（机械工程专业论文）结垢油管清洗装置设计.pdf

摘要 随着油价大幅度攀升，采油成本不断升高，油田需要加大从油井回收结垢油管的力 度。油管清洗的质量影响着油管的回收，关系到油田的经济效益。因此，如何提高油管 的清洗质量和效率成为企业关注的一大问题。 本文是在传统的油管清洗方法基础上，结合机械清洗的特点，针对企业在生产实际 中所遇到的问题，运用机械原理和流体力学原理，设计了一套以物理清洗为基础，以机 械清洗为辅助的结垢油管清洗装置。该套装置包括清洗架、自旋式高压喷头和离心式气 动钻头，主要用于结垢厚且硬的油管清洗，是油田迸一步回收利用油管的重要工具之一。 本文针对以往自旋式高压喷头存在的水能量损失严重的问题，重新设计了自旋式高 压喷头结构，为喷头的旋转轴增加了一个旋转转子，从而增大了旋转轴的转动惯量，减 小了水能量损耗，改善了其清洗效果。 使用喷头清洗油管后，有些结垢依然与油管内壁紧紧的结合在一起，极难清洗掉。 针对这个问题，本文设计了离心式气动钻头，其工作原理是靠特殊设计的切削齿轮冲击 和摩擦结垢，使其脱落。本文还对离心式气动钻头主要部件进行了有限元分析计算。 从现场实验可以看出，该装置有效地去除了油管内壁结垢，保证了结垢油管清洗质 量，提高了企业的生产效率。 关键词：油管清洗，自旋式高压喷头，离心式气动钻头，结构设计 d e s i g no fc l e a n i n gt e c h n i q u ef o rs c a l et u b i n g w un i n g ( m e c h a n i c a le n g n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rn i uw e n j i e a b s t r a c t w i t ht h eo i lp r i c ei n c r e a s i n ga n do i lc o s tr i s i n g ，o i l f i e l dn e e d st oi n c r e a s et h ee f f o r t so f r e c y c l i n gs c a l em b i n g t h eq u a l i t yo f t h et u b i n gc l e a n i n ga f f e c t st h er e c o v e r yo fs c a l et u b i n g a n dt h ee c o n o m i cb e n e f i t so ft h eo i lf i e l d ! t h e r e f o r e ，h o wt oi m p r o v et h ec l e a n i n gq u a l i t ya n d e f f i c i e n c yo ft h et u b i n gb e c o m e sam a j o ri s s u ef o re n t e r p r i s e t h i sa r t i c l ei so i lt h eb a s i so ft h et r a d i t i o n a lt u b i n gc l e a n i n gm e t h o d s ，c o m b i n e dw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h em e c h a n i c a lc l e a n i n g ，e n c o u n t e r e dt h ep r o b l e m si na c t u a lp r o d u c t i o n , u s e sm e c h a n i c a lp r i n c i p l e sa n dt h ep r i n c i p l e so ff l u i dm e c h a n i c s ，d e s i g nap h y s i c a lc l e a n i n g b ym e c h a n i c a lc l e a n i n gs c a l i n gt u b i n go ft h ea u x i l i a r yc l e a n i n gd e v i c e t h i ss e to fd e v i c e w h i c hm a i n l yu s e df o rr e m o v i n gt h et h i c ka n dh a r ds c a l i n g ，i n c l u d e saw a s hr a c k , as p i n t y p e h i g h p r e s s u r en o z z l ea n dac e n t r i f u g a lp n e u m a t i c i ti so n eo ft h ei m p o r t a n tt o o l so ft u b i n g c l e a n i n gf o rt h ef u r t h e rr e c o v e r yo fs c a l et u b i n gi no i l f i e l d s t h i sa r t i c l er e d e s i g n st h es t r u c t u r eo ft h es p i nh i g hp r e s s u r en o z z l e ，f o rt h es e r i o u s p r o b l e mo fw a t e re n e r g yl o s s b ya d d i n gar o t o rf o rt h er o t a t i n ga x i s ，i ti n c r e a s e st h em o m e n t o fi n e r t i ao fi t sr o t a t i o na x i s ，r e d u c e sw a t e ra n de n e r g yc o n s u m p t i o na n di m p r o v e st h e c l e a n i n ge f f e c t u s i n gt h eh e a dc l e a n i n gt u b i n g ，s o m es e a l i n gi ss t i l lt i g h t l yt o g e t h e rw i t ht h et u b i n gw a l l ， w h i c hi se x t r e m e l yd i f f i c u l tt oa p a r tf r o mi t c e n t r i f u g a lp n e u m a t i cd r i l lw a sd e s i g n e df o rt h i s p r o b l e m ，w h i c hr e l yo nas p e c i a l l yd e s i g n e dc u t t i n gg e a rr e m o v i n gs c a l e ，f o u l i n gi to f f , i m p a c t i n ga n df r i c t i o n i t sm a i nc o m p o n e n t sh a v e b e e nm a d ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s f r o mt h ef i e l de x p e r i m e n t s ，w ec a l ls e et h a tt h ed e v i c ec a l lr e m o v et h es c a l ee f f e c t i v e l y , e n s u r et h et u b i n gc l e a n ，a n di m p r o v et h ep r o d u c t i v i t yo ft h ee n t e r p r i s e k e y w o r d s ：h i g h p r e s s u r en o z z l e ，t u b i n gc l e a n i n g ，s p i nc e n t r i f u g a lp n e u m a t i cd r i l l ， s t r u c t u r a ld e s i g n 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章前言 1 1 概述 目前，随着国际油价大幅攀升，高含水油田开发难度越来越大，采油成本的不断升 高，油田需要迸一步加大从油井回收旧的结垢油管的力度，才可以降低油田的生产综合 成本。油管的修复质量关系到油井的作业质量。提高油管的修复质量可以延长检泵周期， 减少作业返工，降低作业成本。因此，设计合理的清洗结垢油管的装置，提高油管清洗 质量，成为企业当前需要解决的一大问题。 结垢油管的清洗传统的方法有：化学清洗【1 1 、物理清洗【2 】，加热清洗【3 1 等油管清洗 方法。但这些传统的清洗方法设备落后，赶不上企业对清洗结垢油管的要求，且清洗效 率低、清洗效果不明显、污染环境及清洗结垢油管成本高。这些传统的油管清洗方法无 法满足彻底清洗结垢的要求。因此，我们需要不断地创新，找到合理有效清除油管结构 的方法。 针对结垢油管的传统清洗方法存在清洗效率低，清洗效果不明显，清洗质量得不到 保证等问题，企业开始在清洗油管结垢的实际中研究新的清洗装置。新的清洗装置必须 保证能有效去除油管内壁结垢，保证结垢油管清洗质量，这样可以为油管回收利用的后 续工作创造条件。 1 2 结垢油管清洗传统方法 1 2 1 物理清洗 物理清洗是依靠机械摩擦、负载、高压水射流等外力作用清洗结垢油管的方法。目 前清洗结垢油管采用的主要的物理清洗方法是高压水射流清洗和钻通机清洗的方法。如 图1 1 所示钻通机清洗结垢油管示意图。 1 钻通小车2 支撑小车3 前后防喷罩4 夹紧装置5 钻头组件6 低压供水软管7 底架8 待洗油管 图1 - 1 钻通主机工作原理 f i g l - 1w o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ed r i l l i n gm a c h i n e 第一章前言 高压水射流技术【4 j 是一项新发展起来的结垢油管清洗技术。高压水射流清洗结垢油 管的原理是以水为清洗介质，使用高压柱塞泵，产生高速高压的水，经特殊设计的喷嘴 喷出，形成具有强大冲击里的射流。射流以一定的角度连续不断地射向油管内壁结垢， 结垢由于射流的冲击和剪切而脱落，达到清洗结垢油管目的。高压水射流清洗油管如图 1 2 所示。高压水射流可以通过调节其工作压力和清洗速度，来满足清洗不同性质结垢 的油管，而且不会损伤被清洗的油管内壁。用高压水射流清洗油管与其它清洗方式相比， 对环境污染小，在清洗效果、效率、清洗成本以及环保等方面具有无可比拟的优势。 图1 - 2 高压水射流清洗 f i g l - 2 h i g hp r e s s u r ew a t e rj e tc l e a n i n g 在结垢油管清洗过程中，由于油管内壁结垢厚且非常硬，结垢难于一次性只用一种 清洗方式清洗掉。因此，结垢油管清洗更多采用钻通机联合高压水射流清洗技术清洗油 管。 高压水射流清洗技术用途特别广泛。高压水射流可以清洗不同形状的物件，凡是水 射流能接触到的地方，不管是油管内壁，还是设备的角落；也不管是软的污物，还是硬 的结垢物，高压水射流都可以迅速彻底地清洗干净结垢。在国内外工业清洗行业中，高 压水射流技术起到了极其重要的作用。 1 2 2 化学清洗 化学清洗就是利用化学药品依靠化学反应的作用除去油管内壁结垢的清洗方法。用 化学方法清洗结垢油管所使用的清洗剂是盐酸，但盐酸会与油管内壁发生反应，需要在 清洗剂中加入缓蚀剂。这种方法清洗碳酸盐结垢油管具有显著的作用，但对于硅酸盐结 垢的油管需要添加适量的氢氟酸。 用酸洗结垢油管【5 j 主要依靠酸对结垢的溶解、剥离和疏松作用。 ( 1 ) 溶解作用 碳酸盐( c a c 0 3 、m g c 0 3 ) 、碱性物质和金属氧化物( f e 2 0 3 ) 与盐酸发生化学反应， 会生成能溶于水的氯化物、二氧化碳和水。其原理是： 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 c a c 0 3 + 2 h c i = c a c l 2 + h 2 0 + c 0 2t f e 2 0 3 + 6 h c l 2 2 f e c l 3 + 3 h 2 0 m g c 0 3 m g ( o h ) 2 + 4 h c l = 2 m g c l 2 + 3 h 2 0 + c 0 2f ( 2 ) 剥离作用 油管内壁的金属氧化物被盐酸溶解使得结垢油管内壁与结垢连接松动，造成结垢剥 离油管内壁。其原理如下： f e 3 0 4 + 8 h c i = 2 f e c l 3 + 4 h 2 0 f e 2 0 3 + 6 h c l 2 2 f e c l 3 + 3 h 2 0 f e o + 2 h c l = f e c l 2 + h 2 0 ( 3 ) 疏松作用 油管内壁的结垢主要是碳酸盐、金属氧化物组成，与盐酸发生反应可导致得油管内 壁结垢溶解、疏松并且脱落。油管内壁结垢中的碳酸盐所占的比重比最大，由于与盐酸 发生反应会产生大量的二氧化碳气体，导致油管内壁结垢会更加容易脱落。盐酸在与油 管内壁结垢作用时，会与油管发生反应，腐蚀油管。其原理是： f e + 2 h c l = f e c l 2 + h 2l 采用酸洗除垢，必须加入缓蚀剂，以保证清除油管结垢的同时，最大限度地减轻盐 酸对油管内壁的腐蚀。反应产生的氢气除了大本分溢出到大气中外，还有- d , 部分会扩 散到油管中，从而腐蚀油管甚至发生“氢脆6 】，降低油管的机械强度。此种方法清洗 结垢油管的成本高，对结垢油管的酸洗设备要求也很高，必须耐腐蚀，安全可靠，且对 环境也会照成一定的破坏。 1 2 3 加热清洗 加热清洗主要是使油管内外表面温度迅速升高，油管内的油垢、结蜡等污物迅速的 融化，经过钢丝刷等工具进一步洗刷，同时辅以低压水冲洗的清洗方法。加热清洗又分 为感应加热清洗，远红外加热清洗，高压蒸汽加热清洗等方法。 感应加热清洗技术【7 】是采用中频感应原理对油管进行瞬间加热，使油管内外表面温 度迅速升高，导致油污结垢瞬间融化的清洗技术。感应加热工序流程图如图1 - 3 所示。 第一章前言 塑雏嘲蛩盛透 图1 3 感应加热工序流程图 f i g l - 3i n d u c t i o nh e a t i n gp r o c e s sf l o wd i a g r a m 该技术可利用可控硅把5 0 i - i z 的工频电流变成中频电流，在感应器内形成强大的电 磁场，感应结垢油管使结垢油管迅速升温的。感应加热技术可根据油管表面黏附污垢情 况清洗结垢油管。通过刮削，利用高速旋转的钢丝刷，辅以大量水冲洗后，油管内壁的 结垢会逐渐被去除。 远红外加热技术【8 】是可以在冬季温度很低的情况下清洗结垢油管的清洗技术，不但 可以降低结垢油管清洗能耗、而且可以降低清洗成本，有效提高油管清洗效率。 高压蒸汽加热清洗技术9 】是采用高温高压下的饱和蒸汽对油管内部的污垢进行清 洗的一种清洗方法。该方法主要针对油管内壁的油质污物等污垢进行清洗。饱和蒸汽可 以有效切入细小的空隙和裂缝，剥离并去除油管内壁的污渍和残留物。 采用加热的方法清洗油管虽然可以达到清洗油管的目的，但是对于结垢油管结垢 厚、硬的特点，此方法清洗结垢油管的效果并不是很理想，并不能彻底的把结垢清洗干 净。 1 3 结垢油管清洗国内外研究技术现状 1 3 1 国内现状 我国对于结垢油管清洗多年来一直处于化学和机械清洗的落后状态。据估计，过去 我国8 0 结垢油管清洗是采用化学方法或机械除垢的方法清洗。目前国内结油管清洗主 要采用机械清洗，兼有利用高压水射流技术进行清洗，化学清洗在某些地方也还存在。 濮阳市创立石油机械有限公司是一家主要是以设计、生产、销售石油机械产品的公 司。该公司设计生产的油管钻通清洗机( 见图1 4 ) 主要进行油管内部结垢的刮削清洗。 使用钻通机清洗结垢油管虽然可以清洗掉大部分的结垢，但由于采用的是硬质合金的刮 刀，清洗结垢油管时会损伤油管内壁，其清洗效果也不是特别理想。 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 图l _ 4 机械除垢机 f 噜1 - 4m e c h a n i c a lc l e a n i n gm a c h i n e 高压水射流技术自上个世纪8 0 年代中期传到我国后，逐渐被用于结垢油管清洗工 艺技术中，得到油管清洗行业的普遍认同与重视【1o | 。目前国内逐渐开始使用复合清洗技 术清洗结垢油管。该技术主要是在高压水射流清洗技术和机械除垢技术的基础上发展起 来的，能满足油田对结垢油管的清洗的要求，基本可以解决油管结垢严重的除垢难题， 但清洗效率不是很高，有待进一步的发展。 根据国内结垢油管清洗的情况，无论是化学清洗还是机械清洗都存在着清洗成本 高、效率低、污染环境等问题，而复合清洗工艺技术清洗结垢油管在我国还不够成熟远 远不能满足现代企业对结垢油管清洗要求。目前，我国的结垢油管清洗装置，基本上是 以引进、仿制为主，除了低端的高压喷头可以真正实现自主生产外，绝大多数高端喷头 依赖进口】。国内生产结垢油管清洗装置的厂家虽然也有，但其产品质量并不好，其产 品远远不能满足国内市场对高压水射流设备性能的需求。 1 3 2 国外现状 日木、欧美等西方发达国家在7 0 年代以前主要采用化学的方法清洗结垢油管，自7 0 年代末开始发展高压水射流清洗技术。高压水射流技术被运用到结垢油管清洗中形成了 复合结垢油管清洗技术。该技术使得结垢油管清洗焕然一新，不但有效地去除了油管内 结垢，而且成本低，对环境几乎不造成任何污染。复合清洗结垢油管技术逐渐被西方发 达国家普遍采用。到目前为止，复合清洗清洗结垢油管技术已经成为西方发达国家的丰 流清洗方式，占到了结垢油管清洗业市场份额的8 0 以上。在美国，复合结垢油管清洗 技术己占到了结垢油管清洗行业的9 0 以上【12 | 。 第一章前言 使用高压水射流技术清洗结垢油管，其清洗成本低，清洗数度快，清洗效率高，而 且不会损伤油管内壁，广泛地被国内外同行所接受。由于高压水射流技术在国外比较成 熟，因此，复合清洗结垢油管技术在国外发展也比较成熟。 美国s t o n e a g e 公司是一家专注于研究高压水射流清洗设备的公司，其在高压喷头 研究方面已经取得了巨大的成就。该公司的高压喷头设备以形成系列，如图1 5 所示 s t o n ea g e 公司的系列喷头，其设备广泛地运用于工业清洗的各个方面。 图1 5 高压喷头 f i g l - - 5h i g h - p r e s s u r en o z z l e s 由此可见，复合清洗结垢油管技术不但清洗成本低，而且清洗效果显著，运用于其 他工业清洗领域也取得巨大的经济效益，在未来工业清洗领域中将起到非常重要的作 用。 1 3 2 国内结垢油管清洗存在的问题 我国结垢油管清洗与西方国家相比落后很多。国内结垢油管清洗存在的问题也很 多，需要国家和企业共同努力解决。存在的问题主要有： ( 1 ) 国内结垢油管清洗行业存在管理涣散、地方保护、国企垄断等问题，这样造 成无序竞争、结垢油管清洗质量低，结垢油管清洗方式落后等现象的出现f 1 3 】。 ( 2 ) 目前结垢油管清洗企业以个体企业为主，占到近6 0 7 0 ，并呈急剧上升之 势。但这些企业当中有一批并不具备清洗出高质量油管的能力，且其清洗成本高，清洗 效率低。 ( 3 ) 我国的清洗工业并没有一个统一的行业标准。目前国内工业清洗行业的行业 标准还都是上世纪八九十年代的国家标准【1 4 】，已经远远不能满足现代清洗工业对清洗行 业标准的要求。 ( 4 ) 目前国内结垢油管清洗的工具主要来自欧美，国内清洗工具质量差，种类不 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 丰富，整体处于低端水平。 1 4 油管结垢原因分析及结垢的化学成分组成 1 4 1 结垢原因分析 造成油管内壁结垢的主要原因【1 5 】是，水中结垢离子 ( c a ”) 含量过高而引起油井油管中c a c 0 3 的沉淀。碳 酸钙垢的形成受水中c 0 2 浓度、温度、压力、p h 值、含 盐量等的影响。当水中c 0 2 浓度增加时，c a c 0 3 在水中 的溶解度增大，c a c 0 3 沉淀减少。温度越高，碳酸钙垢 的结晶越多。系统压力越高，则c 0 2 的分压也越高，当 压力显著下降时，c 0 2 便从溶液中析出，此时p h 值升高， 导致c a c 0 3 沉淀增加。水中含盐量( 不包括c a 2 + 、c 0 2 。、 图1 - 6 油管结垢 f i g l - 6t h et u b i n gs c a l i n g h c o 卜) 增加时，c a c 0 3 溶解度也增加，结垢减少。油管结垢外观呈灰白色如图1 - 6 所示， 结垢致密，质地坚硬，粘着力强。 1 4 2 结垢化学成分分析 结垢的成分有钙、钡、银的碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐以及铝、镁的氧化物等。如图 1 7 所示，结垢的主要成份比例。 图1 7 结垢成分 f i g l - 7s c a l i n gi n g r e d i e n t s 由图1 7 可以看出油管内的结垢主要成分是钙，其次是含有少量的硅和铁。绝大多 数油管的结垢均为碳酸钙垢。因此，清洗结垢油管主要清洗含有钙、硅的化合物。 一一一一一一一一一 誊 曩 瓶 第一章前言 1 5 课题研究内容和重点 1 5 1 课题研究的内容 ( 1 ) 清洗架结构设计 清洗架是由导轨、调速电机、小车、卷筒、钢丝绳等部分组成。清洗架的设计主要 包括导轨尺寸的确定，电机型号的选择，和减速器型号的选择。 ( 2 ) 离心式气动钻头结构设计 离心式气动钻头结构设计主要包括旋转体、转子键、销轴、切削齿轮、垫片等部件 的结构设计，同时还包括离心式气动钻头驱动装置气动马达的选型。 ( 3 ) 离心式气动钻头有限元分析 运用有限元模拟仿真软件对离心式气动钻头的关键部件进行有限元分析计算。 ( 4 ) 自旋式高压喷头结构设计 自旋式高压喷头的结构设计主要包括喷头、转轴、转子等的结构设计，同时还包括 用实验的方法确定喷距和喷射角度以及清洗时的移动速度。 ( 5 ) 结垢油管清洗装置清洗效果分析 结垢油管清洗装置的清洗效果主要是通过除垢率来反映的，实验包括分析自旋式高 压喷头的除垢率，考察自旋式高压喷头移动速度对清洗效果的影响，和检验结垢油管清 洗装置的清洗效果和清洗效率。 1 5 2 论文研究重点 论文研究的重点是离心式气动转头和自旋式高压喷头的设计以及利用有限元分析 软件对离心式气动钻头的关键部件进行有限元分析计算。离心式气动转头和自旋式高压 喷头结构，是通过分析实际中所要解决的问题，满足实际清洗结垢油管要求而设计出来 的。以大型通用有限元分析软件a n s y s 为分析工具，建立离心式气动钻头关键部件的 有限元结构模型，模拟部件在一定载荷作用下的响应。 1 6 本章小结 本章首先概述了结垢油管清洗技术的背景，其次分析了结垢油管清洗技术国内外研 究现状，包括传统物理清洗、化学清洗和感应加热清洗，最后概述了本课题研究的主要 内容以及论文研究的重点。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第二章结垢油管清洗平台设计 2 1 清洗平台尺寸的确定 油管一般长约为1 0 米，内径为6 2 m m 。清洗架设计需要考虑到减轻劳动者的劳动 强度，同时兼顾清洗效率。清洗架轨道长度是根据油管的长度( 约l o m ) 确定的，设计 为2 5 m ，轨道之间的宽度为1 5 m ，清洗架高出地面0 3 m 。清洗架的结构如2 1 所示。 图2 - 1 清洗架 f i 9 2 - 1 c l e a n i n gf r a m e 在刮刀清洗结垢厚的油管的过程中，清洗油管有两种方式1 1 6 】可供选择，第一种方式 是刮刀旋转油管进给：第二种方式是油管旋转刮刀进给。对比两种清洗方法，当用刮刀 旋转油管进给的方式清洗油管时，由于结垢油管太长( 一般1 0 米左右) ，刮刀伸进油管 内部后，自重会自然下垂，结果只能清洗到结垢油管内壁的一侧。结垢油管另一侧的清 洗需要旋转油管，进行第二次的清洗，这样导致清洗效率不高且清洗效果不好。当用油 管旋转而刮刀静止的方式清洗结垢油管时，刮刀会接触到结垢油管内壁两侧，用这种方 法清洗可一遍完成清洗油管工作，清洗效果也很明显，同时还可以提高清洗油管的效率。 经过实践证明，使用结垢油管旋转而刮刀不转的清洗方式清洗油管可以达到出去结垢的 目的。这种方式比油管静止，而刮刀旋转效果更好，更易于清洗油管内厚的结垢。 油管旋转，需要两个旋转支架支撑其旋转。根据油管的长度，支架间距离确定为6 m 。 清洗油管无论是用自旋式高压喷头清洗还是用离心式气动钻头清洗都需要深入到油管 内部。考虑到小车的长度，长干长度确定为1 6 米。长干一端与刮刀连接，另一端接水 管。水顺着长干流到清洗结垢的地方，把结垢带出油管。油管固定在一端部，由电机带 动旋转。小车的移动由另一台电机驱动。 清洗结垢比较厚的油管需要先用刮刀清洗去大部分的结垢，在用自旋式高压喷头【1 7 】 和离心式气动钻头清洗。刮刀和离心式气动钻头清洗油管都需要低压水带走结垢，以免 结垢堵塞油管，影响清洗效果。 9 第二章结垢油管清洗架设计 2 2 清洗平台驱动机构设计 2 2 1 卷筒驱动机构设计 卷筒驱动机构包括减速器、电机、卷筒、小车。卷筒驱动机构主要是为小车提供动 力和控制，使得安装在小车上清洗装置能够自动进给。工作时，小车的推力为3 0 0 n ， 速度v = 0 5 m r a i n 。电动机通过减速器减速，带动卷筒旋转。钢丝绳缠绕在卷筒上，牵 引小车来回运动。 小车的牵引力为f = 2 1 0 0 n ，带速v = 1 3 m s ，卷筒的直径d = 3 2 0 ，计算卷筒的转速 6 0 x 1 0 0 0 v 6 0 1 0 0 0 1 3 ， 刀。= 一= = o r m l n 加3 1 4 3 2 0 选用转速为1 0 0 0 r m i n 或1 5 0 0 r m m 的电动机作为原动机，由此可求得传动装置总 传动比约为1 3 。传动方案简图如图2 2 所示。 图2 - 2 传动方案简图 f i 9 2 - 2t r a n s m i s s i o ns c h e m ed i a g r a m 选择电动机类型和结构型式：根据工作条件，选用一般用途的y ( i p 4 4 ) 系列三相 异步电动机，其结构为卧式封闭结构。 电动机的容量： ( 1 ) 卷筒的输出功率p 。 只，：旦：型：2 7 3 k w 1 0 0 01 0 0 0 ( 2 ) 电动机输出功率p d ( 3 ) 传动装置的总效率 只：生 ( 2 - 1 ) t 1 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 t 1 = 1 1 1 4 1 1 2 2 t 1 3 t 1 4 1 1 5 t 121 1 1 1 1 2 t 1 3 t 1 4 1 1 5 ( 2 2 ) 式( 2 - 2 ) 中r l 。t l 分别代表轴承、弹性联轴器、圆锥齿轮、圆柱齿轮、卷筒的效 率。查表可得：r l1 = 0 9 6 ；r l2 = 0 9 9 ；r l3 = 0 9 6 ；r l4 = 0 9 7 ；t 15 = 0 9 6 ；则： r l = 0 9 4 4 0 9 9 2 0 9 6 o 9 7 0 9 6 = 0 8 1 e d - - 百e o = 等以3 6 k w o 7 7萏l 故电动机额定功率p ，查表可得选取电动机额定功率p 为4 0 k w 。 ( 4 ) 电动机转速 查表可得，单极圆柱齿轮传动比范围i 1 = 3 6 ，圆锥齿轮传动比范围i 2 = 2 3 ，则电动机转 速可选范围为： 嘞= f 1 如= 4 6 5 6 1 3 9 6 8 r m i n 初步选择电机为y 1 3 2 m 1 6 ，额定功率为4 k w ，电动机转速满载9 6 0 r m i n 。 ( 5 ) 减速器的选择 减速器的传动比： 江丝：一9 6 0 ：1 2 3 7 刀。 7 7 6 输出转速： 刀= 刀= 7 7 6 r r a i n 减速器的输出功率： 尸：业：! ：三鱼兰里：墨! ：2 7 5 k w ，7 2 0 9 9 减速器的输出转矩： p一一7 m = 2 7 9 n m 。选择的气动马达的工作转矩为4 0 0 n r r l ， 转速为5 0 1 8 0 r m i n ，额定功率为4 k w 。 3 2 3 旋转体结构设计 旋转体的设计是离心式气动转头设计的核心部件。 旋转体本身是一个中心轴对称部件，中间镂空，如图3 4 所示旋转体简图。其中1 - 1 与1 - 2 部分是用来放圆锥切削 齿轮和圆柱切削齿轮的。 圆锥切削齿轮和圆柱切削齿轮由销轴穿起来，三者 中心线在一条直线上。但是这条轴线，与旋转体轴线并 不平行，而是异面，两者之间存在着一小的夹角，其目 的是使得离心式气动钻头在工作时候，有一个向前的分 力，这个分力可以使得离心式气动钻头向前运动。 旋转体材料的选择是根据工作要求，并考虑工艺性 和经济性选择的。旋转体的材料主要是碳素钢和合金钢。 图3 - 4 旋转体简体 f i 9 3 - 4r o t a t i n gb o d y 1 一己 碳素钢比合金钢价廉，对应力集中敏感性较小，应用较为广泛。常用的碳素钢有3 0 、4 0 、 4 5 和5 0 钢，其中以4 5 钢应用最广瞄】。为改善其机械性能，可进行正火或调质处理。 合金钢具有较好的机械性能，但价格较贵。而旋转体的受力又不是很大，因此选择常用 的4 5 钢。 旋转体直径确定。工作直径，离心式气动钻头的工作直径d 是由油管的内径巾决定 1 7 第三章离心式气动钻头设计 的，其中必须满足： d o f t a d l + 2 a + d 2 一d 3 ( 3 3 ) 其中d 1 一旋转体最大直径，m m ； 一旋转键的上升高度，m m ； d 2 一圆柱切削齿轮外径，m m ； d 3 一圆柱切削此轮内，m m 。 其中由= 6 0 m m ，根据经验结合实际情况6 0 m m d 。a = 7 m m ，综合考虑切削轮齿的 外径d = 2 6 ，内径d 3 = 8 m m 。于是可确定旋转体的最大直径d l = 5 4 m m 。 3 2 4 转子键结构设计 转子键用于约束轴的运动，使得轴和齿轮在离心力的作用下一起沿径向运动。轴 约束转子键的周向运动，使得转子键被约束在旋转体凹槽内。转子键如图3 5 所示。 f i 9 3 。5t h er o t o rk e y 图3 5 转子键 安装转子键时，转子键沿着旋转体轴向放置，等转子键进入旋转体的凹槽内后，旋 转转子键使得转子键被约束在旋转体的凹槽内。轴周向约束转子键，使其只能径向运动， 使得切削齿轮可以甩出去。 转子键工作时的受力情况如图3 - 6 所示，主要受到销轴的压力和旋转体施加个动力。 f l 为销轴压力的径向分力，大小等于轴与切削齿轮的向心力。 中国石油大学( 华东) 3 - 程硕士学位论文 一 f j 图3 - 6 转子键的受力分布图 f i 9 3 - 6r o t o rk e yf o r c em a p s 销轴的向心力： 2 互- - z _ 7 0 ) ? ( 3 - 4 ) m=2m 1 + 腕2 + 1 7 3 ( 3 - 5 ) 其中：f l 一为销轴施加的径向分力，n ； f 2 一销轴施加的切向分力，n ； ( ) 一为正常工作时销轴的角速度，m s ； m 一为销轴、两个圆柱齿轮、一个圆锥齿轮的质量之和，k g ； m 1 一为圆柱齿轮的质量，k g ： m 2 - 圆锥齿轮的质量，k g ； m 3 一为销轴的质量，k g ： r 为销轴的旋转半径，m 。 圆柱齿轮的质量为m l = 4 5 9 ；圆锥齿轮的质量为m 2 = 7 6 9 ；销轴的质量m 3 = 3 0 9 ： r = 2 4 m m 。 国= 2 , 7 - n = j 1 m o ) r = 三1 ( 2 4 5 + 7 6 + 3 0 ) 1 0 - 3 x 2 刀4 0 0 o 0 2 4 = 4 5 2 可求的f 3 - - - f l - - 4 5 2 n 旋转体给转子键的力f 4 ： m = 6 f 4 ， 气动马达正常工作时的输出转矩m = 5 0 n m ， 1 9 第三章离心式气动钻头设计 f ：丝：! q ：3 4 7 2 6 ，6x0 0 2 4 转子键的质量m 4 = 2 5 9 ，正常工作时转子键的向心力f 5 只2 m 4 凹= 2 5 x 1 0 一x 2 x 刀x 4 0 0 x 0 0 2 4 = 1 5 n = e + e 2 4 6 7 总之：f 1 = 4 5 2 n ；f 2 = f 4 = 3 4 7 2 n ；f 3 = 4 6 7 n 。 3 2 5 圆柱切削齿轮与圆锥切削齿轮结构设计 离心式气动钻头设计的关键还在与切削齿轮的设计，由于切削齿轮与结垢不但发生 碰撞，而且发生摩擦，因此对切削齿轮的耐磨性有很高的要求。当转速一定时，齿轮的 齿数越多，齿轮对结垢冲击力越小；反之，齿轮的齿数越少，齿轮对结垢的冲击力越大。 但齿轮的齿数又不能太少综合考虑在确定为1 2 个齿。如图3 7 图3 8 所示切削齿轮结构 图。 图3 7 圆柱切削齿轮图3 8 圆锥切削齿轮 f i 9 3 - 7c y l i n d r i c a lc u t t i n gg e a rf i 9 3 - 8t a p e rc u t t i n gg e a r 圆柱齿轮和圆锥齿轮靠冲击力和摩擦力清洗结垢油管。离心式气动钻头对切削齿轮 的材料要求特别高，材料必须具有耐磨性和韧性。所选材料为日本工具钢s k d l1 钢材， 这种刚才是高耐磨的通用冷作模具钢；热处理变形小。 其加工工艺【2 4 】为： 淬火：先预热7 0 0 - - 7 5 0 ，再加热至1 0 0 0 1 0 5 0 在静止空气中冷却。 回火：加热至1 5 0 - - - 2 0 0 ，在此温度中停留，然后在静止空气中冷却。 氮化处理：通过淡化处理使得齿轮表面形成一层具有很高硬度和一定耐蚀性的硬化 组织。 2 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 3 2 6 销轴结构设计 ( 1 ) 选择销轴材料 根据轴的工作要求，并考虑工艺性和经济性，选择合适的材料。轴的材料主要是碳 素钢和合金钢。碳素钢比合金钢经济一些，对应力集中敏感性较小，应用较为广泛。常 用的碳素钢有3 0 、4 0 、4 5 和5 0 钢，其中4 5 钢材料应用最广，为改善其机械性能，可 进行正火或调质处理。合金钢具有较好的机械性能，但价格较贵。当载荷大，尺寸要求 小，重量轻或有其它特殊要求的轴，可采用合金钢。球墨铸铁容易获得复杂的形状，但 对应力集中敏感性低，适用于制造外形复杂的轴，如曲轴和凸轮轴等。 ( 2 ) 销轴的结构设计 由于销轴主要用于约束切削齿轮的运动，因此根据切削此轮的尺寸定出销轴的尺 寸，其尺寸如图3 - 9 所示： 图3 9 销轴 f i 9 3 - 9s h a f t ( 3 ) 销轴受力分析 销轴主要受到来自切削齿轮施加的力和转子键施加的约束。如图3 - 1 0 所示。 图3 - 1 0 销轴受力图 f i 9 3 。1 0s h a f tf o r c ed i a g r a m 正常工作时，销轴主要受到来自切削齿轮施加的力，其力可以看作均布载荷p l 和 p 2 。转子键可以看作对轴施加的约束。 2 l 第三章离心式气动钻头设计 一= 之= 孵：；三j - 丽：2 7 7 8 4 3 3 本章小结 本章主要讲述了离心式气动钻头的工作原理，离心式气动钻头结构设计，包括转子 键、旋转体、圆柱切削齿轮、圆锥切削齿轮设计，并对重要部件进行了受力分析为下一 张对其进行有限元分析做准备。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第四章离心式气动钻头有限元分析 4 1 旋转体静力分析 离心式气动钻头有限元分析使用a n s y sw o r k b e n c h 软件。该软件是目前国际上最 著名的大型通用有限元分析软件，广泛应用于航空航天、机械制造、石油、化工等各个 领域，其极强的分析功能覆盖了几乎所有的工程问题【2 5 1 。作为世界最具权威的有限元产 品，目前几乎所有的c a d c a e c a m 软件都开发了与之交互的接口，实现数据共享和 交换，如p r o e n g i n e e r 、n a s t r a n 、s o l i d w 6 r k s 等。 a n s y sw o r k b e n c h 软件对离心式气动钻头进行有限元分析的过程为：建立问题的 有限元分析模型和物理模型【2 6 】；建立单元材料特性与几何特性；确定位移边界条件；施 加载荷和约束；求解生成应力应变云图。 从a n s y sw o r k b e n c h 自身建模看，其图形驱动技术支持的界面可管理性和操作性 相对建模软件来说还不够理想，因此会影响工作效率，而建模恰恰是一些三维设计软件 的优势所在。例如p r o e n g i n e e r 、s o l i d w o r k s 、u g 等。离心式气动钻头建立几何模 型有很多种方法，可以使用u g 或者s o l i d w o r k s 等作图软件【2 8 】建模，然后导入到a n s y s w o r k b e n c h 软件中，也可以直接在a n s y sw o r k b e n c h 软件中建立模型。 4 1 1 旋转体材料参数确定 旋转体使用的是4 5 号钢，切变模量为7 9 4 g p a ，泊松比设为0 31 t ，杨氏模量【2 刀设 为2 1 x 1 0 1 1 p a 。这些参数在模型导入到a n s y sw o r k b e n c h 前设置。 4 1 2 旋转体几何模型建立 旋转体结构复杂，在a n s y sw o r k b e n c h 软件中绘制会比较繁琐。因此，利用 s o l i d w o r k s 绘制其物理模型，然后导入到a n s y sw o r k b e n c h 软中，实现旋转体几何模 型建立。 4 1 3 旋转体单元格划分 由节点和单元格构成的有限元模型与机械结构系统的几何外形基本上是一致的。在 a n s y sw o r k b e n c h 中对旋转体实体模型进行单元格划分【2 9 1 。网格的密度不宜过大，虽 然较细的网格产生更精确的解，但会增加c p u 的运行时间以及提高对内存的要求。旋 2 3 第四章离心式气动钻头有限元分析 转体单元大小为2 r a m ，公差为0 1 m m ，共有1 4 7 6 7 个单元，节点2 8 5 6 3 个，总自由度 为7 1 3 6 7 ，旋转体划分完有限元模型如图4 1 所示。 图4 - 1 旋转体网格划分 f i 9 4 1r o t a t i n gb o d ym e s h i n g 4 1 4 对旋转体施加载荷和约束 旋转体主要受到来自气动马达施加的驱动扭矩、转子键施加给旋转体的离心力以及 圆周方向的周转力。施加的载荷与约束如图4 2 所示。 图4 - 2 对旋转体施加载荷 f i 9 4 - 2a p p l i e dl o a dt ot h er o t a t i n gb o d y 4 1 5 旋转体有限元结果分析 通过对旋转体进行a n s y sw o r k b e n c h 有限元分析，求解结果具体情况如下： ( 1 ) 从图4 - 3 可以清晰的看出整个旋转体的整体变形情况，其中红色区域代表旋 转体变形比较大，且受应力也比较大。红色区域主要集中与旋转体的中上部位。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图4 - 3 旋转体总变形云图 f i 9 4 3t o t a ld e f o r m a t i o nc o n t o u r so fr o t a t i n gb o d y ( 2 ) 从图4 4 旋转体等效应力云图可以观察到整个旋转体的应力分布情况。旋转 体受到的最大应力为2 2 3 m p a 。由于4 5 号钢材料的屈服强度为3 5 5 m p a 。旋转体材料强 度可以满足理论设计要求。 j ， 。k i d 图4 - 4 旋转体等效应力云图 f i 9 4 - 4t h ec o n t o u rp l o t so fr o t a t i n gb o d ye f f e c t s ( 3 )从图4 - 5 旋转体的等效弹性变形云图可以看出销轴的最大弹性变形量为 1 6 0 8 2 e 5m l l l 。变形量非常的微小，满足设计要求。 ， ： 立 。- 吾= = 昔 图4 5 旋转体等效弹性变形云图 f i 9 4 - 5r o t a t i n gb o d ye q u i v a l e n te l a s t i cd e f o r m a t i o nc o n t o ur s 第四章 离心式气动钻头有限元分析 结论：通过对旋转体进行有限元分析可得：旋转体设计在结构强度和变形控制方面 满足理论设计要求。 4 2 转子键静力分析 4 2 1 转子键的材料参数确定 旋转键使用的是4 5 号钢，其弹性模量为2 0 6 g p a ，切变模量为7 9 4 g p a ，泊松比设 为0 3u 。