（机械工程专业论文）自动化石油钻杆校直机设计研究.pdf

摘要 目前我国石油钻杆校直机大部分是手动操作，而在经济发展迅速的今天，石油行业 竞争激烈，眼下的手动校直机根本无法满足日前日益发展的需要。因此，设计出一款性 能优良、自动化程度较高的自动校直机迫在眉睫。 本文切合实际的工作环境，并综合考虑了厂家的工作要求，通过不断借鉴学习国内 外的成功产品，利用s o l i d w o r k s 等三维造型设计软件，对自动石油钻杆校直机的整 体结构进行了设计和改进。该石油钻杆校直机在保留原有手动校直机的基本功能的基础 上，增加了测控系统，并为校直机配备上下料装置，实现了手动与自动操作交换的功能。 该装置的测量系统能够准确测量出钻杆弯曲度及其发生的位置，同时控制系统能够准确 发出命令以达到校直的精确度。在完成整体机构的设计任务的同时，还完成了重要零件 尺寸设计，并一一进行了选型和校核，最终画出零件图与总体装配图，进行了生产制造 和现场组装。通过实际应用不断发现问题，并结合问题对整体结构以及各部分部件不断 进行改进，最终完成了设计目标，达到了厂家的要求。 关键词：校直机，钻杆，测控系统，行走系统 a bs t r a c t x i a n w e i ( 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 rq im i n g x i a m o s td r i l lp i p e ( d p ) s t r e t c h e r so fo u r c o u n t yr e l yo nm a n u a lo p e r a t i o np r e s e n t l y w i t h t h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t h eo i li n d u s t r yc o m p e t i t i o ni sm o r ea n dm o r ef i e r c e t h e c u r r e n tm a n u a ls t r a i g h t e rc a n n o tm e e tt h eg r o w i n gn e e d so ft h ed e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，i t s i m m i n e n tt od e s i g na 1 1a u t o m a t i cd r i l lp i p e ( d p ) s t r e t c h e r ，w h i c hi sag o o dp e r f o r m a n c e m a c h i n e 、) ，i t hah i g hd e g r e eo fa u t o m a t i o n i nc o n s i d e r a t i o no ft h ea c t u a l w o r k i n ge n v i r o n m e n ta n dr e q u i r e m e n to ft h em a n u f a c t u r e r , b o r r o w i n gi d e a sf r o md o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls u c c e s s f u lp r o d u c t sc o n t i n u o u s l ya n dw i t h t h eh e l po fs o l i d w o r k sc o m p u t e r - a i d e dd e s i g ns o f t w a r e ，t h ew h o l es t r u c t u r eo ft h e a u t o m a t i cd r i l lp i p e ( d p ) s t r e t c h e rw a sd e s i g n e da n di m p r o v e df i n a l l y t h ea u t o m a t i cd r i l l p i p es t r e t c h e rc a nb eu s e db ym e a n so fm a n u a la n da u t o m a t i co p e r a t i o nt or e a l i z et h e f u n c t i o no fe x c h a n g e b e s i d e st h eb a s i cf u n c t i o no ft h eo r i g i n a lm a c h i n e ，m e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e mw a sa d d e d a n dt h es t r e t c h e rw a sa l s oe q u i p p e dw i t hu p d o w nm a t e r i a ld e v i c e m e a s u r e m e n ts y s t e mc a na c c u r a t e l yg a u g et h ea m o u n to fd e f l e c t i o na n dp o s i t i o no ft h ed r i l l p i p e c o n t r o ls y s t e mg i v e st h ea c c u r a t ec o m m a n d st oa l i g n t h es e l e c t i o na n dc h e c ko f i m p o r t a n ts p a r ep a r t sa n da l lo ft h ed i m e n s i o n sh a db e e nm a d e w h a t sm o r e ，p a r ta n d a s s e m b l yd r a w i n g sw e r ec o m p l e t e da n dt h e nt h e s ew e r em a n u f a c t u r e di n m a c h i n e r y f a c t o r y d u r i n gt h ep r o c e d u r eo fm a n u f a c t u r i n ga n da s s e m b l ya tt h es c e n e ，s o m ec h a n g e sw e r e m a d e ，s ot h a tt h ed e v i c ec o u l dw o r kw e l la n dm e e tt h en e e d so ft h em a n u f a c t u r e ra tl a s t k e y w o r d s ：s t r e t c h e r , d r i l lp i p e ；m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ；w a l k i n gs y s t e m 中国石油大学( 华东) - 1 1 程硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章前言 随着工业的发展，在我国已经普遍应用了校直机【1 1 。我国的生产厂家大很多使用的是 人工操作校直机，而对于全自动校直机【2 】使用的比较少。一些厂家把普通压力机1 3 1 进行改 造，使之成为简易的加工设备进行校直。由此可见国内的校直行业仍然处于相对较低的 水平阶段。 人工校直的方法有很多弊端。首先就是对操作工人的技术要求较高，一些简易的设备 只能靠目测石油 4 1 钻杆是否校直，这样会因为一些人为因素的影响使得校直精度不高且 不稳定。有些上下料部分的工作需要工人来操作，劳动强度非常大，大大降低工作效率。 现代化的生产过程对产品精度【5 j 和生产自动化的要求逐渐提高，随着生产过程自动化程 度日益提高，人工校直方法的精度和效率已经远远不能满足。在工业发达国家，如德国的 m a e 公司和日本的国际计测器公司，他们已经研制的技术水平较高的校直机，但是引进设 备需要大量的资金，不光是产品昂贵，其附属产品及维修费用都比较高，国内的一些企 业很难承受，这样也就制约着相关产业的发展 6 】。 当前全球经济竞争激烈，特别是石油能源【7 】产业尤为突出。与石油行业息息相关的校 直机这一产品将会带来更大发展。要想在石油行业发展校直机，必须优化各种自动校直 机的性能和扩展校直机的品种。如辊压校直机【8 】、移动式点压校直机【9 等产品。校直机 的品种多样化有助于增强校直机产品的市场抗风险能力。拉开同类产品的档次。同类产 品可以划分不同档次，档次的划分有利于降低成本，扩大产品的消费群体，增强市场占有率， 并最大化的提高产品的性价比。特别要注意的是细节设计。产品的好坏不仅取决于产品 的整体性能，局部的细节设计合理性可能直接影响产品质量。做好校直机的通用化、标准 化设计。校直机产品的通用化、标准化程度直接反映了校直机产品的成熟度。校直机产 品通用化、标准化程度越高，代表校直机产品越完善。总之，我国现在需要的就是一种综 合性能良好的校直机。 1 2 轴类自动校直机的发展历程 国内工业不断发展，机械行业随之不断壮大，各种产业都需要大量的轴杆类零件，与 其相关的校直产业也逐渐壮大和发展起来，早起比较常用的校直机是手动液压式校直机 第一章前言 【l o j 。对于当时的轴杆类的校直工艺要求，手动压力机就已经能够满足了，手动压力机在 一定意义上也促进了工业的发展。随着机械工业的不断进步，特别是现代汽车【1 1 1 、纺织、 石油钻探【l2 】等工业日益蓬勃的发展，手动压力机已经明显无法满足人类的需求。手动校 直方式存在很多弊端，人工成本高，校直速度慢，满足不了大批量生产2 n t 的需要，而且 产品的精度等级低，无法实现高精度轴类【”】的工艺要求，容易断轴及产生裂纹，无法实现 自动流水线作业。自动校直的出现改善了这种状况，自动校直机能够实现自动上下料、自 动装夹、自动旋转测量、自动校直、并可自动检测，并且在校直精度、校直节拍、校直种 类上较手动压力机相比有很大提高，同时能够节省大量的人工成本、减轻工人的劳动强度 1 4 1 o 早期国内使用的轴类自动校直机主要来自国外进口。在工业发达国家里劳动成本 高，热处理后轴类零部件校直工序主要采用自动校直设备。自动校直不仅提高了生产效 率和质量精度的控制，而且也直接避免了人为因素对产品质量的影响。发达国家有一些专 门的自动校直机制造厂家【l5 1 ，如德国的m a e 公司、意大利的g a l d a b i n i 公司、日本的国 际计测器株式会社、美国的t a t r a n d i ng 公司掣1 6 】。这些厂家生产的校直机已经具有 较高的技术水平，不仅测量精度高、自动化成都强、运行快，而且智能化较强： 日本东和精机株式会社成产的a s p 系列智能型校直机【1 7 】，他们的校直机能自动检测 工件在三维方向上的挠度，以计算结果为基础，选出校直点，控制滑块行程值及校正挠 度值。检测装置包括：计算机控制的轴直线度检测系统，以千分表指示修正点的顺序号 和挠度，以数字开关输入最小校正值，通过弯曲形式的识别，计算并选择出滑块的加压 点。该机还带有自动上下料装置。国内已有厂家引进。 德国的m a e 公司发展了a d s 2 5 r h 型2 5 k n 和a d s f 6 3 r h 型6 3 0 k n 闭式全自动液压 校直机，该系统带有与材料性能有关的自动化工艺软件，并以可编程的微处理器控制校 直和测量顺序。其功能有：最大8 个感觉位置的测量、处理和记忆系统；数字键盘的屏 幕显示终端并有人机对话系统；以清楚的文字修正错误信息和相应的程序，能确定最终 校直阶段的顺序；大量统计数据的修正和求值；还有与主计算机连接的接口。适用于校 直中、大批量生产的对称平衡件，或自动生产线中的校直工序。 国内从二十世纪9 0 年代初，有一些企业院校和科研机构开展了自动校直机的研发工 作。1 9 9 4 年长春试验机研究所与日本国际测器株式会社合作生产a s c 系列c 行自动校直 机。引进日本二十世纪八十年代技术和相关配件，再由长春试验机研究所生产主机和安 装调试。由于性价比高得到了市场认可。2 0 0 3 年，又通过引进技术和大力开发，生产出 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 a s c i i 系列自动校直机。对于国内市场而言，在校直原理、测试方法、人际交互提示、 中文界面操作等等方面都做了很大改善。a s c i i 系列产品采用的重要配件是日本、德国 的产品来增加校直机的可靠性。2 0 0 6 年，长春试验机研究所参照欧洲校直机特点，开发 出j j c 系列校直机。原理采用多点屈服校直，用伺服电机驱动加载，噪音小成本低。 2 0 0 7 2 0 0 8 年，综合液压式校直机和机械式校直机，对校直机进行设计和完善。同时自 主研发出一套测控系统，提高校直效率。 到目前为止，在国内市场比较有影响的就是长春试验机械研究所研制的系列产品。近 年来，国内的校直设备有了很大的发展【1 8 1 ，总的发展趋势：系列完整、品种规格齐全； 精度高，检测、显示手段完整，校直工件质量好；附件齐全、校直工艺范围大；向数控 化、柔性化、自动化方向发展。但是国内大多数是辊式校直机，并且进口自动校直机的 价格非常昂贵，维护费用高，配备设施无法跟上，令许多企业望而止步，这样严重制约了国 内校直机的发展，严重束缚了其产品工艺水平的提高和生产规模的扩大。 1 3 钻杆弯曲原因 在正常情况下起钻，钻杆不会受到弯曲载荷。根据石油钻杆弯曲的宏观特性，在受 到异常弯曲载荷之后，钻杆才会发生弯曲变形【1 9 1 。表明吊卡在提升过程中受到了非正常 弯曲载荷【2 0 1 。只有发生单吊环起钻，坐在吊卡上的斜坡台肩钻杆才会承受异常弯曲载荷。 当钻杆承受的弯曲载荷超过其承载能力时，钻杆就会发生弯曲变形【2 1 1 。 石油行业中石油的钻采过程处在非常重要的环节上，在钻井作业时，钻头和钻杆的 钻进过程中，钻杆会出现不同程度的弯曲和扭转，一些没有失去工程性能而只是发生了 一定范围内的弯曲和扭转的钻杆则需要进行校直，之后可重新使用，如此可节省较大的 工作过程和能源。 1 4 设计内容及校直方法选定 石油钻杆校直机，就是一种机器，能用来对石油钻杆或其他钻具进行校直，通过校直 以便获得理想的直线度要求或回转精度要求，保证石油钻杆能够再次正常使用，实现重新 回收再利用，从而达到效益最大化。校直从狭义上是指针对回转类零部件的弯曲校直， 例如：阶梯齿轮轴、电枢轴、花键轴、活塞杆、半轴、光轴、齿条、石油钻杆等；广义上 校直包括盘圆、丝杠、螺纹杆、钻头、直线导轨、多边形及椭圆杆类零部件、不规则形 截面杆类零部件等。同时需要注意的是校直仅限于金属材料。因为微观下的非金属材料 第一章前言 分子结构在外力的作用下不具有移位重组的稳定性，即外在表现形式体现在可延展性、韧 性与塑性的同时存在【2 2 】。 本次毕业设计就是根据实际工况和工作需要对石油钻杆校直机进行总体选材、校核 和设计。保留原有手动校直机基本功能外，设计测量系统与控制系统，并为校直机配备 上下料装置。测量系统能够准确测量出钻杆弯曲度及其发生位置，控制系统也能够准确 发出命令以达到校直的精确，并能有序的控制自动上卸料进程。具体工作如下。 ( 1 ) 对自动石油钻杆校直机及自动上卸料设备进行总体的方案设计。 ( 2 ) 对自动石油钻杆校直机的测控制系统硬件设备进行总体方案设计。 ( 3 ) 完成重要零件的选材与校核。 ( 4 ) 完成所有零件的尺寸设计，并绘制所有零件图与总体装配图。 对不同材质杆件校直有不同的方法【2 3 】，校直方法较多，主要分为：压力校直法、平 行辊校直法、斜辊矫直法、转毂校直法、平动校直法、拉伸校直法、拉弯校直法等【2 4 】。 由于所要校直的是石油钻杆，钻杆与普通管材不同，石油钻杆两端是连接部分，分 别是公扣和母扣。两端的直径要大于中间部分，所以只能采取压力校直法。钻杆端部如 图1 1 所示。 图1 - 1 钻杆端部 f i g l - 1 e n do fd r i l lp i p e 立式校直方案2 5 1 虽然占地面积较小，但是高度空间要求大，需要搭建较高的厂房， 对吊车也有一定要求；而卧式校直方案虽然场地面积要求较大，但是无论是吊装还是操 作上都优于立式。所以此设备采用卧式校直的方案。 单点校直简单、易行，由于校直精度要求，应采取多点校直，使整根钻杆校直均匀， 这样校直后回复小，能够达到所要的精度。 中圉石油人学( 华东) 工程硕上学位论文 2 1 校直原理 第二章校直原理 弟一早 攸且原埋 石油钻杆在准备校直的时候，需要将石油钻杆水平放置于两个v 型铁上，v 型铁移动 至需校直部分两端支承，用旋转装置将钻杆弯曲位置的弧形向上，这样石油钻杆可以简化 成简支梁，如图2 1 所示。 p i t j l l r l 一 _ 生一i 图2 1 校直原理简图 f i 9 2 1s t r a i g h t e n i n gt e c h n o l o g yt h e o r y 在弯曲最高点施加相应压力，这种方法就称为压点式反弯校直【2 6 1 。石油钻杆在校直 过程中的变形既有弹性变形也有塑性变形。材料在外力作用下产生应力和应变( 即变 形) 。当应力未超过材料的弹性极限时，产生的变形在外力去除后全部消除，材料 恢复原状，这种变形是可逆的弹性变形。当应力超过材料的弹性极限，则产生的变 形在外力去除后不能全部恢复，而残留一部分变形，材料不能恢复到原来的形状， 这种残留的变形是不可逆的塑性变形【2 7 1 。 弹性变形可逆，塑性变形是不可逆的，所以钻杆校直过程中弹塑性弯曲变形之后必然 会有一部分变形要得到恢复，另一部分变形被残留下来。这时，如果石油钻杆的初始变 形量与残留变形量相等，石油钻杆就能被校直【2 8 】。图2 3 为石油钻杆校直受力简化过程： 已经发生弯曲的石油钻杆，形变磊，在弯曲最高点加压力凡在压力作用下，石油钻杆发生 弹塑性变形，这时的变形量为瓦；去掉压力厢，石油钻杆变直，校直完毕。 l 图2 - 2 受力简图 f i 9 2 2s t r a i g h t e n i n gf o r c e 5 第二章校直原理 2 2 钻杆校直力和位移计算 经调查，石油制造厂家生产石油钻杆校直机结构如图2 3 所示。校直机主要参数为 校直力，有2 0 0 0 k n ( 2 0 0 t ) ，1 5 0 0 k n ( 1 5 0 t ) 等，钻杆直径大时需要的校直力要大一些。这 一类校直机已经在现场使用，能够满足一般钻杆的校直要求。 l 、 o ：j 图2 - 3 校直机结构简图 f i 9 2 3s t r a i g h t e n i n gm a c h i n es t r u c t u r e l 一床身，2 龙门架，3 ，导轨，4 v 型铁，5 主油缸，6 主油箱，7 主液压泵组，8 立柱， 9 上圈梁，1 0 下圈梁，11 v 型托轮，1 2 一齿条，1 3 副液压泵组，1 4 一液压马达， 1 5 齿轮，1 6 举升油缸，1 7 转料机构，1 8 液压马达，1 9 传动机构，2 0 辊轮 2 2 1基本要求 经与用户共同调研，并查阅相关标准，对校直机提出如下的要求： ( 1 ) 校直钻具规格：2 - 3 8 ”一5 8 ”； ( 2 ) 满足钻具钢级：g 1 0 5 、s 1 3 5 ； ( 3 ) 校直后的直线度要求 校直后的直线度应该满足s y t5 3 6 9 石油钻具的管理与使用。方钻杆、钻杆、钻 铤中有关钻具直线度的要求，具体如表1 所示。 表2 - 1 钻具的直线度要求 t a b l e 2 - 1 s t r a i g h t n e s sr e q u i r e m e n to fd r i l l i n gt o o l 单位：m m 两端3 m 内允许直线每米直 长度全k 允许直线度 度线度 6 8 m9 0s 1 5s 1 5 8 1 2 m g 05 2 0s 1 5 6 中国石油人学( 华东) 工程硕上学位论文 2 2 2 钻杆校直力计算 钻杆校直的原理是用液压油缸对钻杆受弯段施加横向力，使钻杆局部产生塑性变形 的方法。影响钻杆校直力的因素有，钻杆材料的性质、钻杆的尺寸和支撑距离。 计算钻杆校直力可采用梁模型【3 0 】( 图2 4 ) ，其中三为支撑距离，p 为液缸力。 图2 4 钻杆校直模型 f i 9 2 。4 m e c h a n i c a lm o d e l 由材料力学知，钻杆外表面的应力为 盯：警：熹：等( m ：譬) ( 2 _ 1 ) ，r = 一= 一= 一f ，w = 一l lz i 4 8 ， 、 2 。 当压力尸增加，使盯达到屈服限盯。时，钻杆外表面开始屈服，产生塑性变形，校 直过程开始，此时的压力为校直过程的开始压力p l 。 只：4 w o , ：8 1 0 , 。ll d p l 仅是塑性变形开始时的力，为使校直过程能够进行，必须向钻杆施加更大的力。 随压力的增加，钻杆产生塑性变形的区域也会增加，当所施加的力足够大时，钻杆整个 截面都会产生塑性变形，由弹塑性力学知，此时该截面为一塑性铰，所需要的力矩为 m 7 1 = 仃，s ( 2 - 2 ) 式( 2 2 ) 中：s 为截面对中性轴的静矩。 由此可得到截面全塑性变形时的校直压力p 2 为： 只：丝：4 0 , s 。 l 根据要求，校直机所适用的钻杆尺寸为：2 - 3 8 乙- 6 5 8 ”，钻杆的材料为g 1 0 5 和 s 1 3 5 ，s 1 3 5 的最小屈服强度9 3 1m p a ( 13 5 0 0 0 p s i ) ，最大屈服强度1 1 3 8 m p a ( 1 6 5 0 0 0 p s i ) 。 7 第二章校直原理 查阅有关标准，可以得到钻杆的具体尺寸和材料特性( 见附录) 。根据这些参数可 以计算得到钻杆的校直力，表2 2 给出了使用s 1 3 5 级别钢材( 盯。= 1 1 3 8 m p a ) 时，各 种尺寸的钻杆，在不同的支承条件下，所需要的校直力p i 和p 2 。 从表中可以看出，钻杆越粗，壁厚越大，所需要的校直力越大，当钻杆较粗时，所 需要的校直力是很大的。此外，钻杆的校直力还和支承距离有关，支承距离越大，所需 要的校直力越小。但支承距离大，会使两端不能校直的距离增加。取l = l o o o m m ，可以 得到，校直6 - 5 8 钻杆时所所的力为p l = 7 8 9 k n ，p 2 = 2 1 2 0 k n ，这两个参数可作为校直机 设备选型时的参考依据。 表2 - 2 各种钻杆的校直力( k n ) t a b l e 2 2 s t r a i g h t e n i n gf o r c e 支承距离m m 钻杆外径 壁厚 6 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0 1 4 0 0 型号 m mm m p 1bp 1如p 1p 2p 2p lp 2 2 3 86 0 37 1 11 0 83 0 78 l2 3 06 51 8 45 41 5 44 61 3 2 2 7 87 3 o9 1 91 9 95 7 21 4 94 2 91 1 93 4 39 92 8 68 52 4 5 3 1 28 8 9 6 4 5 2 4 46 6 71 8 35 0 01 4 6 4 0 0 1 2 2 3 3 31 0 42 8 6 3 1 28 8 99 3 53 2 09 0 22 4 06 7 61 9 25 4 l1 6 04 5 11 3 73 8 7 3 1 28 8 91 1 4 03 6 31 0 4 62 7 37 8 52 1 86 2 81 8 25 2 31 5 64 4 8 3 1 28 8 91 1 4 03 6 31 0 4 62 7 37 8 52 1 86 2 81 8 25 2 31 5 64 4 8 41 0 1 68 3 84 0 l1 1 0 83 0 18 3 12 4 16 6 52 0 l5 5 41 7 24 7 5 4 1 ，21 1 4 36 8 84 4 61 2 0 63 3 59 0 52 6 87 2 42 2 36 0 31 9 l5 1 7 4 1 21 1 4 38 5 65 3 l1 4 5 53 9 81 0 9 23 1 98 7 32 6 67 2 82 2 86 2 4 4 1 21 1 4 31 0 9 26 3 61 7 7 74 7 71 3 3 33 8 21 0 6 63 1 88 8 92 7 37 6 2 51 2 7 07 5 26 0 41 6 3 l4 5 31 2 2 33 6 39 7 93 0 28 1 62 5 96 9 9 51 2 7 09 1 97 0 91 9 3 95 3 21 4 5 44 2 61 1 6 43 5 59 7 03 0 48 3 1 51 2 7 09 1 97 0 91 9 3 95 3 21 4 5 44 2 61 1 6 43 5 59 7 03 0 48 3 l 51 2 7 o1 2 7 09 0 l2 5 2 86 7 61 8 9 65 4 01 5 1 74 5 01 2 6 4 3 8 61 0 8 3 51 2 7 01 2 7 09 0 12 5 2 86 7 61 8 9 65 4 01 5 1 74 5 01 2 6 43 8 61 0 8 3 5 1 21 3 9 79 1 78 7 42 3 7 56 5 61 7 8 15 2 41 4 2 54 3 71 1 8 73 7 51 0 1 8 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 表2 - 2 各种钻杆的校直力( k n ) ( 续) t a b l e 2 - 2 s t r a i g h t e n i n gf o r c e ( c o n t i n u e d ) 支承距离m m 钻杆外径壁厚 6 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 型号 m mm m p ib尸l尸2p 1尸2p l尸2尸lb 5 1 21 3 9 71 0 5 49 7 52 6 7 47 3 12 0 0 55 8 51 6 0 44 8 81 3 3 74 1 81 1 4 6 6 5 81 6 8 38 3 81 2 1 73 2 5 59 1 32 4 4 l7 3 01 9 5 3 6 0 81 6 2 7 5 2 11 3 9 5 6 5 1 81 6 8 39 1 91 3 1 53 5 3 49 8 62 6 5 17 8 92 1 2 06 5 71 7 6 75 6 41 5 1 5 2 2 3 钻杆变形计算 由材料力学知，在集中力p 的作用下，梁的挠度曲线为 六= 器( 3 _ 4 一 ( 2 - 3 ) 梁中部产生的挠度为 厂：堕 (24)pmax， 一砸7 “叶7 钻杆的校直过程中，同时发生了塑性变形和弹性变形，当校直力撤除后，塑性变形 保留，而弹性变形则回复，这样在实施校直的过程时，必须施加更大的力，产生更大的 变形，以满足合适的校直要求。 当钻杆表面上的某点达到屈服时，钻杆达到其最大弹性变形，此时所需要的力可由 强度公式算出，该力也就是前面算出的最小变形力p 1 ： 只：4 w o s ：8 i c l 、ll d 在该力矩的作用下，钻杆中部的弯曲变形为： ，pl3 p 懈2 面7 该变形量即钻杆的弹性变形量，由上面公式可知，钻杆的弹性变形量与钻杆尺寸、 材料和支承距离有关，表2 3 表2 5 给出了当屈服强度分别为7 2 4 、9 3 1 和1 1 3 8 m p a 时 各种钻杆的最小变形力p i 和弹性变形而。 9 第二章校直原理 表2 - 3 钻杆的最小变形力p l 和弹性变形 ( c r s = 7 2 4 m p a ) t a b l e 2 3t h em i n i m u mf o r c ep la n de l a s t i cd e f o r m a t i o n 支承距离m m 外径壁厚 钻杆型号 6 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 m mm m p 嗽n y u m p 烈 f l u m p 豫n p u m p f 、烈 f l u m p 酞n ：u r n 2 3 86 0 37 1 l6 83 4 35 l6 1 04 l9 5 33 41 3 7 22 91 8 6 8 2 7 87 3 o9 1 91 2 72 8 39 55 0 47 67 8 76 31 1 3 35 41 5 4 3 3 1 28 8 96 4 51 5 52 3 31 1 64 1 49 36 4 67 89 3 l6 61 2 6 7 3 1 28 8 99 3 52 0 32 3 31 5 34 1 41 2 2 6 4 6 1 0 2 9 3 l8 7 1 2 6 7 3 1 28 8 9 1 1 4 02 3 12 3 3 1 7 34 1 41 3 96 4 61 1 69 3 19 91 2 6 7 3 1 28 8 91 1 4 02 3 l2 3 31 7 34 1 41 3 96 4 61 1 69 3 l9 91 2 6 7 41 0 1 68 3 82 5 52 0 41 9 23 6 2 1 5 3 5 6 61 2 88 1 41 0 91 1 0 8 4 1 21 1 4 36 8 82 8 41 8 12 1 33 2 21 7 05 0 31 4 27 2 4 1 2 29 8 5 4 1 21 1 4 38 5 63 3 8 1 8 l 2 5 33 2 22 0 35 0 31 6 97 2 41 4 59 8 5 4 1 2 1 1 4 3 1 0 9 24 0 51 8 l3 0 33 2 22 4 35 0 32 0 27 2 41 7 39 8 5 51 2 7 07 5 23 8 41 6 32 8 82 9 02 3 14 5 21 9 26 5 21 6 58 8 7 51 2 7 09 1 94 5 11 6 33 3 82 9 02 7 14 5 22 2 66 5 21 9 38 8 7 51 2 7 09 1 94 5 l1 6 33 3 82 9 02 7 l4 。5 22 2 66 。5 21 9 38 。8 7 51 2 7 01 2 7 05 7 31 6 34 3 02 9 03 4 44 5 22 8 76 5 22 4 68 8 7 51 2 7 o1 2 7 05 7 31 6 34 3 02 9 03 4 44 5 22 8 76 5 22 4 68 8 7 5 1 21 3 9 79 1 75 5 61 4 84 1 72 6 33 3 44 1 12 7 85 9 22 3 8 8 0 6 5 1 21 3 9 71 0 5 46 2 01 4 84 6 52 6 33 7 24 1 l3 l o5 9 22 6 68 0 6 6 5 81 6 8 38 3 87 7 41 2 35 8 l2 1 94 6 43 4 l3 8 74 9 23 3 26 6 9 6 5 81 6 8 39 1 98 3 71 2 36 2 7 2 1 9 5 0 23 4 14 1 84 9 23 5 96 6 9 l o 中国石油大学( 华东) 工程硕上学位论文 表2 - 4 钻杆的最小变形力 和弹性变形五( 仃。- - 9 3 1 m p a ) t a b l e 2 4t h em i n i m u mf o r c ep za n de l a s t i cd e f o r m a t i o n 五 支承距离m m 钻杆 外径 壁厚 6 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 型号 m m m m p 慰 f l u m p 瞧n加mp 融n r u m p 蜮 g u m p l 心 f l u m 2 3 8 6 0 3 7 1 l8 84 4 l6 67 8 45 31 2 2 54 41 7 6 53 82 4 0 2 2 7 87 3 o9 1 9 1 6 3 3 6 41 2 2 6 4 8 9 81 0 1 28 11 4 5 8 7 01 9 8 4 3 1 2 8 8 96 4 5 1 9 92 9 9 1 5 0 5 3 2 1 2 0 8 3 l1 01 1 9 78 5 1 6 2 9 3 1 28 8 99 3 52 6 22 9 91 9 65 3 21 5 78 3 l1 3 l1 1 9 71 1 21 6 2 9 3 1 ，28 8 91 1 4 02 9 7 2 9 9 2 2 35 3 21 7 88 3 11 4 91 1 9 71 2 71 6 2 9 3 1 28 8 91 1 4 02 9 72 9 92 2 35 3 21 7 88 - 3 l1 4 91 1 9 71 2 71 6 2 9 41 0 1 6 8 3 8 3 2 8 2 6 2 2 4 6 4 6 51 9 77 2 71 6 41 0 4 71 4 11 4 2 5 4 1 21 1 4 36 8 83 6 5 2 3 32 7 4 4 1 4 2 1 9 6 4 6 1 8 39 3 l1 5 71 2 6 7 4 1 21 1 4 38 5 64 3 42 3 33 2 64 1 42 6 16 4 62 1 79 3 11 8 61 2 6 7 4 1 21 1 4 31 0 9 25 2 02 3 33 9 0 4 1 4 3 1 26 4 62 6 09 3 l2 2 3 1 2 6 7 51 2 7 07 5 24 9 42 0 93 7 l3 7 22 9 75 8 22 4 78 3 82 1 21 1 4 0 51 2 7 09 1 95 8 02 0 94 3 53 7 23 4 85 8 22 9 08 3 82 4 9 1 1 4 0 51 2 7 09 1 95 8 02 0 94 3 5 3 7 2 3 4 85 8 22 9 0 8 3 82 4 91 1 4 0 51 2 7 o 1 2 7 07 3 72 0 95 5 33 7 24 4 25 8 23 6 88 3 83 1 61 1 4 0 51 2 7 01 2 7 07 3 72 0 95 5 33 7 24 4 25 8 23 6 88 3 83 1 61 1 4 0 5 1 21 3 9 79 1 77 1 51 9 05 3 63 3 94 2 95 2 93 5 8 7 6 23 0 61 0 3 7 5 1 21 3 9 71 0 5 47 9 81 9 05 9 8 3 3 94 7 9 5 2 9 3 9 97 6 23 4 2l o 3 7 6 5 81 6 8 38 3 89 9 51 5 87 4 72 8 l5 9 74 3 94 9 86 3 24 2 78 6 1 6 5 81 6 8 39 1 91 0 7 61 5 88 0 72 8 l6 4 54 3 95 3 86 3 24 6 1 8 6 1 第二章校直原理 表2 - 5 钻杆的最小变形力 和弹性变形石( 盯，= 1 1 3 8 m p a ) t a b l e 2 - 5t h em i n i m u mf o r c ep za n de l a s t i cd e f o r m a t i o n 五 支承距离r a m 钻杆外径壁厚 6 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 型号 r a m m m p 阪r f l u m p 炼 f l u m p 漩n f l u m p l ( n y u m p 阪n f l u m 2 3 86 0 3 7 1 i 1 0 85 3 9引9 5 96 51 4 9 85 42 1 5 74 62 9 3 6 2 7 87 3 09 1 9 1 9 9 4 4 5 1 4 9 7 9 2 1 1 9 1 2 3 7 9 91 7 8 28 52 4 2 5 3 1 28 8 96 4 52 4 43 6 61 8 36 5 01 4 61 0 1 61 2 21 4 6 31 0 41 9 9 1 3 1 28 8 99 3 53 2 03 6 62 4 06 5 01 9 21 0 1 61 6 01 4 6 31 3 71 9 9 l 3 1 28 8 91 1 4 03 6 33 6 62 7 36 5 02 1 81 0 1 61 8 21 4 6 31 5 61 9 9 1 3 1 28 8 91 1 4 03 6 33 6 62 7 36 5 02 1 81 0 1 61 8 21 4 6 31 5 61 9 9 1 41 0 1 68 3 84 0 13 2 03 0 l5 6 92 4 l8 8 92 0 l1 2 8 01 7 21 7 4 2 4 1 21 1 4 36 8 84 4 62 8 43 3 55 0 62 6 87 9 02 2 31 1 3 81 9 11 5 4 9 4 1 21 1 4 38 5 65 3 12 8 4 3 9 8 5 0 63 1 97 9 02 6 6 1 1 3 8 2 2 8 1 5 4 9 4 1 ，21 1 4 31 0 9 2 6 3 6 2 8 44 7 75 0 6 3 8 27 9 03 1 81 1 3 82 7 31 5 4 9 51 2 7 07 5 26 0 42 5 64 5 34 5 53 6 37 1 13 0 2 1 0 2 4 2 5 9 1 3 9 4 51 2 7 o9 1 97 0 92 5 65 3 24 5 54 2 67 1l3 5 51 0 2 43 0 41 3 9 4 51 2 7 09 1 97 0 92 5 65 3 24 5 54 2 67 1 13 5 51 0 2 4 3 0 4 1 3 9 4 51 2 7 01 2 7 09 0 12 5 66 7 64 5 55 4 07 1 l4 5 01 0 2 43 8 6 1 3 9 4 51 2 7 01 2 7 09 0 12 5 66 7 64 5 55 4 07 1 14 5 0l o 2 43 8 61 3 9 4 5 1 21 3 9 79 1 78 7 42 3 36 5 64 1 45 2 46 4 74 3 79 3 l3 7 51 2 6 7 5 1 21 3 9 71 0 5 4 9 7 5 2 3 37 3 14 1 45 8 56 4 74 8 89 3 l4 1 81 2 6 7 6 5 8 1 6 8 38 3 81 2 1 71 9 39 1 3 3 4 3 7 3 0 5 3 76 0 87 7 35 2 11 0 5 2 6 5 81 6 8 39 1 91 3 1 51 9 39 8 63 4 37 8 95 3 76 5 77 7 35 6 41 0 5 2 2 2 4 钻杆的弯曲变形计算 钻杆在校直和测量时与钻杆的工作位置不同，是水平放置的，这时由于钻杆重力的 影响，钻杆会产生弯曲变形，该变形会对测量造成较大的影响，为保证测量的准确性， 该影响应当消除。 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 ( 1 ) 简支梁模型 钻杆水平放置时，其重力为线性分布，均匀作用于杆体，两个支撑点视为铰支，如 忽略掉两端的影响，则钻杆的挠度计算可简化成两端简支的均布载荷梁如图2 5 所示， 挠度计算公式为 六= 器( 1 喵2 ) ( 2 - 5 ) 图2 - 5 钻杆的简支梁模型 f i 9 2 - 5s i m p l ys u p p o r t e db e a mm o d e l 根据计算公式，可以很方便地计算出各点的挠度值，画出其挠曲线。实际使用时， 将测量值减去重力影响的挠度值，就可以找到钻杆的实际变形值。从而给出钻杆实际的 变形曲线。 ( 2 ) 外伸简支梁模型 本次要求对钻杆进行比较精确的测量，因此对计算模型要求尽可能的准确，因此有 必要讨论忽略掉支撑点以外的长度时，对测量结果的影响。 考虑全长时，钻杆为外伸简支梁模型如图2 - 6 所示。该模型无现有的计算公式，推 导过程比较复杂，本次采用各项迭加的方法，具体推导过程参见附录。 图2 - 6 外伸简支梁模型 f i 9 2 - 6o u t h a n gs i m p l yb e a mm o d e l 首先推导出梁左段受均布载荷时的挠曲线方程如图2 7 所示，该