（机械设计及理论专业论文）油井钻杆动力钳参数化设计的研究.pdf

摘要 本文是“钻杆动力钳系列产品开发”项目研究工作的一部分，根 据项目本身的特点，以p r o e n g i n e e r 为c a d 支持平台，利用自顶向下设 计思想进行钻杆动力钳系列产品的研究和开发。论文首先总揽了国内 外钻杆动力钳发展的现状，并权衡了各种钻杆动力钳的设计理论和结 构，结合现有生产技术，运用利用参数化设计方法进行系列产品开发， 此方法缩短了产品开发周期，并可以直观设计结果，检验整体结构设 计的正确性。其次考虑到钻杆动力钳结构的复杂性，运用自顶向下设 计思想，对开发产品进行层层控制和管理，此方法确保了整机参数化 的实现，提供了快速修改整机设计的途径，提高了产品开发的效率。 本文运用的基于自顶向下设计思想进行参数化设计的方法，现已 完成了“钻杆动力钳系列产品开发”的项目。该方法对提高油井钻杆 动力钳的设计效率和设计水平具有重要意义。 关键词：p r o e n g i n e e r ；参数化；自顶向下：油井钻杆动力钳 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sa p a r to fr e s e a r c ho nad e v e l o p m e n td r i l lp i p ep o w e rt o n g si nw e l l a c c o r d i n g t oi t s e l f c h a r a c t e r i s t i c t a k i n gc a d 硒as u p p o r t # o f f o r m , t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n ta r ec a r r i e do u tb yu s i n go fai d e an a m e dt o p - d o w n t h ep a p e rg i v e sa o v e r a l lo f t h ec u r r e n ts i t u a t i o no f t h ed e v e l o p m e n to f d r i l lp i p ep o w e rt o n g si nw e l la t h o m ea n da b r o a da tf i r s t , g i v e nt h em a n u f a c t u r et o c h o n o l o g y a f t e rc o m p a r i n g , v a r i o u st h e o r ya n ds t r u c t u r eo ft o n g si nw e l l ，m a k e so u tai d e ao fd e v e l o p m e n tt h e n e wm a c h i n e s b y ：p a r m e t e f i z a t i o nd e s i g n t h i sm e t h o dc 趾s h o r t e nt h ep r o d u c t i o n c y c l e , m a k et h er e s u l tm o r ei n t u i t i v e l ya n dc h e c kt h ec o r r e c t n e s so ft h ee n t i r e s t r u c t u r e t h es e c o n d ，g i v e nt h ec o m p l e x i t yo ft h e5 u - n e t u r eo ft h ed r i l lp i p ep o w e r t o n g si nw e l l ，t h ei d e ao ft o p - d o w nd e s i g na r ea d o p t e dt om a k es u r et h ec o n t r o la n d m a n a g e m e n to fe v e r ys t e po ft h ee n t i r er e s e a r c hp r o c e d u r e , a n dt h er e a l i z a t i o no f p a r a m e t e r z a t i o n ，a n dt h i sh a sg i v e nam e t h o dt om o d i f yt h em a c h i n es w i f t i y , t o o w i t ht h er e s u l tt h a th a s 抽n p r o v e dt h e e f f i c i e n c yo f d e s i g n n o w , t h ep r o j e c to ft h ed e v e l o p m e n to ft h er e s e a r c ho nd r i l lp i p ep a p e rt o n g si n w e l li sc o m p l e t e ds u c c e s s f u l l yb ya p p l i c a t i o no f t h em e t h o do f p a r a m e t e r z a t i o nd e s i g n b a s e do nt h ei d e ao ft o p - d o w nd e s i g n t h i sm e t h o dp h yag o o dp a r ti ni m p r o v i n gt h e e f f i c i e n c ya n dc a p a c i t yo f d e s i g no f d r i l lp i p ep o w e rt o n g si nw e l l k e yw o r d s ：p r o e n g i n e e r ：p a r a m e t r i c ；t o p d o w n ：d r i l lp i p ep o w e rt o n g si nw e l l 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果，在分析和研究原有油杆动力钳和现有钻杆 动力钳的基础上，以p r o e n g i n e e r 为c a d 支撑平台，运用自项向下 设计思想对钻杆动力钳进行参数化设计，并且研究了其钳头运转 的力学问题，建立了坡板曲线方程，从而开发了钻杆动力钳系列 型号产品。同时也证明了方法的正确性和有效性。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。 作者：一谢蓖一 日期： 星q q 鱼! ! 星! 墨q 辽宁工程技术大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 钻杆动力钳概述 钻杆动力钳属于石油机械产品，广泛用于石油矿场钻井作业。自5 0 年代进人胜利油田钻井队，对原有设计进行了重大的修改，并鉴定定型， 使井队钻工从拉猫头、打吊钳和笨重的体力劳动中解脱出来，其安全性、 可靠性、快捷性得到现场使用者的共识，对降低劳动强度、提高生产效 率起到了不可替代的作用。是钻井生产过程中的重要设备，赢得了钻井 工人的普遍欢迎【1 1 。 1 i 1 钻杆动力钳的结构与工作原理 钻杆动力钳 是由主钳及背 钳两部分组成 的液压机械设 备，如图1 1 所 示，其组成部分 为：主钳、背钳、 前导杆总成、后 导杆总成、减速 器，五部分组 成。悬吊主钳 时，背钳浮动于 主钳之下，主、 背钳通过前导 杆总成及后导 杆总成连为一 体，主钳可以单 独使用，也可以 主背钳组合使 用。钻杆动力钳 的工作原理：压 力源通过输油 管输入马达，马图i i 钴杆动力钳整体图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 达主轴旋转，经过齿轮轮系使钳 头开口齿轮转动，同时连接主背 钳的输油管将压力输送到背钳 油缸。推动齿条运动。经过齿轮 副带动颚板相对背钳头主体的 坡板转动一定角度，使颚板总成 上的钳牙夹紧钻杆，同时主钳钳 头的开口齿轮转动时，颚板架在 制动器摩擦力的作用下，先不转 动，迫使颚板上的滚子沿着坡板 爬坡，推动颚板及钳牙径向移 动，直至咬紧钻杆，然后随开口 1 齿轮盏2 限位旋扭3 坩头t 开口齿轮 壳体o 籀7 双联齿轮o 齿轮轴磨羞囊乏 1 0 双联小齿轮l i 托板1 2 ，箍簧l s 摩擦片 限位销1 5 鄂板絮 图1 2 钻杆动力钳结构简图 齿轮转动，实现旋紧或旋开钻杆螺纹的目的。 悬吊：将吊筒与主钳悬吊杆相连，把动力钳悬吊于修井架上，悬吊 点离地1 5 厘米，在自由悬吊状态下动力钳钳头中心离井口o 5 m ，悬吊 高度以背钳恰好卡着油管接筛为宜；调平。调整主钳悬吊杆上的调节螺 钉，使动力钳保持水平，如不保持水平，会使夹持失效；结尾绳。尾绳 一端在结在井架上，另一端接在动力钳的后导杆座上，尾绳拉力应能承 受2 t 载荷，当动力钳处于上扣状态时，尾绳应于动力钳保持垂直，从而 保证通常站在操纵杆手柄一侧的操作者安全。 更换颚板：本动力钳的主钳及背钳的颚板均为自由式安装，即颚板 可从钳头中心空间转入和取出，在主钳和背钳的颚板架上设有档块使颚 板限位，使其在搬运中部调出，需要取出颚板，将档块推进颚板架内， 从钳头中心取出或装入颚板总成。 换档操作：操纵手动换向阀手柄，并在压拨叉轴挂档位高速档换档 操作必须是在较慢的转速下进行，以免损坏齿轮。 上扣和卸扣的操作：上扣，在主钳和背钳钳头对齐缺口状态下，分 别将复位旋钮板向上扣状态，并将动力钳推向管柱，操纵手动换向阀手 柄使主钳反转至主钳，背钳钳头分别对齐缺口，然后将动力钳撤离管柱， 即完成一次上扣操作。卸扣，在主钳和背钳钳头对齐缺口的状态下，分 辽宁工程技术大学硕士学位论文 别将复位旋钮搬向卸扣方向，并将动力钳推向管柱，操纵手动换向阀手 柄使主钳沿卸扣方向旋转，迸行卸扣。卸扣完毕，操纵手动换向阀手柄 使主钳反转至主钳，背钳钳头分别对齐缺口，然后将动力钳手柄撤离管 柱，即完成一次卸扣操作。 更换钳牙：用螺丝刀顶进颚板架上的钳牙档销，即可取出钳牙，主 钳钳牙通用，背钳钳牙有水平式及加厚式两种，以适应平式及加厚式油 管筛管的使用。 1 1 2 钻杆动力钳现状及发展趋势 国外对钻杆动力钳的研究起于二十世纪五十年代，现已达到了相当 高的水平，主要以美国为代表。美国有近十家大型石油机械公司生产此 类产品。其中以美国e c k e l 公司的产品最为典型。从适用管径范围上说， 他们的产品可以被应用在自2 0 6 英寸至3 6 英寸的钻杆；从产品型号上 说，有3 5 0 0d t t 液压变速型、4 5 液压变速型、5 5 标准型、7 6 2 5 标准 重量型、8 6 2 5 液压变速型、3 6 液压变速型等一系列产品；从钳头机构 上说，分为内行星轮机构和凸轮机构两大系列。其产品的特点是环绕式 冲模、滑动钳头、三夹爪液压备件以及h y d r a - s h i f t ( 液压变速) 技术。 e c k e l 动力钳使用简便，具有各种型号、尺寸和类型，无论采用修井作 业机或手提套管钳动力机作为动力，性能都十分稳定。 2 1 国内对该产品的研究起步比较晚，始于上世纪。十年代。从技术水 平上仍有待发展。现在国内已有数家公司在生产动力钳，其技术水平、 产品种类不尽相同。江苏如石机械有限公司和盐城特达石油机械有限公 司是国内生产此类产品的先驱。他们的系列钳为开口型、能自由脱开管 柱且机动性强；集扭矩钳和旋扣钳于一体，可不停车换档；新旧接头均 卡紧可靠；正反向都可产生最大扭矩和转速；上卸扣替代猫头、吊钳和 旋绳。该动力钳按a p is p e c7 k 钻井设备规范设计、制造。从动力 源角度，国内产品可分为液压型和气动型两种；从适用管径范围上，国 内产品适用自2 8 7 5 英寸至8 英寸的钻杆；从在产品型号上，有z q l 2 7 2 5 、 z q 2 0 3 7 5 x 、z q 2 0 3 1 0 0 、z 0 2 0 3 1 3 5 、z q 2 0 3 1 2 5 i 、z q 2 0 3 - 1 0 0 、 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 z q 2 0 3 一l o o i i 、z q i f i 2 - 5 0 、z q i 2 7 2 5 等型号；从钳头机构上说，分为内 行星轮机构和凸轮机构两大系列。国内动力钳普及全国各大油田，使用 性能较为稳定1 3 j 。 目前，国外钻杆动力钳的种类很多，而且产品性能及质量都相对稳 定，特别是他们产品的体积与输出扭矩不会成比例变化，即使动力钳输 出扭矩相当大时，其产品体积也不会增加多少，因而适用于现场需要”】。 丽国内产品还处在研发和改进阶段，产品性能及质量都有德进一步提 高，国内产品的体积和重量都随输出扭矩的增大而增大，从而导致无法 适用予某些大型钻管。因此针对国内市场来说，石油机械产品还处于起 步阶段，需要投入技术力量来进一步研究与开发。 1 2 国内外c a d 技术研究动态 随着计算机软、硬件技术的发展，入们逐步的认识到单纯使用计算 机绘图还不能称之为计算机辅助设计；真正的设计是整个产品的设计， 它包括产品的构思、功能设计、结构分析、加工制造等。二维工程图设 计只是产品设计中的一小部分；于是c a d 的缩写也由c o m p u t e ra i d e d d r a f t i n g 改为c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d 也不再仅仅是辅助绘图， 而是整个产品的辅助设计。作为支持产品创新设计最为重要的技术和工 具，c a d 技术，特别是三维c a d 技术被列为制造业信息化工程关键技术 开发及应用推广的突破口之一。 c a d 的发展可追溯到上世纪5 0 年代中期，c a d 技术真正在设计中得 到应用是上世纪6 0 年代，在7 0 年代初c a d 技术的应用有了较大的突破。 此后，c a d 技术经历了几次技术革命，其主要发展阶段和特点如下： ( 1 ) 6 0 年代，c a d 的主要特点是交互式二维绘图和三维线框模型。 ( 2 ) 7 0 年代，c a d 的主要技术特点是自由曲线曲面生成算法和表面 造型理论。在这期间逐渐行成了c a d 产业。 ( 3 ) 8 0 年代，c a d 的主要技术特征是实体造型和几何建模方法。这 种技术能够表达零件的全部形体信息，有助于c a d 、c a m 、c a e 的集成， 被认为是新一带c a d 系统，它在技术上有了突破性进展。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ( 4 ) 9 0 年代，c a d 技术基础理论主要是参数化造型理论和变量化造 型理论，形成了基于特征的实体建模技术，为建立产品的信息造型奠定 了基础。这种理论主要是以p t c 公司的p r o e n g i n e e r 为代表。 c a d 这一新兴学科能充分运用计算机高速运算和快速绘图的强大功 能为工程设计及产品设计服务，因而发展迅速，目前已获得了广泛应用。 在国外，c a d 技术已经得到了充分的发展和广泛的应用，并取得了明显 的经济效益。例如：美国波音公司的7 4 7 飞机就采用了c a d 技术，实现 了无图纸设计，比英国的三叉戟飞机晚开工，却早一年完成；美国g m 公司汽车设计中应用c a d 技术，使新型汽车的设计周期由五年缩短为三 年，新产品的可信度由2 0 提高到6 0 ；法国一家飞机公司在设计中应 用c a d 技术，在很短的时间内设计出几十个方案，供用户进行选择，使 新产品的性能提高了9 。 c a d 技术经过几十年的发展，先后走过大型机、小型机、工作站、 微机时代，每个时代都有当时流行的c a d 软件。近年来，由于个人计算 机的性能迅速提高，己具有较强的图形处理能力和支持多处理机及并行 处理的能力。基于p e n t i u mx 芯片，运行w i n d o w sn t 的高档p c 系统， 其性能己接近传统的工作站，而价格却远远低于后者，所以基于p c 的 c a d 系统的市场份额正逐渐提高，工作站和微机平台c a d 软件已经占据 主导地位，并且出现了一批比较优秀、比较流行的商品化软件u g 、 a u t o c a d 和p r o e n g i n e e r 。 三维c a d 取代二维c a d 传统的设计方法是工程师在大脑罩构思三维 的产品，再通过大脑的几何投影，最后反映到二维的工程图上，在整个 设计过程中，工程师有一大半的工作量是在三维实体和二维工程图的相 互转换和烦琐的查表和计算中。而制造工人又要把二维的图纸在大脑中 反映出三维的实体然后进行加工制造，其整个过程可以表示为： 工程师 三维实体概念设计 二维工程图设计( q e 工) ； 工人 把二维图转化为三维实体 加工制造。 由于受设计工具和方法的限制，设计师很难设计出复杂、精确的产 品。新产品开发速度缓慢，对于复杂的产品开发极为困难。而利用现代 的三维c a d 技术将改变人们的传统设计方法和过程。工程师直接操作电 辽宁工程技术大学硕士学位论文6 脑，利用c a d 软件在计算机上进行零件设计，产品的装配；产品的制作 过程几乎与真实的产品制造没有差鄹，计算机屏幕上的产品就是未来制 造出的产品( 当然现有的设备和工艺能制造出来) ，并能在设计过程中， 利用c a d 技术完成工程师手工难以完成和低效率的工作，如产品零件装 配后的干涉检查、零件的不合理结构检查、机构的运动模拟，零件和装 配体的物理特性计算( 中心位置、重量、惯性矩等) ，发现实际装配过程 中可能出现的问题。其整个过程可描述为： 工程师 自动+ 手工干预三维实体概念设计 二维工程图+ 三维图； 工人 把二维图转化为三维实体 加工制造。 把上面的两个过程进行比较，可以发现，从设计的观点来看，人们 头脑中所构思的设计对象是三维物体，因此，直接用三维实体形式来描 述设计对象是最直观、方便省力的设计方式。过去由于计算机技术的限 制，直接使用三维实体模型很困难，不得不使用二维绘图软件，二维图 形表示三维物体有很多局限性，由于二维c a d 仅提供了产品零件的线框 信息而没有面、体、材料的概念，因而不一定能准确地反映现实实际， 经常发生错误、碰撞和两义性。随着三维c a d 软件技术的发展，设计师 的二维工程图设计工作量大部分由三维c a d 软件自动完成，工人读图由 于有三维图而变得非常的容易，而且更重要的是，当修改零件设计时， 借助三维软件技术，二维工程图会自动更新，而使用二维c a d 软件和手 工绘制的二维图则无法做到这一点。 通过现代三维c a d 技术，可建立现代产品设计环境。利用现代产品 设计技术、优化设计、可靠性设计、标准化技术，建立产品技术规范， 包括：以零件特征为基础的结构、组合，形成标准化、模块化、参数化 设计体系，面向制造、装配与检测的并行工程环境。充分运用成熟技术， 创造出新的原理与方法，实现创新设计。1 5 1 1 2 1 参数化设计的概念 参数化设计是机械c a d 设计的核心任务之一。参数化设计是指零件 或部件的形状比较定型，用一组参数约束该几何图形的一组结构尺寸序 辽宁工程技术大学硕士学位论文7 列，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应，当赋予不同的参数序列值 时，就可驱动达到新的目标几何图形，即将图形的尺寸看成是“设计条 件”的函数，当设计条件发生变化时，图形尺寸便会随之得到相应更新， 其设计结果是包含设计信息的模型。参数化设计不同于传统的设计，它 储存了设计的整个过程，能设计出一族而非单一的形状和功能上具有相 似性的产品模型。参数化为产品模型的可变性、可重用性、并行设计等 提供了手段，使用户可以利用以前的模型方便地重建模型，并可以在遵 循原设计意图的情况下方便地改动模型，生成系列产品，从而提高了生 产效率。参数化概念的引入代表了设计思想上的一次变革，即从避免改 动设计到鼓励使用参数化修改设计，特别是产品参数化设计的引入，使 得设计人员不需考虑细节就能保证零件之间的相互关联性和依赖性，为 产品的设计和制造的整个生命周期提供了支持。【6 】 1 2 2 基于p r o e n g i n e e r 的参数化设计 在参数化方法研究不断深入的基础上，世界各大公司相继推出自己 的c a d 系统或在原有的系统上增加参数化功能。一些著名的商用公司开 发的产品，基本代表该项技术发展的主流，所提供的模块基本覆盖了整 个机械产品的设计过程。如u g 公司的s o l i de d g e ，a u t o d e s k 公司的 a u t o c a dd e s i g n e r 、德国西门子一利多富公司的s i g r a p h d e s i g n ；美国 参数技术公司p t c 的机械设计自动化软件p r o e n g i n e e r 等。国产的具 有参数化功能的c a d 软件主要有：高华计算机公司的高华c a d 、华中理 工大学的i n t e c a d 、开目c a d 、浙江大学的z d d s 等。 通常，二维参数化程序设计可以采用程序自动生成工程图的方式实 现。但在零件的三维设计中，由于三维模型的创建要涉及到草图、基准、 曲面和实体等各类的特征，直接利用程序生成三维模型是非常困难的， 参数化程序的设计必定十分繁琐和复杂。因此，在对于减速器这个复杂 结构的参数化设计过程中，采用与二维参数化程序设计完全不同的另一 种适合于三维参数化程序设计的方法。 基本原理是采用三维模型与程序控制相结合的方式。三维模型不是 辽宁工程技术大学硕+ 学位论文 由程序创建，而是利用交互方式生成。在已创建的零件三维模型基础上， 进一步根据零件的设计要求建立一组可以完全控制三维模型形状和大 小的设计参数。参数化程序针对该零件的设计参数进行编程，实现设计 阐述的检索、修改和根据新的参数值生成新的三维模型的功能，其过程 如图1 3 ： 图1 3 参数化设计过程图 由于这种方式是在已有三维模型的基础上，通过修改设计参数派生 新的三维模型，因此，我们称之为基于三维模型的参数化设计。为了与 一般三维模型相区别，下面将参数化设计程序要使用的三维模型称为三 维模型样板。 三维模型样板的建立 在p r o e n g i n e e r 环境用人机交互式建立三维模型样板。模型样板 的创建方法与一般的三维模型相同，但必须注意一下几点”1 ： 1 ) 在对三维模型样板进行特征造型时，对二维截面轮廓，利用尺 寸标注和旌加相切、固定点、同心、共线、垂直及对称等关系实现对几 何图形的全约束。 2 ) 正确设置控制三维模型的设计参数。设计参数可分为两种情况： 一是与其他参数无关的独立参数；另一种是与其他参数相关的非独立参 数。前者主要用来控制三维模型的几何尺寸和拓扑关系，后者可用以独 立参数为自变量的关系式表示。实际上，参数化设计程序采用的是第一 种情况的设计参数，对于后者可以不设置参数而直接用关系式表示。 3 ) 正确建立设计参数与三维模型尺寸变量之间的关联关系。在 p r o e n g i n e e r 中创建草图、加减材料和其他修饰特征时，系统将会以 d o 、d 1 、d 2 等默认的符号给特征的约束参数命名。系统的约束参 数命名由p r o e n g i n e e r 系统自动创建的，其值控制三位模型的几何尺 寸和拓扑关系，与用户建立的参数无关。要使用户建立的设计参数能够 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 控制三维模型，必须使二者关联。主要采用下面两种方法： a ) 在创建或修改特征需要输入参数值时，直接输入参数名。如在 草图中标注或修改尺寸值时用参数名代替具体数值。 b ) 利用p r o e n g i n e e r 的关系式功能创建新的关系式，使 p r o e n g i n e e r 系统自动创建的约束参数名与设计参数关联。 1 3 选题的意义 本论文是在钻杆动力钳系列产品开发项目的基础上，针对设计 过程中所遇到的问题而做的研究工作。 本项目是为海城市石油机械有限公司开发设计的。该公司技术力量 单薄，研发人员有限，而钻杆动力钳系列产品开发的工作，任务量大而 繁琐，按照该企业目前所采用的传统设计方法，需要4 年的研发周期。 由于现代企业面临着激烈的竞争环境，现在国外类似产品已经研发到成 熟阶段，国内也有两家企业在生产类似产品，而我国是石油产量大国， 所以市场需求量很大，对于企业来说，时间和质量就是抢占市场的武器， 因此必须缩短产品研发周期，提高产品设计质量。 随着计算机辅助设计技术的发展，利用三维软件进行产品设计可以 大大提高工作效率，缩短研发周期，降低设计成本，减轻开发人员的劳 动强度，提高设计图纸质量等。本论文研究目的在于如何更好的利用三 维软件进行产品设计，其中研究的关键问题有： 1 参数化建模 机械产品的设计从产品构思、概念表达、结构设计、性能分析到最 终的产品加工是一个非常复杂的过程，这种设计过程的复杂性、多样性 和灵活性就要求设计自动化必须走参数化的道路，从而提高机械设计的 效率。 传统的设计交互造型不仅效率低而其容易出错，为提高效率，提出 了建立参数化建模的方法，通过引入基于特征的参数化造型的思想，在 设计计算完成后，通过参数化驱动从而得到所需的模型。并且，在三维 模型的基础上可以进行零件装配、干涉检查、有限元分析、运动分析等 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 0 高级的计算机辅助设计工作。建立三维实体模型以后，还可以根据需要 由该模型方便地生成传统加工过程所用的工程图。 利用三维参数化设计其优点如下： 1 ) 缩短总体与结构分系统之间的协调时间与工作量。由于使用同 层骨架，使得零部件定位得以更快更准确的确定； 2 ) 加工成产品前即可实现数字化部装即可提高部装的准确性又检 验了各结构板连接的正确性同时合理的利用了时间； 3 ) 尺寸为参数化驱动为产品的系列化及结构设计修改提供了很大 的方便； 4 ) 可以通过输入零件密度的方法直接计算出结构分系统的重量以 及质心等达到更优化的设计： 5 ) 利用p r o e n g i n e e r 的二维工程图功能可直接出元件及组件的 二维工程图对于外形复杂元件( 例如s a d a 支架) 的设计，能够更加方便 和准确，并且达到尺寸的互相关连减少设计中的人为差错和工作量。 2 自项向下设计思想 自顶向下设计的思想，其含义是先确定总体思路、设计总体布局， 然后设计零件和子组件，从而完成一个完整的设计。自顶向下设计从一 个系统的角度，计划所有的设计过程，建立整个系统或设计与组件和次 组件系统之间的关系。p r o e n g i n e e r 里的作法一般是定义最上层的设计 意图，建立整个工程团队所使用的设计知识以及相关规则的模型，然后 将其往较下层的部分发展，并使用p r o e n g i n e e r 的功能去掌握这个设 计意图。 自顶向下设计的特点如下： 1 ) 在产品设计的中心层面上集中地建立重要的设计信息拓展设计 师的思维面便于产品结构的优化； 2 ) 把部件当成产品系统的零件来考虑便于全新产品的开发和开展 标准化模块设计工作； 3 ) 捕捉设计意图建立设计约束在产品系统构架上自顶向下地传递 总体设计信息很方便地进行后续零部件的详细设计和整机模型的参数 化驱动修改。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 本文主要研究内容及过程 本文是在海城市石油机械制造有限公司的“钻杆动力钳系列产品设 计一含z q l 2 7 2 5 、z q l 4 6 5 0 、z q 2 0 3 7 5 、z q 2 0 3 1 0 0 、z q 2 5 4 1 3 5 ”项目 资助下完成的，主要研究内容如下： 1 确定钻杆动力钳设计方案 根据钻杆动力钳的特点和本项目设计的要求，确定产品开发方案。 2 进行钻杆动力钳的总体结构及关键零部件的设计。 确定钻杆动力钳的传动方案，对其关键零部件进行具体设计。 3 利用p r o e n g i n e e r 的参数化设计工具，运用自顶向下的设计方 法对钻杆动力钳进行自动化建模。 4 利用p r o e n g i n e e r 的二次开发工具p r o t o o l k i t 和v c 设计一 个友好的用户交互界面。 1 5 系统应用环境 系统的应用环境推荐如下： 1 ) 硬件环境 c p u ：p e n t i h i l l1 6 6 m b 以上。 内存：4 m b ，较大的装配应在1 2 8 m b 或2 5 6 硅b 以上。 硬盘：载空间2 2 0 m b ，运行空间6 0 m b 以上。 2 ) 软件环境 系统软件：w i n d o w s2 0 0 0 或w i n d o w sx p 支撑软件：p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 应用软件：v c + + 6 0 1 6 本章小结 本章着重讨论了钻杆动力钳的结构与工作原理，以及其在国内外发 展的状况，根据现状提出参数化设计的意义：在对参数化设计的概念、 发展及其在机械设计上的应用等相关描述中，说明了钻杆动力钳的参数 化设计的重要性，最后叙述了本论文选题的目的及意义，是希望通过 辽宁工程技术大学硕士学位论文 p r o e n g i n e e r 参数化和自顶向下等设计技术实现钻杆动力钳的参数化 设计，以及需要完成的主要工作。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 第二章钻杆动力钳的现代设计方法 2 1 现代工程设计理论方法 现代设计理论和方法是动态发展的，从狭义上说，它是为设计的创 造性过程而建立的各种数学模型及其求解过程，或者为设计师实施创造 性过程而提供的各种手段。有时理论与方法融为一体，很难划分。其核 心是：数学技术与计算机技术的应用。现代设计理论和方法使得设计过 程产生质的飞跃，它将传统的、经验的、感性的、静态与手工式的设计 跃变为必然的、科学的、理性的、动态的计算机化的现代设计。应用现 代设计理论和方法，可以不做或少做试验，在设计阶段就能将未来产品 的性能、结构和品质确定出来，从而缩短设计周期、提高设计质量。1 7 】 现代设计理论和方法至少应包括：有限元分析、可靠性设计、优化 设计、人机工程和并行设计，虚拟设计、现代造型设计、系统动态分析 设计、人工智能和专家系统等方面的内容。 1 ) 有限元法 有限元法是把一个连续体( 设计对象) 离散化，即分解成有限的小单 元体。各单元体在节点处连接，并以节点位移为基本量，建立起各个节 点的弹性力学平衡方程；然后，再把它们综合起来，并与外加载荷及边 界条件相联系，从而得到该物体各个单元体力学分量( 如应力、应变、 位移、速度等) 的数值解。有限元方法利用材料力学、弹塑性力学理论， 对零件的热应力及应变、弹性变形、噪声、振动、动态等参量进行计算， 能准确地描述零件的实际形状、约束条件和受力特征，适用于范围极其 广泛的连续介质问题。因此，有限元法是目前工程设计中计算的通用方 法。它在工程结构分析中的具体应用包括：进行应力分析；结构优化设 计；结构选型、结构改进；识别危险部位和疲劳寿命预测；动态设计分 析。有限元法除用于复杂构件的计算外，还可用于应力场、温度场、电 磁场及流体等的有关研究。目前已有许多商用软件可供使用，其中著 名的有a n s y s 。有限元法具有物理概念清晰，计算速度快，精确度较高， 灵活性、通用性和适应性好等特点。【8 】 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 2 ) 可靠性设计 可靠性设计是采用概率统计法来评估零部件的安全与寿命的一种 现代设计方法。它是解决机械构件或机械系统在指定环境条件下工作 时，在规定期限内完成其预定功能的概率。可靠性设计正逐步取代传统 的安全系数法，成为现代设计方法的重要组成部分。在传统设计中，机 械设计并不是从各种因素在客观上均服从于一定分布规律的角度来考 虑的，而是把它视为一个确定的量，采用加大安全系数的方法盲目地对 其提高设计的可靠性，因而不能确定构件在运行中的预期破坏概率。实 际上，机械构件所受的载荷( 静载荷或交变载荷) 、材料的强度性能、构 件几何尺寸的差异乃至其它不确定因素，都是服从于一定分布规律的随 机变量，必须用概率和数统计的方法来研究它们之间的关系。可靠性设 计，就是将载荷、材料强度性能和构件的几何尺寸等因素都看成属于某 种概率分布的统计量，应用概率论与数理统计方法，推导出在给定条件 下构件不产生破坏的概率公式，从而确定在给定可靠度条件下构件的尺 寸，或当已知构件尺寸时，确定其一定可靠度下的安全寿命。1 9 1 3 ) 优化设计 优化设计是综合各方面的因素、指标、约束等产生一个最优的设计 方案。即把影响设计要求的因素作为参数，建立起关于它们的数学模型。 然后应用数学中的各种优化理论( 数学规划方法) ，在求解过程中不断变 化各个设计变量的数值，在满足所有约束条件的前提下，求得使目标函 数相对最优的那一组设计变量。优化设计可用于方案选择、参数匹配及 优选、结构设计、机构设计及系统设计等方面。在优化设计中，目标函 数是用来评价设计方案某种性能好坏标准的函数，如体积、质量、成本、 寿命等，而约束条件则是各种设计变量在变化时必须满足的某些设计要 求，即其限制条件，如对某些外形尺寸、位置、强度、刚度及稳定性的 限制等。优化设计的关键是建立一个合适的物理一数学模型和选择适用 的优化方法。该数学模型应能正确表达物理模型中各个主要物理量和设 计变量之间的相互关系，以及它们与目标函数间的解析关系。 4 ) 虚拟设计 虚拟设计技术( v i r t u a ld e s i g nt e c h n o l o g y 简称v d t ) 是由多学科 辽宁工程技术大学硕士学位论文 先进知识形成的综合系统技术，其本质是以计算机支持的仿真技术为 前提，在产品设计阶段，实时地并行地模拟出产品开发全过程及其对产 品设计的影响，预测产品性能、产品制造成本、产品的可制造性、产品 的可维护性和可拆卸性等，从而提高产品设计的一次成功率。它也有利 于更有效更经济灵活地组织制造生产，使工厂和车间的设计与布局更 合理更有效，以达到产品的开发周期成本的最小化、产品设计质量最优 化、生产效率的最高化。【i o 】 5 ) 并行设计 并行设计是指在产品规划与设计阶段，以并行方式综合考虑产品寿 命周期中的所有相关过程，如工艺规划、制造、装配、检验、以及营销、 维护等环节，并依此进行集成设计的系统化工作模式。 并行设计强调在产品开发初期就全面考虑产品寿命周期的后续活 动对产品综合性能的影响，并建立各阶段性能、属性的继承与约束，以 期产品在寿命周期的全过程中综合性能达到最有优。具体而言，并行设 计进程的组织与实施一般可分为两种模式：一是产品设计与其相关过程 设计并行，但对产品质量有一定的负面影响；二是以联系方式对产品设 计及其相关过程设计进行并行组织，可有效提高产品质量，但可能会延 长设计周期。因此，如何建立各阶段任务间的耦合关系模型，增强协调 性，将直接决定并行设计的有效性。 6 ) 专家系统 专家系统是利用存储在计算机内的某一特定领域内人类专家的知 识，来解决过去需要人类专家才能解决的现实问题的一种计算机系统。 应用人工智能日趋成熟的各种技术，将专家的知识和经验以适当的形式 存入计算机，利用类似专家的思维规则，对事例的原始数据，进行逻辑 的或可能性的推理、演绎，并做出判断和决策。专家系统一般由知识库、 全局数据库、推理机、解释部分和知识获取部分组成。 7 ) 设计方法学 设计方法学是研究设计程序、设计规律、设计思维和工作方法的一 门新兴学科。近2 0 年来，在联邦德国、美国和日本等国发展很快。它的 研究目的是总结规律性、启发创造性，应用现代科学技术和理论使设计 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 过程自动化、合理化，从而设计出具有竞争能力的物美价廉的产品。】 2 2 基于钻杆动力钳的现代设计方法 2 2 1 钻杆动力钳的参数化设计 钻杆动力钳是一种系列化产品，在本次设计过程中，主要对以下型 号进行开发，有z q l 2 7 2 5 、z q l 4 6 5 0 、z q 2 0 3 7 5 、z q 2 0 3 1 0 0 、z q 2 5 4 1 3 5 。 在现行动力钳的设计中，需要较长的研发周期，并且将是一种严重的重 复性劳动。设计师需要把设计思想连续套用五种型号产品的设计中，将 会浪费大量的设计时间、人力和物力，从而可能错过新产品推向市场的 良机。因此，在钻杆动力钳的设计中应用新的现代设计方法十分必要。 基于钻杆动力钳的现代设计方法，是将虚拟产品开发技术应用于钻杆动 力钳的设计中，利用参数化设计理论进行系列产品开发，为钻杆动力钳 研制提供一种全新的设计方法。 在产品的设计过程中，按照参数化设计所针对的对象，参数化设计 可分为零件级的参数化设计和产品级的参数化设计，零件级的参数化设 计是一般常见的参数化方法，它通过定义零件的几何约束和尺寸约束来 完整的表达一个零件的参数化模型。模型的改变可以通过改变约束的条 件及参数来获得。产品级的参数化设计强调构成产品的各零件间的属性 关系在修改一个零件的参数化模型时能够得到实时地修改。它对于产品 的设计是非常重要的。因为在产品的设计过程中经常会发生设计更改的 情况，如果对于产品中的一个零件的修改，所有与之相关的零件都能依 据属性关系马上得到更改，这样就能加快产品的设计，同时也可以避免 很多设计过程中的失误。通过对产品装配结构的参数化设计就可以避免 装配结构可能出现的干涉、碰撞问题，从而缩短产品开发周期，提高产 品开发质量。 在钻杆动力钳的参数化设计中，利用p r o e n g i n e e r 软件的全参数化 功能设计复杂的机械装配体，通过参数关联构成基于装配体的参数化 建模，将有利于设计的后续修改和系列化设计，提高了设计效率，其建 立的参数也能被装配体的结构分析及优化所利用。但笔者并不提倡将每 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 一个细节都建立参数进行控制，那将使工作更加繁琐。事实上，只需将 重要的参数关联起来，在设计中将布局和p r o g r a m 方法结合使用，一 般前者使用在装配位置参数控制上，后者使用在装配元件几何形状参 数的控制上。d 2 1 2 2 2 钻杆动力钳的自顶向下设计 自顶向下设计( t o p d o w nd e s i g n ) 是一种高效率的设计方法，该设 计方法是从产品功能概念设计开始的，它主要用来处理装配件的设计工 作，利用它能够有效地把握设计意图，使组织结构清晰，便于在各个子装 配体之间迅速可靠地传递设计信息，达到信息共享的目的。 1 3 l 钻杆动力钳的结构较为复杂，从三维建模角度分析该零件大体可以分 为主钳部分和背钳部分。其中主钳部分由钳头总成、主钳传动总成、减 速箱总成等组成，背钳部分由背钳总成、背钳传动总成、尾把油缸总成 以及前后导杆总成等几大部分特征组成，数量较多。对于这样一个庞大 而复杂的零件组可以考虑采取并行设计的方法，由数名工程师同步进行 工作以缩短建模周期。 自顶向下设计是在钻杆动力钳整机设计的最初阶段，就定位在钻杆动 力钳系统构成的最高层面来考虑产品的总体设计和功能性设计。这种方 法是从产品构成的最顶层开始，把组成整机的部件作为系统的一个零件 来考虑，并根据其在产品中的相互位置关系、所起的作用和实现的功能 等，建立产品构成的二维以下简称2 一dl a y o u t 和3 一ds k e l e t o n 图形。 通过给定设计约束条件、关键的设计参数等设计信息，集中地捕捉产品 整机设计意图，自上而下传递所给设计信息，展开产品的整个设计过程。 2 5 本章小节 本章介绍了钻杆动力钳的现代工程设计方法，通过与传统设计方法 的比较，得出现代设计方法的优势。本文研发的项目是系列型号产品， 因此选用现代设计方法一参数化及自顶向下设计方法进行项目开发，从 而确定了该项目的开发方案。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 8 第三章钻杆动力钳系统的设计 3 1 整机方案设计与论证 3 1 1 主钳传动方案的确定 主钳传动方案设计的任务是：确定传动方案，选择马达型号，合理 分配传动比及计算传动装置的运动和动力参数，为设计计算各级传动零 件准备条件。 合理的传动方案，应能满足工作机械的性能要求、工作可靠、结 构简单、尺寸紧凑、加工方便、成本低廉、效率高和使用维护方便。要 同时满足这些要求，因此应统筹兼顾，保证重点要求。 1 ) 液压马达的选择 因为工作条件的要求，修井过程基本是野外露天操作，且处于井口 一类防爆区内，防爆的要求较为严格，通常要求油田井口设备禁用产生 火花源器件，所以钻杆钳动力钳通常选用液压或气动。 马达功率选择是否合适，对马达的工作和经济性都有影响。功率过 小不能保证工作机械的正常工作，或使马达因超载而过早损坏；若功率 选的过大，马达价格高，能力不能充分发挥，经常不在满载下运转，效 率和功率因数都较低。 负载稳定( 或变化很小) 的机械，可按马达的额定功率选择。选择 时应保证 昂只( 3 一1 ) 式中晶一马达额定功率，k w ；p 一工作机所需马达功率，k w 。 所需马达功率由下式计算 只：旦( 3 - 2 ) ，7 式中己钳头所需有效功率，k w ；玎一工作机械总效率。 传动装置的总效率玎由传动装置的组成确定，下面是钻杆动力钳主钳各级的传 辽宁工程技术大学硕十学位论文 1 9 动效率公式； 编= 1 编i27 7 承玎齿 确l i = ，7 承刁齿叩承材齿 r r v2 镌9 7 昌9 7 承9 7 蔷 巩= 磙所齿29 7 承9 7 齿2 田承9 7 齿 ，7 开口齿轮= 稚9 7 南9 7 承9 7 齿 由功率公式，得： e o = 淼伴 p 。， 根据马达样本，初选马达型号： 只：t o n o ( 3 - 4 ) 9 5 5 0 2