（机械设计及理论专业论文）tzg216110型铁钻工铰接臂优化设计研究.pdf

硕士学位论文 摘要 在我国石油开采钻、修井过程中，多采用液压动力大钳上、卸扣。液压动力 大钳采用悬吊方式安装，移动困难，操作不便。由于设备重且需多人频繁操作， 对人身的安全构成了极大的威胁，存在许多安全隐患，工作效率低。因此，铁钻 工作为架设在钻井平台上的自动旋扣装置，有着广阔的应用空间。 本文是以t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工铰接臂机构为研究对象。针对我国铁钻工的 研制处于刚刚起步的阶段，其机构以及结构等各项基本技术参数的设计是否最优 的问题，设计满足性能要求的机构，建立其三维模型并通过软件进行机构分析， 验证了满足设计要求。最终优化设计得出优化参数。 本文首先通过对目前国际市场常见类型铁钻工产品的对比分析，对铁钻工的 结构、工作原理、技术参数进行了阐述。通过对国内液压大钳和国外铁钻工产品 的工作原理、性能参数、设计方案的对比分析，设计出了t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工 的铰接臂结构；在三维设计软件s o l i d w o r k s 中对铰接臂进行虚拟设计及装配；在 c o s m o s m o t i o n 中对铁钻工的运动学和动力学仿真分析，得出运动轨迹和各关键点 的受力，验证了铁钻工铰接臂部分设计的合理性，并对铁钻工铰接臂的关键零部 件进行有限元分析；最后在c o s m o s w o r k s 中对铰接臂结构进行优化，最终确定满 足设计要求的优化尺寸参数。为新型铁钻工研制提供了理论参考依据。 关键词：铁钻工；铰接臂；机构分析；优化；运动学；动力学 t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻t 机构优化设计研究 a b s t r a c t d u r i n gt h ep r o c e s so fd r i l l i n ga n dw o r k o v e ri no i lp r o d u c t i o ni no u rc o u n t r y , h y d r a u l i cp o w e rt o n gw a sa d o p t e dt ot u r nb u c k l em o s t l y h y d r a u l i ct o n ga d o p t s h a n g i n gi n s t a l l a t i o n ，d i f f i c u l tw a y , a n do p e r a t i o ni n c o n v e n i e n c e d u et ot h eh e a v y e q u i p m e n ta n dm o r ef r e q u e n to p e r a t i o n ，t h es a f e t yo ft h ep e r s o nt oc o n s t i t u t et h e e n o r m o u st h r e a t ，t h e r ea r em a n ys a f eh i d d e nt r o u b l e ，a n dt h ew o r k i n ge f f i c i e n c yi s l o w t h e r e f o r e ，i r o nr o u g h n e c ki st h ed e v i c eo fa u t o m a t i cr o t a r yb u c k l ee r e c t e do nt h e d r i l l i n gp l a t f o r m ，w h i c hh a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o ns p a c e t h i sp a p e ri st h ea r t i c u l a t e db o o mo ft z g 216 - 110i r o nr o u g h n e c kf o rr e s e a r c h o b j e c t a i m i n ga tt h ed e v e l o p m e n ti ni r o nr o u g h n e c kj u s ts t a r t i n gs t a g e ，t h ep r o b l e m w h e t h e rt h eo p t i m a ld e s i g no ft h eo r g a n i z a t i o na n ds t r u c t u r ed e s i g no ft h eb a s i c t e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，d e s i g ni n s t i t u t i o n s t h a tm e e tt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ， e s t a b l i s ht h e3 dm o d e la n dm e c h a n i s ma n a l y s i st h r o u g hs o f t w a r e ，c o n f i r mt om e e tt h e d e s i g nr e q u i r e m e n t s f i n a l l yc o n c l u d eo p t i m i z a t i o np a r a m e t e r sb yo p t i m i z a t i o n d e s i g n b a s e do nt h ec o m m o np r o d u c t i o nf r o mo t h e rc o u n t r i e s ，t h i st h e s i sc o n s t r u e st h e d i f f e r e n tt y p eo fi r o nr o u g h n e c ka n de x p l a i n st h es t r u c t u r e ，p r i n c i p l ea n dp a r a m e t e r s o fi r o n r o u g h n e c k t h i s t h e s i sc o n t r a s t i v e l ya n a l y s e st h e w o r k i n gp r i n c i p l e ， p e r f o r m a n c ep a r a m e t e ra n dd e s i g ns c h e m eo ft h ep o w e rt o n g si no u rc o u n t r ya n dt h e d i f f e r e n tp r o j e c t so fi r o nr o u g h n e c kf r o mo t h e rc o u n t r i e sa n dd e s i g nt h ea r t i c u l a t e d b o o mo ft z g 216 110i r o nr o u g h n e c k s ；v i r t u a ld e s i g na n da s s e m b l yf o ra r t i c u l a t e d b o o mi s c o m p l e t e db yu s i n g 3 ds o f t w a r e s o l i d w o r k s ；s i m u l a t i o na n a l y s i s o f k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sf o ri r o nr o u g h n e c ki nc o s m o s m o t i o n ；o b t a i nt h et r a j e c t o r y a n ds t r e s so ft h ek e yp o i n t ，i tc o n f i r m st h er e a s o n a b l eo fa r t i c u l a t e db o o m sd e s i g n ， a n da n a l y s i st h ek e yp a r t so fa r t i c u l a t e db o o mb yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；t h o u g ht h e o p t i m i z i n go fa r t i c u l a t e db o o mi nc o s m o s w o r k s ，u l t i m a t e l yd e t e r m i n em e e td e s i g n r e q u i r e m e n t so fo p t i m a ld i m e n s i o n sp a r a m e t e r s d e v e l o p m e n to fn e w i r o nr o u g h n e c k s p r o v i d e sat h e o r e t i c a lr e f e r e n c e k e y w o r d s ：i r o nr o u g h n e c k s ；a r t i c u l a t e db o o m ；m e c h a n i s ma n a l y s i s ；o p t i m i z i n g ； k i n e m a t i c s ；d y n a m i c s i l 硕士学位论文 插图索引 图1 1 便携式铁钻工和t z g 1 3 0 型铁钻工5 图1 2s t 8 0 c 型铁钻工和s t _ 1 2 0 型铁钻工7 图2 1 位置描述1 1 图2 2 方位描述1 2 图2 3 坐标平移变换：1 3 图2 4 坐标综合变换1 4 图3 1 铁钻工本体虚拟样图1 9 图3 2 铰接臂机构简图。2 0 图3 3 铰接臂零件设计2 1 图3 4 铰接臂机构简化图一2 2 图3 5 曲柄摇杆机构2 2 图3 6 矢量环2 3 图3 7 机构中c 点的运动规律2 6 图3 8 机构中d 点的运动规律2 7 图3 9 末端运动规律2 8 图4 1 铰接点作用力分解3 2 图4 2 曲柄摇杆机构各杆件受力分析一3 2 图4 3 驱动杆件运动规律。3 3 图4 4 各铰接点受力图及驱动力矩图3 5 图4 5 前粗臂受力图3 5 图4 6 前粗臂应力、应变情况3 6 图4 7 前粗臂位移图3 6 图4 8 连杆应力、应变情况3 7 图4 9 连杆位移图3 6 图4 1 0 后粗臂应力应变图3 7 图4 1 1 后粗臂位移图3 7 图4 1 2 驱动力矩、末端速度与时间图3 8 图4 1 3 改进后的驱动力矩、末端速度时间图3 8 图5 1 产品设计过程与c a d 过程4 1 图5 2 优化的几何解释4 6 图5 3 铰接臂内部机构简图4 8 图5 4 机构参数变化对模型应力及合位移的影响4 9 i i i t z g 2 1 6 1 1 0 犁铁钻t 机构优化设计研究 图5 5 初始设计受力分析5 0 图5 6 优化结果5 1 图5 7 设计变量的迭代过程。5 1 图5 8 目标函数的变化趋势5 1 i v 硕士学位论文 附表索引 表1 1 普通液压大钳主要参数4 表1 2 气动旋扣钳主要技术参数5 表1 3 便携式铁钻工主要技术参数6 表1 4 手臂式铁钻工主要技术参数7 表3 1t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工主要参数1 9 表3 2 关键点在1 s 时刻运动学参数2 5 表3 3 关键点在2 s 时刻运动学参数2 5 表3 4 关键点在3 s 时刻运动学参数2 5 表5 1 概要结果4 7 表5 2 机构参数值4 8 表5 3 设计情形结果概要4 8 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：名铄 日期：说少年多月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：名复久替 导师签名：彳棚f 粝 日期：劢声年 日期：如胪 6 月e 1 6 具| b 硕+ 学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 伴随着工业自动化的发展，石油设备的自动化程度也在不断提高，扭矩旋扣 设备作为现代化生产的重要自动化设备也在逐步引入到石油生产中去。石油钻采 过程中，液压动力大钳作为我国油田钻井管具作业中广泛使用的人力辅助设备， 存在很多不足，而野外艰苦的工作环境和繁重的钻采设备，给石油生产带来了很 多的不便之处。 液压动力大钳采用悬吊方式安装【1 1 ，移动困难，为了避免悬吊液压动力大钳 的绞盘绳索与顶部驱动系统发生绞缠，其操作会更加复杂。这就使得移动液压动力 大钳的劳动非常繁重，需要3 名钻井队员才能完成【2 1 。由于设备重且需频繁操作， 对人身的安全构成了极大的威胁。 自上个世纪9 0 年代开始伴随着石油钻井机械的自动化进程，铁钻i t 3 j 作为架 设在钻井平台上的全自动旋扣装置被开发研制，作为液压动力大钳的替代产品， 铁钻工能够安全、高效的完成的完成钻井作业中上卸钻杆接头丝扣工作，是现代 化石油生产中重要的自动化辅助设备。其作为井口自动化工具，能够减少井口作 业人数，减轻工人劳动强度，提高工作效率【4 1 。配备液压大钳的石油钻机大约有 3 0 的工作时间用于起下钻或下油( 套) 管【5 1 。随着石油勘探开发力度的不断加 大，石油钻井设备的自动化、智能化程度也在不断提高，钻具的扭矩旋扣设备也 在不断的升级换代，从手动吊钳、液气混合动力大钳发展到现在最先进的铁钻工， 从简单的手动设备发展到了现代化的工业机器人。综合来看，铁钻工能够能取代 人力在野外环境工作，是能够实现自动控制、可重复编程的自动化生产设备，属 于工业机器人范畴。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、 仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。 工业机器人的应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。 工业机器人是目前机器人领域中技术上最成熟、应用最多的一类机器人，其 详细具体的定义【6 】：“工业机器人具备有自动控制及可再编程、多用途功能，具有 3 个或以上的可编程轴，在工业自动化应用中，机器人的底座可固定也可以动。 工业机器人自从6 0 年代初问世以来，经过了4 0 多年的发展，巳广泛应用 于各个工业领域，成为制造业生产自动化中主要的机电一体化设备。在制造业中 采用机器人，可以提高劳动生产率、保证产品质量、缩短生产准备周期和改善劳 动条件。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机 t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻t 机构优化设计研究 器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能 力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上 说它也是机器进化过程的产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备， 也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 在常规的石油钻井过程中，钻井平台上方往来的重型设备繁多，且多数需要 人力辅助，对工人体力要求很高，又存在一定的安全隐患。目前国内使用的扭矩 旋扣设备主要为液压动力大钳，经过多年的研发和应用实践，已经具有成熟的技 术和良好的性能。但是高度的往复操作对工人体力和耐力都是很大的考验，而且 工作环境恶劣，而铁钻工能够很好的解决这方面问题。 1 2 铁钻工的定义 自动化钻井是2 1 世纪钻井技术的主要发展方向，全自动化闭环钻井的理论、 方法与软硬件研究，是国外石油工程研究的核心技术之一【。铁钻工( i r o n r o u g h n e c k ) 一词最早在上个世纪7 0 年代，在自动化钻井生产中作为钻机配套设 备由美国石油设备生产者提出。作为液压动力大钳的替代产品，铁钻工能够安全、 高效的完成钻井作业中上卸钻杆接头丝扣、正常钻进时卸方钻杆接头、上卸钻铤、 甩钻杆、活动井下工具等工作【引，是现代化石油生产中重要的自动化辅助设备。 铁钻工作为一种多功能、安全高效的钻具旋扣设备，在生产中通过综合控制 台进行遥控操作完成作业工作，具有结构紧凑、性能强大、安装及操作简便的特 点，能广泛适用于陆上、海上多种钻井平台和不同的野外环境的使用。作为动力 大钳的升级换代设备，其工作原理与传统大钳有着明显的区别。独立的旋扣和冲 扣装置使钻具连接更为方便，工序更为简单，也是区别于传统动力大钳的显著标 志。 1 3 铁钻工与动力大钳对比 铁钻工是一种半自动化钻井设备，与传统的动力大钳相比，存在着无可比拟 的优点。下面从结构、工作原理、操作方式和工作效率等几个方面来具体说明： 1 结构方面 动力大钳由钳体、液压马达、变速机构、卡紧机构、复位机构、制动机构、 悬挂系统、液压系统及气路系统等组成，内部结构比较复杂，不利于正常的维护 保养，也影响使用寿命；其安装方式基本为悬吊式，占用空间大、可靠性不高、 人工操作困难，存在较多的生产问题，此外钳头门框的设计自动化程度低，需要 人工开合【9 】；在套管钳方面，目前钻机上所用的液压套管钳有进口的和国产的， 国产的是在测绘国外液压套管钳的基础上生产的，耐用性较差。 2 硕十学位论文 目前国际上常见的铁钻工产品根据结构不同大体可分为手臂式和落地式两 种，主要结构均为移动装置和钳体两部分，钳体分为旋扣装置和冲扣装置两部分， 结构简单，便于保养与维修；在安装方式方面，手臂式铁钻工需在钻井平台安装 支撑立柱，并将铰接臂和钳体安装于支撑立柱，落地式铁钻工需在钻井平台安装 底座或铺设轨道进行工作。 2 工作原理 动力大钳由现场操作工人控制气缸调整到工作位置后，由动力端带动行星轮、 减速装置等传动装置，通过主钳和背钳配合完成上、卸扣工作，液动和气动的混 合动力系统较为复杂。 铁钻工将旋扣与冲扣分成两部分处理，分开的旋扣装置与冲扣装置简化了上、 卸扣工作原理，整机动作简单快捷，工作人员容易熟悉和掌握铁钻工的性能和操 作要领【1 0 】；开放式的钳体扩大了夹持范围，增加了最大输出扭矩，能完成套管、 钻杆、井下工具等大管径钻具的连接需要，扭矩和速度在控制台直观显示，可快 速调节，提高了螺纹连接时扭矩输出精度。 3 操作方式 动力大钳采用人工现场操作，由人力辅助完成大钳移动与钻具对接，由于井 口工作环境恶劣，给操作工人带来了很大的困难，而往返于井口的各种设备给工 人的安全带来了一定的隐患；在套管连接过程中，井队操作工通常将绳锁缠绕在 套管上，通过电机带动绳索拉动套管进行旋扣，或者要请专业套管队人员使用套 管钳工作，给生产带来很多不便。 铁钻工由一名操作工人根据现场的工作情况进行远程遥控操作，通过控制平 台的操作可控制铁钻工完成钻具上、卸扣和紧、冲扣等全部动作，节省了人力并 提高了人身安全保障【1 1 j 。 4 工作效率 在适用范围和输出扭矩方面，铁钻工均达到或超过大钳的性能指标，可完成 大钳的全部工作，在旋扣速度方面铁钻工独立的旋扣装置将速度提高了一倍，整 机的钳体前后位置调整由铰接臂完成，动作稳定快捷，此外，与大钳相比铁钻工 易于安装，组装调试方便。 结合以上几方面因素对铁钻工和动力大钳进行对比分析，在功能方面，铁钻 工具有动力大钳所具有的全部功能，并可完成套管等大管径钻具连接工作；在费 用方面，铁钻工的成本要大大高于动力大钳，但节省了劳动力，提高了自动化程 度；在可靠性方面，通过对国外产品的了解可以知道，铁钻工系统具有很高的工 作稳定性，在高效作业的同时能准确、安全的完成目标工作；在应用前景方面， 目前铁钻工产品的研发和应用在国内还处在起步阶段，具有很广阔的市场前景； 在维护修理方面，铁钻工的机械机构更为开放，比动力大钳维护修理更为方便； 3 t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻t 机构优化设计研究 在安全性方面，铁钻工减少了平台人员数量，第一操作人员可以在远离平台处安 全完成作业，同时铁钻工的液压动力系统对周围的污染非常小；此外，独立的操 作平台和简单的控制界面为操作人员带来了方便，不需要进行复杂培训。综上所 述，铁钻工在各个方面都存在很大的优势，是得以研发和推广的现代化石油钻采 设备。 1 4 铁钻工目前的发展状况 1 4 1 国内发展状况 国内的石油钻采设备公司的扭矩旋扣设备以液压动力大钳为主，其控制理论 还比较落后。液压大钳的控制基本上只有气液控制，电气控制的部分很少，这种 液压大钳是用绳索悬挂在钻井井架天车上的，它们质量达2 t ，难以在其悬挂位置 与井眼中心线之间来回推移。为了避免悬吊液压动力大钳的绞盘绳索与顶部驱动 系统发生绞缠，其操作会更加复杂。这就使得移动液压动力大钳的劳动非常繁重， 需要3 名钻井队员才能完成。由于设备重且需频繁操作，对人身的安全构成了极 大的威胁。 液压大钳又称动力大钳，按照动力不同分为气动或电动。目前国内大钳的生 产厂商较多，技术已达到很成熟的阶段，各类不同功能的大钳在国内的油田管具 作业中得到广泛应用，性能比较稳定。工作原理和结构也比较相似。普通液压大 钳的技术参数见表1 1 。 表1 1 普通液压大钳主要参数 适用范围( i n ) 3z 9 液压系统最高压力( m p a ) 1 6 6 最大卸扣扭矩( n m ) 1 0 0 0 0 0 钳头高档转数( r m i n ) 4 0 钳头低档转数( r r a i n ) 2 7 移送液缸移送距离( m m ) 1 5 0 0 重量( k g ) 2 4 0 0 濮阳市中原锐实达石油设备有限公司生产的气动旋扣钳，用于海洋和陆地钻 井机械化旋扣作业，具有如下特点：适用范围广，可用于3 必1 0 ( i n ) 钻杆和 钻铤；动力系统为气动装置，安全防爆；旋扣速度快，上卸扣时间短；在起下钻 作业中，与液压猫头组合使用替代了死猫头的工作，使旋扣作业安全可靠并减轻 了钻井工人劳动强度，提高起下钻速度；由于旋扣部分采用的是无钳牙依靠摩擦 力驱动钻杆，故对钻杆本体没有任何损伤。主要技术参数见表1 2 。 4 表12 气动旋扣钳主要技术参数 适用范嗣( 蛔)3 1 0 工作压力( m p a ) 05 09 旋扣扭矩( n m ) 旋转速度( r r a i n ) 0 1 2 0 风马达功率( k w ) 2 x 6 0 耗气精( m 3 m i n ) 外形尺寸( m m ) 1 2 5 0 5 7 0 4 6 5 重量( k g ) 4 7 0 在铁钻工方面国内的铁钻工在研发方面还处于起步阶段，研制铁钻工的厂家 很少，大部分石油钻采设备生产公司生产的还是液压太钳，或者是改良的液压大 钳。国内各个油田的钻井队在钻井过程中使用铁钻工的也很少，大部分钻井队使 用的还是液压犬钳或者是改良的液压大钳。 国内研制铁钻工的厂商主要有宝鸡石油机械有限责任公司、兰州兰石国民油井石 油工程有限公司、四川宏华石油设备有限公司、濮阳市中原锐实达石油设备有限 公司等。2 0 0 7 年，南阳市奥达石油机械有限公司推出了便携式铁钻工，如图1 1 所示，该产品为新式多功能动力大钳，央持范围大，可以实现上、卸扣和紧、崩 扣功能，可同时替代钻杆动力钳旋扣和b 形钳崩扣。 图1l 便携式铁钻工和t z g 一1 3 0 型铁钻工 该产品具有如下特点：结构紧凑，底座固定安装，实现上下、前后位置的调 整；采用液压控制，扭矩和速度可快速调节，正反方向都可实现盛大扭矩和速度。 上扣扭矩或精确控制，对钻杆有保护作用；上下钳合体式结构，避免钻杆因大扭 矩而产生弯曲，防止钻杆在卡瓦打滑；上下锯分别用夹紧缸和夹紧块央紧，夹紧 机构自动对中，可保证新旧钻杆接头卡紧可靠。技术参数见下页表1 3 。 2 0 0 8 年濮阳市中原锐实达石油设备有限公司关于铁钻工研制申请一项专利。 2 0 0 9 年底，我国首台具有独立自主知识产权的新型t z g 一1 3 0 铁钻工在宝鸡石油机 t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻r t 机构优化设计研究 械有限责任公司研制成功，见图1 1 ，这标志着国产井口自动化设备的研发水平 又迈上了新台阶。此产品主要由旋扣钳、冲扣钳、机架、移动机构、液压控制部 分和液压站6 部分组成。适应钻具范围宽、扭矩大，伸缩臂长，上扣扭矩可精确 调节，程序控制、操作方便，一次点击即可完成上扣作业。可编程定位大钳的多 个位置，方便井口作业，并可2 7 0 度旋转，较少占用钻台空间。该设备操作高度 自动化，可使用遥控器远距离控制铁钻工工作，使操作人员远离井口危险区域， 减少伤害。 表1 3 便携式铁钻工主要技术参数 适用范围( i n )3 9 液压系统最高压力f m p a ) 1 4 最大上扣扭矩( n m ) 9 0 0 0 0 最大卸扣扭矩( n m ) 1 0 8 5 0 0 旋扣扭矩( n i n ) 2 3 7 0 旋扣速度( r m i n ) 7 5 钻具连接高度( m m ) 6 0 01 2 5 0 垂直移动距离( r a m ) 6 5 0 重晕( k g ) 3 0 0 0 经过严格检验和测试，t z g 1 3 0 新型铁钻工与原来的液汽混合动力大钳相比， 不仅提高了采油效率，提升了可靠性，减少了钻台占用空间，而且适应钻具范围 宽、扭矩大，伸缩臂长，上扣扭矩调节精确。同时，由于该产品使用了可编程控 制系统，因而自动化程度较高，可用遥控器远距离进行操控，这使得钻具扭矩旋 扣连接操作更为安全方便。为确保新产品可靠性和实用性，这套完全达到设计要 求的新型t z g 1 3 0 铁钻工，还将与该公司自行生产的加强型9 0 0 0 米超深井钻机配 套，于近期进行油田工业性试验。 1 4 2 国际发展状况 目前国际上只有美国、德国、日本等少数几个发达国家在生产铁钻工。近些 年来，美国的石油机械制造商为促进采油技术的进步，提高自动化管理水平和经 济效益，做了大量工作，研制成功多项新装置和新技术。主要生产厂商有美国罗 格尔斯石油工具服务公司、b j 管具服务公司、国民油井华高公司、h a w k 工业公 司等。其中美国的n o v ( n a t i o n a lo i l w e l lv a r c o ) 公司对铁钻工产品的研制开发代 表了该产品最先进的技术水平【1 2 l ，n o v 公司也是当今铁钻工市场上最大的经销 商。目前国际上油田钻井过程中使用铁钻工的国家也仅限于这几个发达国家。综 合国外产品设计方案可将铁钻工分为两类：手臂式和落地式。 1 落地式铁钻工 6 硕士学位论文 在钻井平台架设底座或铺设轨道，通过液压装置控制实现上下、前后位置的 调整后进行旋扣，其主要由底座( 轨道) 、功能架、钳体、控制台、液压站等几个 部分组成。落地式铁钻工在安装方式上有固定式和轨道式两种。固定式铁钻工其 底座固定在井口位置进行旋转，作业过程中不能进行位置调整。轨道式铁钻工安 装在轨道上，可以在轨道范围内调整工作位置。由于需要在井口平台上安装底座 或轨道，占用工作空间大，使得落地式铁钻工的使用受到了一定的限制。 k o n g s h a v ni n d u s t i 公司的o f f s h o r ep r o d u c t 铁钻工就属于小型落地式铁钻工。 2 手臂式铁钻工 通过双关节或多关节机械手臂连接旋扣设备进行工作，整机通过支撑总成安 装在井口平台上。手臂式铁钻工具有结构紧凑、重量小、操作简单、旋扣速度快、 连接范围大、占用空间小等特点，能够适应各种钻井环境的需要。主要结构有支 撑总成、铰接臂、央紧钳、冲扣钳、旋扣钳、控制台、液压站等。 图12 为国民油井华高公司的代表产品s t - 8 0 c 和s t - 1 2 0 型手臂式铁钻工。 此种铁钻工只需一人操作，通过机械臂带动前端钳体前后移动，支撑立柱设计有 转动关节可以进行轴向转动，工作范围较大，且设备在完全收起时占用空间小， 方便人员和设备的进出。整个设备由液压控制，安全性能高，夹持范围和扭矩输 出较大。 k 酶 a ) s t 一8 0 c 型铁钻工b ) s t 一12 0 型铁钻工 固l2s t 一8 0 0 型铁钻工和s t 一12 0 型铁钻工 以s t - 1 2 0 型铁钻工为例来说明手臂式铁钻工主要技术参数见表1 4 表14 手臂式铁钻工主要技术参数 适用范围( i n ) 3 1 0 旋扣速度( d r a i n ) 旋扣扭矩( n m ) 最太上扣扭矩( n m ) 犀大卸扣扭矩( n n 1 )1 6 2 7 0 0 钻具连接高度( m m ) 8 4 1 1 9 0 8 重量( k g ) t z g 2 1 6 1 1 0 犁铁钻丁机构优化设计研究 1 5 铁钻工在现代化钻井中的前景分析 铁钻工属于钻井辅助类型工业机器人范畴，整体由机械部分、传感部分、控 制部分组成，通过人机交互系统可完成较复杂的井口工作，先进的工作理念完全 改变了传统大钳的工作方式，在动力方面采用全液压的驱动方式，结构方面向小 型手臂式或大型落地式方向发展，性能方面向大管径夹持和大扭矩输出方向发展， 并且扭矩输出更为精确，减少了对钻具的损害，操作更为简单。新型铁钻工系列 产品的使用范围更广，具有很高的市场潜在价值。 铁钻工产品在国外已得到多年的应用，稳定、高效、安全的生产应用使其得 到广泛的好评，从国内情况来看，通过对铁钻工的进一步研发，相信其系列产品 将很快的适应国内生产需要，投入生产作业后可大副提高生产效率和安全性，创 新式的远程监控生产模式，将改变国内传统的石油生产方式，推动钻井平台无人 化及自动化钻井的发展，促进我国石油生产的现代化进程。 1 6 铁钻工的发展趋势 通过对新型铁钻工和传统动力大钳的比较，铁钻工设计方向将朝小型紧凑和 大型多功能两个方向发展。小型铁钻工结构更为紧凑、重量和体积更小；大型铁 钻工夹持范围和输出扭矩更大。新型铁钻工将会在以下几个方面提高其性能： 1 高性能 铁钻工作为液压大钳的升级替代产品，能够完成大钳的全部工作，另外，将 提高钳体的移动速度、旋扣速度等，结构更加紧凑、输出扭矩更大、适用范围更 广，进一步节约工作时间，提高生产效率。 2 智能化 新型铁钻工将向着数字化、信息化、自动化、智能化方向发展。采用各种传 感器监测需要的数据，如旋扣速度、扭矩以及压力大小等，通过各项数据的汇总 并且反映到自动控制系统【1 4 以5 1 ，完成钻具连接工作，并能适应自动钻柱或智能钻 柱【1 6 。1 7 l 等高自动化程度新型钻具的生产需要。其操作更为简单，只需一人操作甚 至实现无人化自动运行。不仅节省时间和金钱，还使得安全性得到很大的提高 【1 8 - 1 9 1 。 1 7 本课题提出的意义 在当今的石油行业中，时间和效率在实际生产中是关乎企业发展、国家资源 贮备等多方面的重要词汇，尤其是在石油价格日益增长的今天，缩短工作周期、 提高工作效率在竞争激烈的石油钻采行业变得更为重要。近些年国际油价持续上 涨并持续居高位连创历史新高，石油设备的价格也在随着不断的升高，这为我国 8 硕士学何论文 石油钻井机械带来了空前的发展机遇。 油田钻井是油田开发与发展的龙头产业，由于很多石油生产国在钻井设备能 力方面均存在不同程度的不足，而油田对钻井设备的需求却在不断升高，同时自 动化要求也越来越高。传统的液压动力大钳( p o w e rt o n g s ) 1 2 0 】操作不方便，工人 劳动强度大，工作效率低，存在许多安全隐患。因此，根据石油生产中套管、钻 杆、井下工具、震击器、减震器、井下用仪器、涡轮钻具以及螺杆钻具的连接需 要，急需开发精度较高石油钻具扭矩旋扣机。此外海上石油的开采现在也成为各 个国家越来越重视的资源开发领域，由于海上钻井要求设备具有结构紧凑，占用 空间小的特点，传统的液压动力大钳已不能适应海上钻井的要求。 自上个世纪9 0 年代开始伴随着石油钻井机械的自动化进程，铁钻工作为架设 在钻井平台上的自动化旋扣装置被开发研制，并应用到生产实践中去，它作为井 口自动化工具，被业界称为革命性的高新技术产品，可以大大减少井口作业人数， 减轻工人劳动强度，提高工作效率。据相关人员测算，配备传统液压动力大钳的 石油钻机的工作时间约有3 0 用于起下钻或下油( 套) 管方面。通过铁钻工的使 用将使生产既安全又有效率，使生产状况得到很大改观。综合各方面考虑，铁钻 工的研制开发势在必行。 1 8 课题的目的与主要研究内容 1 8 1 课题目的 本课题是以t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工的铰接臂为研究对象。针对我国铁钻工的 研制处于刚刚起步的阶段，其机构以及结构等各项基本技术参数的设计是否最优 的问题，设计满足性能要求的机构，通过理论推导出运动学和动力学方程，然后 在三维软件中进行运动学动力学仿真分析，得出机构的运动轨迹和各关键部件的 受力变化以及所需的驱动力矩，最终确定机构设计中合理的、更为优化的参数， 为铁钻工的研制和优化提供理论依据和参考。 1 8 2 研究内容 针对研究目的，本课题是在液压大钳的基础上，运用现代辅助工具和手段， 从改善液压大钳的工作性能出发，对t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻工的机构以及结构参数 等进行合理的选择，完成铁钻工铰接臂的优化设计。通过满足性能要求的初始设 计，建立各关键零部件的三维模型，由理论推导得出机构的运动学及动力学方程， 再经过软件仿真分析，得出运动轨迹和各关键零部件的受力变化。经过对零部件 的受力分析，验证零部件的可靠性，最后优化得出优化解。本课题主要通过以下 几个步骤来完成： 1 通过查阅大量的国内外铁钻工的最新资料，对目前在石油钻井平台上广泛 9 t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻t 机构优化设计研究 应用的液压大钳存在的问题进行研究，为今后研制出性能更好的铁钻工打好基础。 2 在分析液压大钳工作原理的基础上，按照其性能要求，选择合理的机构， 设计出性能更为卓越的替代产品即铁钻工，通过理论计算，分析其运动学动力学 特性。 3 在s o l i d w o r k s 中建立各零部件的三维模型，进行装配及干涉检查，应用软 件自带的运动仿真模块c o s m o s m o t i o n 进行仿真分析，得出运动轨迹和各关键点 的受力以及所需的驱动力矩。 4 在c o s m o s w o r k s 中对各个关键零部件进行受力分析，得出应力以及位移图， 验证了其满足设计要求。 5 通过对装配体进行运动仿真以及受力分析，对各关键部件进行优化，得出 机构符合要求的优化解。 1 0 硕士学位论文 第2 章铁钻工运动学动力学分析理论基础 2 1 引言 2 2 位姿描述 2 2 1 位置描述 的列矢量来描述该坐标系中任意点的位置。对于直角坐标系 a ) ，空间任意一点p 的位置可用3 x l 的列矢量【2 1 】 饥引 表示。其中，只，是点p 在坐标系 a ) 中的三个坐标分量。_ p 的上标a 代 表参考坐标系 a ，称一p 为位置矢量，如图2 1 所示【2 1 1 。 x 彳 y a 图2 1 位置描述 2 2 2 方位描述 在研究机械手臂的运动和控制时，不仅要知道空间某点的位置，而且还要知 道目标的方位。为了描述空间某刚体b 的方位，另外建立一个直角坐标系 b 】与 此刚体固接。用坐标系 b 的三个单位主矢量x 口，匕，z b 相对于参考坐标系 a ) 的方向余弦组成的3 x 3 矩阵来表示刚体b 相对于坐标系 a ) 的方位【2 1 1 。 言r ：r x 口k _ z 口】；f ：屹1 1 2 乏1 c2 1 ， l ，3 。 吃2吩3j ：尺称为旋转矩阵。式中，上标a 表示参考坐标系 a ) ，下标b 表示被描述的 坐标系 b t 。；尺共有9 个元素，但由于；尺的三个列矢量彳x 口，爿匕，爿z 矗都是单位 向量，且两两互相垂直，因而它的9 个元素满足6 个约束条件( 正交条件) ，只有 3 个是独立的。 彳j 乙一x 矗；匕。彳= _ z 丑 z 丑a1 一j 0 。a 匕= 一砭。z 口；_ z 丑一x 丑= 0 对应于轴x ，y 或z 作转角为0 的旋转变换，其旋转变换矩阵分别为： f 1 00 1 r ( x ，秒) 一1 0 c o s a _ s i n 口i q 2 ) 【0s i n 0 一c o s o j c o s o 0s i n 01 r c r ，口) = l o 1 o l ( 2 3 ) l _ s i n00 c o s 0 i f c o s 0 一s i n o0 1 尺z，口)2【sin口cos口00 0 1 j 2 4 【j 图2 2 表示某物体的方位，此物体与坐标系 b 】- 固接。 图2 2 方位描述 2 2 3 位姿描述 前面已经讨论了采用位置矢量描述点的位置，采用旋转矩阵描述物体的方位。 硕士学位论文 为了完全描述刚体b 的位置和姿态( 统称位姿) ，通常将物体b 与某一个坐标系 b 固接。坐标系 b ) 的原点一般选在物体b 的特征点上，如质心或对称中心等。 相对参考坐标系 a ) ，用位置矢量_ b 来描述坐标系 b ) 原点的位置，用旋转矩阵 ：尺来描述坐标系 b 的方位( 姿态) 。这样，刚体b 的位姿就由一弓和：尺完全描 述出来了，即【2 1 l b ) = ；尺，_ 最) ( 2 5 ) 当表示位置时，式( 2 5 ) 中的旋转矩阵：r = i ( 单位矩阵) ，当表示方位时，式 ( 2 5 ) 中的位置矢量弓= 0 。 2 3 空间齐次坐标变换 2 3 1 坐标变换 同样的点p ，由于选择的参考坐标系不同，对它的描述也就不同。为了阐明 点p 从一个坐标系的描述到另一个坐标系的描述之间的关系，需要用到坐标变换。 首先来探讨坐标变换的两种基本形式：平移变换和旋转变换【2 2 1 。 设坐标系 b ) 与坐标系 a ) 的方位相同，但坐标系 b 】的原点与坐标系 a ) 的 原点不重合。用矢量昂描述坐标系 b ) 的原点在坐标系 a ) 中的位置，如图2 3 所示。称_ b 为坐标系 b 】相对于坐标系 a 的平移矢量。如果点p 在坐标系 b ) 中的位置为口p ，那么它在坐标系 a ) 中的位置矢量一p 可由矢量相加得出，即： 4 p = 占p + 4 弓 ( 2 6 ) 称式( 2 6 ) 为坐标平移方程【2 2 1 。 曰】 五 图2 3 坐标平移变换 设坐标系 b ) 与坐标系 a ) 有共同的坐标原点，但两者的方位不同，如图2 4 所示。用旋转矩阵；尺描述坐标系 b 】相对于坐标系 a ) 的方位。同一点p 在坐标 1 3 t z g 2 1 6 1 1 0 型铁钻t 机构优化没计研究 系 a 】i 和坐标系 b ) 中的描述_ p 和丑p 具有如下变换关系： 4 p = 扣b p ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 称为坐标旋转矩阵。类似地，可用：尺描述坐标系 a ) 相对于坐标系 b 】的方位。；j r 和三尺都是正交矩阵，且两者互逆。 对于最一般的情形：坐标系 b 】与坐标系 a ) 不但原点不重合，而且方位也不 一致。用位