i cc i r c u i t s ，a b i d e dt h ep r i n c i p a lo f e n e r g yc o n s e r v a t i o n r e d u c e dr e a c t i v ep o w e r c o n s u m p t i o na n di m p r o v e de n e r g ye f f i c i e n c y d e s i g n e dt h em o v e m e n tc o n t r o l l i n gs y s t e mo ft h e e q u i p m e n ti nt h r e ek i n d so f m a n i p u l a t i o n ：m a n u a l ，s e m i a u t o m a t i ca n da u t o m a t i c i m p r o v e dt h ed e g r e eo fa u t o m a t i o n s i m p l i f i e dt h eo p e r a t i o no fp d cd r i l l i n gt e s t ，a n dr e d u c e dt h e i n t e n s i t yo ft h et e s t i n g p e r s o n n e l d e s i g n e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo ft h ee q u i p m e n tb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t a c h i e v e dp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e ma n ds p e e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc l o s e d 1 0 0 pc o n t r 0 1 d e s i g n e dd a t aa c q u i s i t i o np r o g r a ma n di n t e r f a c eo ft h ee q u i p m e n tu s e dl a b v i e w t h e p a r a m e t e r so fp r e s s u r ea n ds p e e dn e e d e di nt e s t i n gw e r es e ti nt h ei n t e r f a c e t h ec o l l e c t e d s i g n a lw a sd i s p l a y e di nt h ei n t e r f a c ei nc h a r ta n dd i g i t a lf o r m f i n a l l y ，m ed a t aw a ss t o r e di n c o m p u t e r t h ep a p e ru s e dt h eh y d r a u l i cs y s t e ms i m u l a t i o ns o f t w a r el m si m a g i n el a ba m e s i m d i dt h em a t hm o d e l i n go ff e e d i n gc i r c u i ta n dr o t a r yd r i l l i n g c i r c u i t t h e n ，d i ds i m u l a t i o n r e s e a r c h ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee q u i p m e n t k e yw o r d s ：p d ct e s te q u i p m e n t ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，a m e s i m ，s i m u l a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：墨叠日期：z o l o 年月竿日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：圭 蜜 指导教师签名： 虿奠缈 日期：z o l , 年月q - 日 日期：劾矽年石月乒日 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 第一章前言 1 1 课题的来源与选题依据 钻井作业在石油丌发中占有举足轻重的地位，据统计在某些油田的投资丌发中钻井 作业投资的比重甚至达到了4 0 。目前，全球石油资源日渐枯竭，石油勘探开发逐渐向 深地层转移，所钻地层同趋复杂，钻井作业的成本越来越高，这就要求各大石油公司更 经济、更高效地进行石油开发。1 1 】 钻头作为钻井作业中最重要的工具，其工作性能将直接影响到钻井作业的质量、成 本和效率。随着对石油资源需求的激增，对石油开发力度的加大，钻井数量激增，钻井 活动达到了近年来的最高水平。目前，我国深井和超深井的数量明显增多，随着井深的 增加，钻井速度明显降低。为了增加供应、满足需求，不但要增加钻井数量，同时还要 提高钻井速度，为了实现这些目标，各大钻头制造厂商也相继推出新型产品，在结构设 计上进行改进，以满足各种岩石地层钻井作业的要求。【2 】 p d c 钻头( p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c tb i t ) ，是2 0 世纪8 0 年代出现的以人造聚 晶金刚石为切削齿的聚晶金刚石复合片钻头，它的问世是2 0 世纪8 0 年代钻井工程技术 领域的重大技术创新。p d c 钻头在软到中硬地层和非研磨性地层能显著提高钻井效率， 目前，已广泛应用于石油钻探丌发中，在提高钻井速度、推动钻井技术进步方面起到了 巨大的推动作用。 但是，p d c 钻头对所钻地层的特性非常敏感，在软至中硬地层和低研磨性地层中， 钻进速度快、寿命长、进尺多，在硬地层和高研磨性地层中，p d c 钻头的技术优势大打 折扣，钻进效果不能让人满意。目前，石油勘探开发向深地层转移，地层特性日趋复杂， 硬地层和研磨性地层增多，这就限制了p d c 钻头的使用。如何扩大p d c 钻头的使用范 围，使p d c 钻头能够适应复杂的地层，是目前国内外p d c 钻头生产制造单位和使用单 位共同面临的一个技术难题。 在石油钻井领域，通常采用岩石的可钻性和研磨性来评价地层特性。国内外诸多经 验和教训证明，制造适应性强的新型p d c 钻头，除了在钻头结构设计、制造工艺等方 面进行深入研究外，还应对p d c 钻头钻进和研磨不同地层岩石的特性进行试验研究。 对p d c 钻头钻进坚硬岩石的特性、p d c 切削齿研磨坚硬岩石的特性进行试验研究，一 直是国内外各大p d c 钻头生产商重要的研究内容。这一试验研究的重要作用主要有以 下两个方面：是，p d c 钻头的使用者可以根据不同的地层特性选用适合该地层的p d c 第一章前言 钻头；二是，p d c 钻头生产商可以根据不同的地层选用合适的p d c 、设计合适的结构， 制造p d c 钻头，为改进和提高钻头质量提供技术支持。对p d c 钻头钻进和磨铣岩石的 特性进行试验，需要有精度高、性能稳定、操作方便的p d c 试验装置。p d c 钻凿特性 测定装置就是在试验室对p d c 钻头钻进或者磨铣岩石的特性进行试验的装置。f 3 “5 】 p d c 钻凿特性测定装置在试验室设定的标准试验条件下，使用微型p d c 钻头对岩 石进行钻进试验和帕克森磨铣试验，利用现有的精密测试技术，全程测量、记录相关试 验数据及技术参数，以此获得p d c 钻进或者研磨岩石的特性。 目前，胜利石油钻井工艺研究院有一台p d c 钻头钻凿特性测定装置正在使用。但 是，其设计存在重大缺陷，导致使用过程中出现机架振动严重、钻压不稳、数据失真等 致命问题，不能满足试验的要求。本课题在完成胜利石油钻井工艺研究院p d c 钻凿特 性测定装置技术整改的基础上，设计新的机械结构弥补原有装置的不足、完善各个子系 统，使其达到试验的要求，并对p d c 钻凿特性测定装置进行深入的研究。 第二次世界大战后期，飞机上首先出现了电液伺服系统，到了6 0 年代，电液伺服 技术已经相当成熟。6 0 年代后期，各类民用工程对电液控制技术的需求已经很广泛。但 是，传统的电液伺服系统对液压油的清洁度要求十分苛刻，制造成本和维护费用都很高， 难以为工业用户接受；而传统的电液开关控制又不能满足高质量控制系统的要求。电液 比例技术的出现填补了传统开关式液压控制技术与电液伺服技术之间的空白。近年来， 液压技术与微电子技术结合，相互渗透，电液比例技术得到了突飞猛进的发展。作为连 接现代微电子技术和大功率工程设备之间的桥梁，电液比例控制技术已经成为现代控制 工程的基本构成之一。【8 】 除了与传统液压阀一样，具有各种单_ 控制功能外，电液比例控制一般还具有流量、 方向、压力三者之间的多种复合控制功能。液压控制元件多种功能的复合，使电液比例 控制系统较之传统液压控制系统，不但系统大为简化，可靠性提高，而且控制性能也得 以大幅提高。总的来说，电液比例控制系统具有以下优势：操作方便、容易实现遥控； 自动化程度高、容易实现编程控制、还可以通过计算机编程实现p i d 闭环控制；工作平 稳、动态响应快、控制精度高；结构简单、使用元件少、对液压油污染不敏感；系统的 节能效果好。 为简化p d c 钻凿特性测定装置的操作、提高装置的自动化水平、降低试验人员的 工作强度、降低能量的损失、提高能量利用率，本文设计的p d c 钻凿特性测定装置采 用全液压驱动，电比例闭环控制。 2 中国6 油 学( 乍东 砸l 。学位论空 1 2 国内外研究现状 12 1 国外研究现状 目前，国外用于钻头测试的系统比较完善，拥有大型的、全尺寸钻井模拟系统。如 图1 1 所示为在试验室条件下，内进行钻井模拟、钻头性能测试等试验内容的高压钻井 模拟器。 一 渺 国1 - 1 商压钻井梗拟器 f i g l - 1 岫- p r 酷s u r e d r i l l i n g s i m u l a t o r 该系统中用于测试的岩样高度为3 6 3 8 ”直径有1 3 ，垤”、1 51 2 “、1 7 ”、2 0 ”、 2 0 必”等系列。钻井液由丽台s 畸t o p 也r b 1 3 0 0 t 泥浆泵提供- 每台泥浆泵由功率 1 0 0 0 马力的s c r 电机驱动。系统可阻达到的最大压力为1 5 0 0 0 p s i ，最大流量为5 0 0 9 p m 。 类似的系t u l s a 大学的l a b o r a t o r yd r i l l i n gs y s t e m , 和日本石油公司的d r i l l i n g t e s ts y s t e m 。其中日本石油公司的d r i l l i n g t e s ts y s t 哪可以进行所有尺寸的钻井模拟，可 以模拟井下5 0 0 0 m 的压力和温度。适合测试的钻头尺寸从6 ”到8 ”。岩样晟太高度 为1 m ，最大直径1 5 ”。”“1 l22 国内研究现状 国内用于钻头测试的设备还达不到国外的水平，在用的大型综合性钻井模拟系统还 很少，而且性能与国外相比差距比较大，需要加大研发力度实现钻头试验装置水平不断 提高，促进钻头设计与制造水平的提高。 根据文献显示，目前国内用于p d c 钻头或者切削齿研磨岩石试验的装鼠主要有以 下几类： 3 缀 肛馥 第一乖前； ( 1 ) 由钻床、铣床或者数控车床配备恒压加载系统和数字化自动测量系统组合而成。 如图卜2 所示为p d c 钻头研磨性试验装置，该装置由一台钻铣床改装而成；图1 3 为 p d c 钻头测试装置，它由一台钻床改装而成。图1 _ 4 为p d c 钻头切削齿受力模拟试验 装置，它由沈阳第一机床厂生产的c a k 6 1 5 0 b 1 3 9 0 型数控车床改装而成。1 4 67 】 最山甜2 0 蒜8 图1 - 2p d c 研磨性试验装置 f 恒i - 2a b r a s i v e n 鹛s t e s t 翮u i p m e n t o f p d c 漕 图1 - 3p d c 测试装置 f i 9 1 3p d c t e s t e q u i p m e n t 图1 - 1p d c 切自0 齿受力模拟装置 f i g l _ 4f o r c e s i m u l a t o r o f p d c c u t t i n g w i n g s 4 十目 人学( 华东) 删学位论空 ( 2 ) 由专用的岩心钻机配备水泵、电机以及测量装置等部件组成。文献5 中的p d c 试验装簧由x y - 3 岩心钻机组装而成。 5 1 ( 3 ) 专用的p d c 钻凿特性测定装置。如图l - 5 所示，为胜利石油钻井工艺研究院正 在使用的p d c 钻凿特性测定装置。它主要由主体机架、岩样兴持系统、钻进模拟系统、 旋转系统、钻深与钻时控制及计量系统、数据采集系统、控制系统等七大部分组成。 3 1 r 、 薹盛 琴瞄 麓勰唰，笺氢趔竭 圈l 巧p d c 钻凿特性测定装置 l h g l - 5d r i l l i n g c h a r a c t e r i s t i c s t e s te q u i p m e n t o f p d c 1 3 论文的主要内容 针对原有p d c 钻凿特性测定装置存在的缺陷，本文采用三维实体设计软件 s o l i d w o r k s 设计新的p d c 钻凿特性测定装置，主要包括主体机架、岩样失持装嚣、旋转 动力装置、钻压模拟装置，测试控制系统等部分。并对关键零部件进行计算，保证装置 运行时，关键零部件的强度和稳定性。 装置中的执行元件均采用液压驱动，以节能为原则，选择液压元件，设计液压回路。 以达到降低无功功率消耗，提高能量的利用率的目的。 分手动、半自动和自动操作模式设计p d c 钻凿特性测定装置的控制系统，包括各电 机启动与停止、与岩样的央持、工作台横向和纵向的移动、进给液压缸运动等。 基于虚拟仪器设计p d c 钻凿特性测定装髯的数据采集与闭环控制系统，通过采集到 的钻压和转速值与设定值进行比较，以偏差信号作为控制器的输入，通过运算得到输出 信号控制试验过程中装置钻压和转速。由图形化编程软件l a b v i e w 编制了数据采集程序 和人机界面。试验需要的钻压和转速在人机界面中设定，同时将试验中采集到的各项数 第一章前言 据以图表和数字的形式形象地呈现在试验人员的面前。 最后，本文采用液压仿真软件a m e s i m 建立p d c 钻凿特性测定装置油缸进给回路与 旋转钻进回路的仿真模型，对其进行仿真计算，初步了解装置运行时的特性，为装置改 进以及日后的安装调试奠定了基础。 6 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 第二章机械系统设计 针对原有p d c 钻凿特性测定装置存在的缺陷，采用三维实体设计软件s o l i d w o r k s 设计出了新的p d c 钻凿特性测定装置。装置主要实现以下功能： ( 1 ) 进行微型模拟p d c 钻头钻进特性试验，测试p d c 钻头的综合性能指标钻 凿特性： ( 2 ) 进行p d c 切削齿帕克森磨铣试验，测试p d c 切削齿在冲击和研磨状态下的物 理性能； ( 3 ) 进行0 7 5 m mp d c 钻头的钻进特性试验； ( 4 ) 进行其他小尺寸p d c 钻头的模拟钻井试验。 2 1 装置主要参数 试验用到的岩样规格：( 单位：m n l ) 钻凿特性试验：3 0 0 x 3 0 0 x 3 0 0 ； 钻进特性试验：3 0 0 x 3 0 0 x 5 0 0 ； 单齿帕克森磨铣试验：3 0 0 x 4 0 0 x 1 5 0 。 装置主要参数： 最大扭矩：8 0 0 n m ： 转速：o 5 0 0 r p m 无级、连续可调； 模拟钻压：0 - - 3 0 k n 无级、连续可变； 最大钻进深度：4 0 0 m m ； 液压缸行程：5 0 0 m m ； 工作台横向移动距离：4 0 0 m m ； 工作台纵向移动距离：3 0 0 m m 。 2 2 机械系统设计 p d c 钻凿特性测定装置整体结构如图2 1 所示。装置采用顶部驱动，两个液压马达 驱动齿轮传动机构。钻进时由进给液压缸提供进给量，并施加钻压。装置轮廓总长 7 第= 章机械系统” 1 6 2 0 r a m 、宽1 0 8 8 m m 、高2 7 5 0 m m ，主要由主体机架、链轮链条传动装置、平衡重、进 给液压缸、旋转动力总成、工作台等部分组成。 主体机架由空心方钢管与钢板焊接而成，整体刚度大，保证试验过程中装置的稳定 性。其上安装链轮组、进给液压缸安装耳座、滑动导轨等部件。 试验过程中，对滑动导轨、工作台导轨、工作台驱动丝杠等滑动或者螺旋部件要进 行特别的防护，以免被冷系统用的循环水进溅到，影响其使用寿命。 戡 图2 - 1p i ) c 钻凿特性测定装置整机结构图 f i 9 2 - 1d r i l l i n g c h a r a c t e r i s t i c t e s t e q u i p m e n to f p d c 卜主体机架：2 一链条；3 一平衡重：4 进给油缸；5 一滑动装置：6 - 齿轮传动箱：7 一。作台 22 1 旋转动力总成 旋转动力总成是p d c 钻凿特性测定装置的主要组成部分。试验过程中，旋转动力 总成提供动力破碎岩样，并由进给液压缸推动向钻头施加钻压。旋转动力总成上，安装 试验所需的测力传感器、扭矩转速传感器和位移传感器。试验时，冷却水由进水接头进 8 蕊 n 、 口0 中国石油大学( 华东l 颂j 学位论立 入模拟钻杆中，由模拟钻头中流出，对钻头进行冷却。扭矩转速传感器不能承受轴向力， 在模拟钻杆与扭矩传感器之间安装一副角接触轴承，承受钻进岩样的轴向力，同时起到 扶正旋转轴的作用。 旋转动力总成如图2 - 2 所示，其剖视图如图2 - 3 所示( 图中去掉齿轮箱、测力传感器、 测力传感器安装板等零部件) 。主要由齿轮传动箱安装座、移动滑座、测力传感器、测 力传感器安装板、进水接头、扭矩转速传感器、扭矩转速传感器连接法兰、轴承座、进 水轴等部分组成。 圈2 - 2 旋转动力总成 f i 醇- 2 r o t a r y p o w e r u n i t 卜齿轮传动箱；2 - 齿轮传动箱安装庸；3 - 测力传感器：4 - 测力传感器安装扳；5 一模拟钻杆接头； 6 一进水接头；7 - 盖扳：8 - 滑座：9 一r 压扳调整垫；1 0 一滑座f 压板：儿一调整镶条；1 2 一镶条调整螺钉 2 22 齿轮传动葙 齿轮传动箱如图2 - 4 所示，其内部齿轮啮合情形如图2 - 5 所示，剖视图( 去掉马达) 如图2 - 6 所示。主要由液压马达、大小齿轮、齿轮箱、箱盖、轴承盖等部分组成。两个 马达对称分布，分别驱动两个小齿轮，再经过齿轮机构减速，提供试验所需要的大扭矩。 使用液压油对齿轮箱上的轴承和齿轮进行润滑，润滑液压油从马达回油口引出。喷 第= 章机械系统设计 油嘴和回油管路图中未画出。 图2 _ 3 旋转动力总成剖视图 f , 9 2 - 3p r o f i l e c h a r t o f r o t a r y p o w e r u n i t 1 3 、2 0 一传感器法兰：1 4 一扭矩转速传感器：1 5 - 传感器法兰连接键；1 6 一毛毡圈；1 7 一轴承座调藏垫片： 1 8 、2 3 一旋转密封罔；1 9 一传感器垫片；2 1 畸自承座；2 2 一角接触球轴承 2 4 一进水轴；2 5 - 0 型密封圈 图2 - 4 齿轮传动箱 n 醇- 4g e a r b o x 卜马选：2 一箱盖：3 一箱体 0 俯 如 引 规 抖 巧 中国d 油大学( 华东) 碗i 学位论文 一 图2 - 5 齿轮啮合图 f 啦- 5g e a r i n g h 4 、8 - 小齿轮：5 、9 、1 0 、1 卜深沟球轴承；6 一轴套；7 一大齿轮 1 2 1 6 图2 - 6 齿轮传动箱莉视图 f 1 9 2 - 6p r o f l e c h a r t0 f g 嘲r b o x 1 2 一键；1 3 轴承盖密封圈；1 4 一旋转密封圈：1 5 一键：1 6 一传动轴：1 7 一轴承盖；1 8 一轴承盖调整垫片 1 9 一润滑油出口；2 0 一润滑油入口 6 7 s 9 0 z 卜- e 第一章帆搬系统世计 223 工作台 工作台如图2 - 7 、2 - 8 、2 - 9 所示，主要由横向移动导轨、纵向移动导轨、滑座、驱动马 达、央紧液压缸，丝杠、丝杠螺母、接水盘、轴承座以及丝杠防护套等部分组成。 12 3 4 567 8 图2 - 7 工作台 f 啦- 7w o r k i n g t a b l e 9 液压马达；2 - 油缸安装库：3 - 夹紧导向：4 - 夹紧吲定板：5 接水盘 审平板；7 夹紧移动板 夹紧油缸：1 0 、1 3 马选安装板：1 i 纵向导轨：1 2 横向导轨 61 781 9 2 0 _ a ，v 髯矗? 图2 - 8 工作台局部视图 f i 醇- 8p a r t i a l v i e wo f w o r k i n g t a b l e 4 、1 8 - 导轨下压板调整垫片；1 5 、1 9 导轨下压板：1 6 、2 0 斜镶条：1 7 、2 1 镶条调整螺钉 中国“油大学f 毕东) 删l 学位论立 2 93 0 w 图2 - 9 工作台剖视图 f i 9 2 9p r o f i l e c h a r t o f w o r k i n g t a b l e 2 2 - 梅花联轴器；2 3 、2 7 、3 1 一毛毡圈：2 4 、3 4 轴承座；2 5 、3 3 一深沟球轴承；2 6 、3 2 轴承盖 2 8 丝杠；2 9 - 丝杠螺母：3 0 丝杠螺母安装座 2 - 3 重要零部件计算 2 3 1 齿轮轴计算 ( 1 ) 齿轮受力分析 圆周力；2 + f 一2 t 三! 羔盟 f ：3 5 5 56 _ 。d02 2 5 径自力：f = f t a n a = 3 5 5 56 + t a n 2 0 。= 1 2 9 4 n ( 2 ) 齿轮轴受力分析 齿轮轴受力如图2 1 0 所示 田2 1 0 齿轮轴受力分析 f 蟮1 0f o r c e a n a l y s i s o f g e a r s h a f t 1 3 1 彤卧 第二章机械系统设计 e = 2 1 2 9 4 = 2 5 8 8 n t = 8 0 0 n 朋 l l = 0 0 6 2 5 ml 2 = 0 1 5 3 m 只：曼鱼= 2 5 8 8 * 0 0 6 2 5 ：1 0 5 7 n 三0 1 5 3 互= e e = 2 5 8 8 1 0 5 7 = 1 5 3 1 n 齿轮轴弯矩图与扭矩图分别如图2 1 1 ，2 1 2 所示。 刮 j ) j 。e 1n 7 t , j 9 5 7 1 m 图2 1 1 齿轮轴弯矩图 f i 9 2 - 1 1b e n d i n gm o m e n td i a g r a mo fg e a rs h a f t 8 0 0 n m 图2 1 2 齿轮轴扭矩图 f i 9 2 - 1 2t w i s t i n gm o m e n td i a g r a mo fg e a rs h a f t 齿轮轴的最大弯矩m l = 1 4 3 5 n om ，最大处轴径d 1 = 7 0 r a m ， 矿：盟：兰：! 丝：q ：q z ：3 3 7 1 0 一s 2 3 23 2 仃懈= 等= 品= 2 8 4 x 1 0 6 比阮 l o ，对活塞杆弯曲稳定性校核。【1 5 】 活塞杆弯曲计算按照欧拉公式进行，活塞杆弯曲失稳临界负荷兄为： r = 等 f 盈 玎k ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) 式中：e 材料的弹性模量( m p a ) ，液压缸活塞杆材料为钢材则，e = 2 1 0 x1 0 3 m p a ； ，活塞杆横截面惯性矩( m 4 ) ，活塞杆为圆截面：，= 吾= 0 0 4 9 d 4 ( 聊4 ) ； k 安装及导向系数： 安全系数； 厶安装距( m ) 。 根据安装方式，取k 为0 7 0 7 ，为3 5 ，得： 生：3 8 1 5 1 0 5 n b k ( 3 - 3 ) 即液压缸的最大载荷f ：3 0 0 0 0 n 盈，因此选取6 3 n u n 油缸，活塞杆直径为 刀k 4 5 m m ，满足使用要求。 3 2 2 液压马达选型 p d c 钻凿特性测定装置的工作转速0 - 5 0 0 r m i n 并且连续可调，最大连续工作扭矩 为8 0 0 n m 。齿轮箱减速比为2 5 ，旋转钻进回路两台马达选用型号为a 2 f m 一8 0 ，最高 转速4 5 0 0 r m i n ，出口压力为3 5 m p a 时能够提供的扭矩为4 4 5 n m 。 驱动工作台移动所用的两台马达型号为b m r 5 0 ，其转速范围为1 0 一- 7 7 5 r m i n ，最 大扭矩为9 3 n m ，丝杠螺距1 0 m m ，则工作台移动速度范围为0 0 0 1 6 7 - 0 1 2 9 m s ，工 作台移动速度满足使用需要。 第三章液压系统设计 3 2 3 电机与液压泵的选型 p d c 钻凿特性测定装置液压系统中共用到三台液压泵，一台专用于油缸进给回路， 一台专用于旋转钻进回路，另外一台用于工作台回路。 油缸进给回路中的液压泵选用力士乐a 2 f 0 5 型定量轴向柱塞泵，排量为5 m l r 。进 给液压缸最高压力以1 0 m p a 计算，电机转速为1 4 6 0 r m i n ，液压泵输出功率为： 鼻= p q = i o 1 0 6 * 1 1 4 6 矿0 * 5 1 0 - 6 = 1 2 1 7 形= 1 2 1 7 后肜 考虑到液压泵自身和管路的功率损失，所配电机功率定为1 5 k w ，型号为y 9 0 l 4 。 旋转钻进回路中的液压泵选用力士乐a 7 v 0 1 6 0 e p 比例变量泵，最大排量1 6 0 m l r ， 电比例控制。p d c 钻凿特性测定装置最高转速5 0 0 r m i n ，最大扭矩8 0 0 n m ，最大功率 功率为： 、i 儿- 只= m w = 8 0 0 二二2 万= 4 1 9 k w 6 0 考虑液压泵自身的功率损失，此泵所配电机功率定为5 5 k w ，型号为y 2 5 0 s 4 。 工作台回路中用液压泵，选用派克p v p l 6 型变量柱塞泵，最大排量1 6 m l r ，恒压 控制模式。所配电机功率为4 k w ，型号为y 1 1 2 m 4 。 3 2 4 液压阀选型 p d c 钻凿特性测定装置液压系统中用到的液压阀有方向阀、压力阀和流量阀。方向 阀包括单向阀和电磁换向阀两种，压力阀包括比例溢流阀与普通溢流阀两种，流量阀为 双单向节流阀和节流阀两种。 选择换向阀时主要根据系统所需流量确定阀的通径，并根据所要实现的动作确定各 位机能，尤其是中位机能。 选择压力阀时主要根据所要设定的系统最高压力确定其公称压力，并根据所需通过 的流量确定其通径。 p d c 钻凿特性测定装置液压系统中选用的各种液压阀的型号及数量如表3 1 所示。 3 3 主要阀板的设计 p d c 钻凿特性测定装置液压系统中用到的阀板主要有油缸进给回路阀板、工作台回 路用阀板、旋转钻进回路阀板和蓄能器用简单阀板。 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 阀板的油口主要采用焊接式端直通管接头和焊接式铰接管接头连接，无接头连接的 螺纹孔为加工工艺孔，使用的时候使用螺塞堵住。 为方便试验人员操作，各个回路中都安装有压力表，系统压力可以从压力表直接读 出。 表3 - 1 液压阀规格表 t a b l e3 - 1 h y d r a u l i cv a l v es p e c i f i c a t i o ns h e e t 类别型号数量 4 w e 6 j 6 x s g 2 4 n 9 k 4 v2 4 w e 6 e 6 x s g 2 4 n 9 k 4 v2 电磁换向阀 4 w e h 2 2 e 7 x 6 a g 2 4 n k 4 l 方向阀m 2 s e w 6 p 3 x 4 2 0 m g 2 4l 单向阀 s 6 a 12 z 2 s 6 a 1 6 x5 叠加式液控单向阀 z 2 s 6 1 6 x1 d b d a 6 plx 2 0 0l 普通溢流阀 压力阀 d b d a 3 0 p1x 2 0 0l 比例溢流阀 d b e 6 一l x l 0 0 g 2 4 k 4 m1 叠加式双单向节流阀 z 2 f s 6 - 2 - 4 x - 2 q 2 流量阀 节流阀m g 2 5 g 1 v 1 3 3 1 油缸进给回路阀板 油缸进给回路阀板透视图如图3 5 所示，其装配图如图3 - 6 所示，主要由比例溢流 阀、三位四通电磁换向阀、叠加式液控单向阀、压力表、压力表开关等液压元件组成。 系统需要的压力由比例溢流阀设定。 3 3 2 工作台回路阀板 工作台回路阀板如图3 7 所示，其装配图如图3 8 所示。主要由直动式溢流阀、三 位四通电磁换向阀( o 型) 、三位四通电磁换向阀( y 型) 、叠加式液控单向阀、叠加式双单 第= 章帔k 系统啦计 向节流阀、压力表、压力表丌关等液压元件组成。系统需要的压力由直动式溢流阀设定。 333 旋转钻进回路阀板 旋转钻进回路阀板如图3 - 9 所示，其装配图如图3 1 0 所示。主要由直动式溢流阀、 三位四通电磁换向阀( o 型) 、压力表、压力表丌关等液压元件组成。系统需要的压力由 直动式溢流阀设定。 3 3 4 蓄能器连接阀板 蓄能器连接阀板如图3 一l l 所示，其装配图如图3 1 2 所示，主要由蓄能器和二位二 通电磁换向阀。平时换向阀处于右位，蓄能器与比例变量泵的y 3 口处于连通状态，变 量泵启动时或者需要变量时，蓄能器作为控制油源实现比例变量泵变量；当系统压力大 于4 m p a 时，压力继电器触发信号，使换向阀处于左位，切断蓄能器与变量泵油口的连 接，变量泵依靠自身压力油就可以实现变量。 图3 - 5 油缸进给回路阔板 f - 5 v a l v e p l a t e o f f e e dc i r c u i t - a 口：2 - b 口；3 - t 口；4 压力表油口；5 - 阀扳螺栓孔；6 - p 口 中国6 油人学( 乍东) i 学位论业 图3 _ 6 油缸进给回路阀板装配 f i 9 3 石a s s e m b l y d r a w i n g o f v a l e p l a t e 一比例溢流阀：2 - 压力表开关：3 一三位四通电磁换向阀；4 叠加式液控单向阀：5 压力表 78 9 图3 - 7 工作台回路阀板 f 啪- 7v a l v e p l a t e o f w o r k i a g t a b l e c i r c u i t o - p 口；2 - 进给同路a 口；3 - 进给同路b 口：4 - 横向马达a 口；5 - 横向马达b 口；6 - 纵向马边a 口 7 纵向马达b 口；8 - t 口：9 压力表油口：1 0 - 螺栓孔 第j 审液压系统鞋汁 图3 - 8 工作台埘路阀板装配 f 秘- 8a s s e m b l y d r a w i n g o f v a l v e p l a t e - 压力表开关：2 、3 - 三位四通电磁抉向阀( 0 型) ；4 - 三位四通电磁换向阀( y 型) = 5 - 叠加式液控单向 阀；6 、8 叠加式双单向节流阀：7 - 直动式溢流阎；9 压力表 4 图3 - 9 旋转钻进心路阀板 n 9 3 9 v a l v e p l a t e o f r o t a r y d r i l l i n g c i r c u i t - p 口：2 - b 口；3 - a 口；4 _ t 口；5 - 压力表油口；6 _ 帆| 板州定螺栓孔；7 - 蓄能器连接油口 中国油大学( 华东1 倒l ：学位论文 警 田3 1 0 旋转钻进回路阀板装配 一压力表；2 - 压力表开关；3 - 直动式溢流阀；4 - 电磁换向阀 图3 - l l 蓄能器连接橱板 f 1 9 3 - 1 1v a l v e p l a t eo f a c c u m u l a t o r c i r c u i t - 与变量泵控制口连接油口；2 - 蓄能器连接油口：3 - 螺栓孔；4 - 与旋转钻进同路连接油口 矽 - 曩j p 第三市液m 系统设计 图3 1 2 蓄能器连接装配 h 9 3 - 1 2a s s e m b l yd r a w i n go f v a l v ep l a t e 1 一二位二通电磁换向阀；2 - 蓄能器 中田石油凡学( 华东1 碘学位论立 第四章测量与控制系统设计 根据控制方式的不同，p d c 钻凿特性测定装置的控制系统可分为开环控带4 系统和闭 环控制系统。 开环控制系统主要控制各执行元件的动作顺序，包括电动机的启动与停止、液压缸 活塞杆伸出与缩回、液压马达的正转与反转等，又称为逻辑控制系统。由p l c 实现顺 序控制非常简单，程序采用欧姆龙c x - p r o g r a m m e r 70 编程软件编制。试验人员通过 p d c 钻凿特性测定装罱控制柜面板进行操作，如图41 所示。 j ：d c t s 堂精- 吐叠定鬟兰拄彰，：卤扳 f ： 图4 - 1p d c 钻凿特性测定装置控制面板 f i 9 4 - 1c o n t m l p a n e l o f d r i l l i n g c h a r a c t e r i s t i c t e s t e q u i p m e n to f p d c 闭环控制系统控制试验过程中的钻压和转速保持p d c 钻凿特性测定装置恒钻压、 恒转速钻进。 基于虚拟仪器设计p d c 钻凿特性测定装置数据采集系统，通过图形化的编程软件 l a b v i e w 编制数据采集程序，并设计测控系统人机界面，试验人员通过人机界面设定 第四章捌苴o j 控制系统驶计 试验所需的钻压、转速咀及p i d 控制器的比例、积分、微分等各项参数 41 电机控制 - 一、i i1 1 ”i i _ i - “：“_ 1 ”jjj j j ： | i 中田h 油人学( # 束) 碰i # 论i 动机在彤接法下运行 _ 卜一 1o 厂斗 l 卜卜 l 品i 粤一口l 图4 0 电机控制原理圈 f i 9 4 - 3p r i n c i p l e c o n t r o l d i a g r a mo f m o t o r s 电机m 3 启动过程中，如果起动时问过短，电机的转速还未提起来，这时切换到运 行状态，电动机的启动电流还会很大，造成电压波动；如果起动时日j 过长，电机会降低 电压、增大电流，电动机发热烧毁。为了防止起动时白j 过短或过长，时间继电器的设定 时间一般按电动机功率i k w 约0 6 08 秒整定。电机m 3 的功率为7 5 k w 设定时间取 4 5 s 。 4 2 电磁换向阀控制 p d c 钻凿特性测定装置主要进行微型模拟p d c 钻头钻进特性试验、p o c 单齿帕克森 磨铣试验、中7 5 m mp d c 钻头钻进特性试验以及其他小尺寸p d c 钻头的模拟钻井试验。即 p d c 钻凿特性测定装置主要有钻进岩样和铣削岩样两种工作情况。 试验人员可以从手动、半自动、自动三种操作模式中选掸一种模式来操作p d c 钻 凿特性测定装冠。装置只能在选定的模式下运行，不能同时选择两种模式。 4 2 1 手动操作模式 手动操作模式下，每按下一个按钮都就有一步相应的动作，主要用于设备调试和检 修。该模式下有工作台横向移动、工作台纵向移动、进给液压缸运动、央紧液压缸运动 第l ，【l 章测量与控制系统设计 和液压马达运动5 个旋钮。每一个旋钮有左、中、右三个位置，对应着电磁换向阀左位、 中位、右位。通过直接旋转旋钮控制p d c 钻凿特性测定装置各执行元件的动作。手动 操作模式下工作时，压力继电器信号处于无效状态，限位开关信号有效。试验过程中钻 压与转速在人机界面