（安全技术及工程专业论文）VARCO顶驱故障诊断专家系统的构建.pdf

t h ec o n s t r u c t i o no ff a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e mo f v a r c o t o pd r i v es y s t e m h u ol i a n c a i ( s a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l ia n a b s t r a c t t o p d r i v es y s t e mw h i c hi sm o d e m d r i l l i n ge q u i p m e n t h a sd e v e l o p e di nt h ep a s t2 0y e a r s ， a n db e c a u s eo fi t sm a n ya d v a n t a g e s ，i th a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yb r o a ds c o p eo fu s e b u tt o p d r i v es y s t e mi sav e r yc o m p l e xi n s t i t u t i o n ；t h e r ew i l la p p e a rav a r i e t yo ff a u l t r e p a i r i n gt o p d r i v es y s t e mn e e d sr e l a t e de x p e r t s ，w h ob a s e do nt h e i re x p e r i e n c ea n dk n o w l e d g et o p a r t i c i p a t ei nt h es e t t l e m e n t ，w h i c hl i m i t st h ep o p u l a r i t yo ft o pd r i v es y s t e ma n dr e c o v e r y t i m ea f t e rf a i l u r e a st h et o pd r i v ed r i l l i n ge q u i p m e n ti sm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ci n t e g r a t i o n ， t h e r e f o r e ，i th a sah i g h e rt e c h n i c a lq u a l i t yr e q u i r e m e n tt om a i n t e n a n c et e c h n i c i a n s d u et ot h e s p e c i a le c o n o m i cs y s t e mo fo i l f e i l d ，i tr e s u l t si nt h es h o r t a g eo fd r i l l i n gi n d u s t r ye q u i p m e n t m a i n t e n a n c et e c h n i c i a n o n c et d si sf a i l u r e ，t h ec y c l eo fm a i n t e n a n c ea n dc o s ti sh i g h s o ，b u i l d i n ga f a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e mo ft o pd r i v es y s t e mh a sag r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sp a p e ra i m i n ga tv a r c ot d s - lis at o pd r i v es y s t e m ，i n t r o d u c et h es t r u c t u r eo ft o p d r i v es y s t e mi nd e t a i l m e a n w h i l e ，s e r v i c el o g so ft o pd r i v es e r v i c e sc o m p a n yo fd o n g y i n g c r u i s e ，h a v eb e e nc l a s s i f i e di ns u m m a r y , a n di t i sd i v i d e di n t o ：c o m m o nf a u l t s ，a l a r m p r o c e s s i n g ，t h ef a u l to fm a i ns t r u c t u r e ，t h es p e c i a lf a u l t a n df i n df a u l tp h e n o m e n o n ，i d e n t i f y c a u s eo ft h em a l f u n c t i o n ，o b t a i ns o l u t i o n s s e c o n d l y ，b ya n a l y s i n gt h ef a u l t si nd e t a i l ，o b t a i n t h ef a c t sa n dr u l eb a s eo fe x p e r ts y s t e m t h i r d ，u s i n ge x p e r ts y s t e ml a n g u a g ec l i p s ，c o m p i l e t o pd r i v ef a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e m ，a n di t si n q u i r y b a s e dm o d ei sf r i e n d l y , c o n v e n i e n t ， a n du s e rc a na n s w e rf a u l td i a g n o s i ss y s t e m ，a n dr e a c has o l u t i o n f i n a l l y , s t u d yt h ei n t e r f a c e b e t w e e nc l i p sa n dv i s u a lc + + ，a n du s ec l i p s w r a pc l a s s e st om i x e dp r o g r a m e ，a n d s u c c e s s f u lo b t a i nk n o w l e d g ee d i t o ra n di n f e r e n c ee n g i n ef u n c t i o n ，a n db a s e do nv i s u a lc + + f o rf a u l td i a g n o s i s e x p e r ts y s t e m t h a tu s e rc a nu s ei n f o r m e df a u l tp h e n o m e n o n ，f a s t p o s i t i o n i n go ft h ec a u s eo ft h em a l f u n c t i o n ，a n dm a k er e l e v a n ts o l u t i o n s k e y w o r d s ：t d s lls a ；c l i p s ；f a u l tt y p ea n di m p a c ta n a l y s i s ；f a u l td i a g n o s i s l l 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：率翌丑 日期：沙扣年多月7 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 指导教师签名 日期：沙扣年 日期：占晰 6 月7 日 石月乒日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 顶部驱动钻井装置( t o pd r i v ed r i l l i n gs y s t e m ) 是8 0 年代，由美国，法国和挪威相继 成功开发，并推广应用的装置。钻井实践表明，这种系统可节省2 0 - - - , 2 5 钻井时间，在 斜度定向井的钻井中经济效果更为明显【l 】。 相比转盘钻井，顶部驱动钻井装置具有以下优点：该系统直接立根( 约2 7 米) 钻探， 减少了2 3 的钻柱连接时间；不需要大鼠洞，转盘，省去了转盘钻井过程中接单根时 频繁的操作，节约时间，减轻操作工的劳动强度，减少了人身事故；可以持续钻井2 7 m ， 减少了测量频率，节约了时间；起下钻时，顶部驱动钻井系统可直接循环钻井液，减 少事故和由此产生的打捞工作；系统可连续取芯2 7 m ，提高质量；顶驱装有内防喷 器，如果有发生井喷的征兆，司钻可远程控制设备快速实现卸扣，达到钻柱与水龙头连 接，循环钻井液，以防止意外发生【2 j 。 从世界钻井行业机械的发展趋势看，为了满足钻井自动化的需求，顶驱系统和井下 钻头加压装置系统，己成为本世纪当今世界钻井机械发展的主要方向。由此可见项驱系 统已成了钻井不可缺少的机械，顶驱系统如此重要，但也存在一些问题，由于顶驱系统 是机电液一体化的钻井机械，所以，其对项驱维修人员的技术素质提出了更高的要求， 由于顶驱设备是一种新而复杂的装置，造成了钻井行业维修技术人员短缺。一旦顶驱出 现故障，维修周期和成本就很高；鉴于顶驱系统在钻井过程中的重要作用，顶驱系统出 现故障就意味着整个钻井作业的停止，加上其维修周期长，就严重降低了该口井的经济 效益。由此可见编制一套具有专家经验的针对项驱系统的故障诊断系统很有实际价值。 1 2 课题研究的目的和意义 顶驱是世界上非常先进的钻井系统，其体积小，易于安装，操作简便，高效。然而， 在使用中会遇到各种各样的问题，严重影响使用顶部驱动的持续性，如果不及时解决， 顶部驱动将无法正常工作。顶驱故障经常需要专家参与修复，往往是费时费力。该课题 拟利用专家的经验，进行故障诊断，即在没有专家到场的情况下，即可对顶驱做出合理 的诊断，找出相关的故障原因，有效及时的解决问题，尽快恢复钻井，将故障的经济损 失和解决故障的花费降到最低。 第一章绪论 随着计算机技术和软件业的发展，计算机技术在石油行业受到越来越多的使用，特 别是专家系统的使用。如提高原油采收率专家系统、稠油开采天然气专家系统、油气层 改造专家系统。这些油田软件的使用，不仅有效地解决石油产量的问题，也大大提高了 石油生产和输出效率。在v a r c o 顶驱系统中没有一个有效的故障诊断软件，因此，在 钻井作业中，现场技术人员的经验和能力就成为决定修井作业能否成功的关键，随着油 井数量的逐年增加，出现事故的频率也将逐渐增多，而经验丰富的钻井作业专家又相对 不足。因此，在这种情况下，开发一套顶驱系统的专家系统，将若干具有丰富经验专家 的知识和处理各种事故的技术方法归纳总结在一起，开发一套专家系统供现场作业参 考，指导和辅助钻井作业技术人员完成钻井作业，并可以对修井技术人员进行培训，在 短期内提高普通人员的技术水平，这不仅可以增加修井作业的成功率，降低修井作业周 期，而且可以进一步提高我国钻井作业技术水平，降低钻井作业成本，为油田创造更大 的经济效益。 1 3 国内外故障诊断专家系统的发展 1 3 1 故障诊断概况 机械设备在运行过程中，由于疲劳损伤、磨损、操作不当等原因，会出现一些问题。 这些问题都会或多或少的影响机械设备的正常功能的实现，造成生命财产或者经济效益 的损失。因此，及时发现故障，找出故障原因，并排除重大故障是很重要的。故障诊断 技术是以机械设备的内部零件运作受到的机械应力，热应力，温度和压力参数等为基础， 随着时间的推移，这种机器的相互作用，会引起机械运动状态的变化。随着这些状态的 变化，也会产生相应的振动，声音，温度的变化。机械故障诊断技术，是以物理参数为 基础，进行分析，根据机械设备受到的压力和其他技术状况为指标，以确定改进和维修 方法的【3 1 。 1 3 2 故障诊断专家系统的研究背景和意义 “诊断 一词是从医学领域诊断( 医疗诊断术语) 发展而来的。但是，现在其研究领域 远远超出了医疗诊断的范围。诊断技术，在医疗领域，甚至在社会领域都有广泛的应用， 特别是在工程领域。 然而，随着现代工业和科学技术的发展，现代设备结构的日益复杂，故障类型也变 得多种多样。因此，故障可能造成连锁反应，甚至导致整个生产过程不能正常进行。近 2 中国石油入学( 华东) 硕i ：学位论文 年来，由于关键设备故障造成的特大事故时有发生，例如：1 9 8 4 年1 2 月，位于印度博 帕尔农药厂硬质合金发生煤气泄漏，2 0 0 0 多人死亡，2 0 万受害者，是世界上最大的工 业事故。1 9 8 6 年1 月2 8 日，美国航天飞机“挑战者”，空中爆炸，7 名宇航员全部遇难， 造成1 2 亿美元损失。1 9 8 6 年4 月2 7 日，前苏联切尔诺贝利核电站泄漏，造成2 0 0 0 多 人被死亡，数万人疏散，3 0 0 亿美元的损失，并将污染蔓延到邻近的国家。我国机械设 备因发生故障而引起的损失也十分惊人。如1 9 8 5 年大同电厂和1 9 8 8 年秦岭电厂的2 0 0 m w 气轮发电机组的严重断轴毁机事件：进口的大型万吨货轮在航行中的主机突然损坏 遇风暴沉入海底等。这些严重的灾难事件不断发生，迫使人们在设备诊断方面进行大量 的研究，形成了机器设备、工程机构和工艺过程的故障诊断这一新兴的研究领域【4 】。 国内和海外的信息也表明，设备的故障诊断的经济利益很多是显而易见的。据日本 统计，诊断系统，减少7 5 的事故，维修费将减少2 5 5 0 ；英国的调查，2 0 0 0 年国 家国有工厂，利用诊断技术节省维修费用3 亿英镑，用于诊断的费用只有o 5 亿英镑， 净利润2 5 亿英镑。据统计，中国每年的机械设备维护费用就达到惊人的2 5 0 亿元，如 果推广故障诊断方法，每年减少可以减少5 0 7 0 的事故，节省1 0 3 0 的维护成本， 其效率和经济效益是相当可观的1 5 j 。 1 3 3 专家系统软件的概述 专家系统产生于2 0 世纪6 0 年代中期。美国斯坦福大学的费根鲍姆 饵a f e i g e n b a u m ) 1 9 6 5 - - 1 9 6 8 年研制的化学分子结构专家系统d e n d r a l 系统，是第一 个专家系统。它能象化学专家那样进行质谱数据分析，推断化学分子结构。1 9 6 5 - - , 1 9 7 1 年麻省理工学院( m i t ) 的教授英格曼( c e n g l e m a n ) 等研制了数学专家系统m a c s y m a ， 它能够解包括微分、积分、微分方程、级数展开、矩阵运算、向量代数、数量级分析等 多种数学问题。尽管这些专家系统结构、功能还不完整，移植性差，且推理解释功能不 很完善，但它标志着专家系统的诞生。 1 9 7 2 - 1 9 7 4 年，美国斯坦福大学的s h o r t l i f f e 等研制了诊断血液细菌感染的医疗诊 断专家系统m y c i n ：1 9 7 6 - - 1 9 8 1 年斯坦福国际人工智能研究中心( s r i ) 的r 0 d u d a 等 设计了地质探矿专家系统p r o s p e c t o r ，并用它成功地发现了美国华盛顿地区的铝矿： 1 9 7 6 年d b l a n e t 等在斯坦福大学完成了能进行概括、抽象和归纳推理的数学专家系统 a m ，并用它发现了某些数论的概念和定理，以后他们又研究成功诊断和治疗青光眼的 专家系统s a s n e t ，诊断内科疾病的专家系统i n t e r n i s t 等。这阶段开发的专家系统 第一章绪论 虽然多是单学科专业型的，但它们均属结构较完善，功能较全面( 如具有解释功能，使 用启发性知识和非精确推理等) 的专家系统，它标志着专家系统技术已基本成熟。 随着专家系统逐步成熟，它的应用领域迅猛扩展。处理的问题难度也不断增加。7 0 年代中期以前的专家系统，其数据信号大都属解释型和诊断型，处理的问题基本上是可 分解的。7 0 年代后期，在专家系统向纵深发展的实践中发现，开发一个专家系统需要许 多人协同工作很长时间，其中知识获取是一个关键的瓶颈问题。为了加快研究速度，需 要对知识的自动获取、系统的通用性等方面做进一步研究。于是出现了一批专家系统开 发工具，如e m y c i n ( 由m y c i n 来) 、e x p e r t ( 由c a s n e t 来) 、o p s 、h e a r s a y - i l l 、 a g e 等，大大缩短了专家系统的研制周期，为专家系统向更多领域发展以及走向实用 化提供了条件，是专家系统的又一重大进展 6 1 。 1 4 本课题研究内容，可行性分析和拟解决的关键问题 本课题研究的目标是应用v i s u a lc + + 编程语言和专家系统语言c l i p s 编制一套有关 v a r c o 顶驱系统故障诊断的专家系统，该软件可以根据使用者获得顶驱故障现象，通 过专家系统特有的问询式的方法，找出故障原因，提出解决办法。 1 4 1 研究内容 ( 1 ) 顶驱系统各部分( 水龙头一钻井马达总成、马达支架导向滑车总成、钻杆上卸扣装 置总成、平衡系统、冷却系统和顶驱钻井装置控制系统等) 故障现象及故障原因进行收 集和整理。 ( 2 ) 对顶驱系统中各个部分进行分析，分析发生故障的总成与原因，并结合现场经验， 依此来完成知识的获取。 ( 3 ) 对故障类型和影响分析方法进行分析研究，确定其软件实现方式。 ( 4 ) 对专家系统的知识库、推理机等关键功能的进行研究、分析，得出实现故障诊断 专家系统的方式和方法。 ( 5 ) 基于v c + + 和c l i p s 的故障诊断专家系统的软件编制。 1 4 2 可行性分析 在查阅大量有关故障诊断类的文献的基础上，经仔细的分析，我们认为本课题是可 行的，其可行的原因主要是： ( 1 ) 专家系统主要是利用微机来解决人类在实际工程中的面临的许多复杂的问题，该 4 中国石油大学( 华东) 硕：t 学位论文 技术为计算机技术与实际工程问题建立了联系的桥梁。从专家系统方面进行，有许多学 者进行了充分的研究。在该问题上，理论资料是非常完善的。 ( 2 ) 专家系统是针对特定的、专业的、领域的问题，以大量的经验和事实为基础的。 经验和事实通过一定的方式组织成一套知识库库，该系统可应用这些知识，根据一定的 规则得出结论。专家系统需要大量的知识，它可以用来解决实际问题。这种知识有如下 特点： 知识应包括事实和规则； 适于符号表象处理； 推理过程是不固定的； 可以推出一个未知的事实6 1 。 根据上述特点，关于该软件的准备，专家系统的基础是足够的。 ( 3 ) 故障诊断本身需要大量的专家的经验知识，需要有专家的参与。东营克鲁斯公司 是顶驱类的服务公司，具有很多的专家经验，为该系统的搭建提供了知识库保证。 ( 4 ) c 语言是专家系统的代表性程序语言之一，且国内已有人工智能软件的成功开发 的案例。v c 具有可视化编程窗口，在构建具有友好的人机界面上具有很大优势。 ( 5 ) 项驱系统故障诊断系统中所运用的安全分析方法：故障类型和影响分析在故障分 析项目中应用广泛，是比较经典的方法，所以该软件中所运用的方法切实可行【1 4 】。 1 4 3 拟解决的关键问题 ( 1 ) 顶驱工作日志的收集和整理 生产系统中，顶驱系统内的各部分组件的工作条件、工作方式、工作时间长短，都 不尽相同，所以要对这些资料进行处理。所以要选用合适的资料，对所收集的同志进行 整理，拟采用聚类分析法进行分析，剔除不好用的日志，之后，建立数据库，即专家系 统中的综合数据库。 ( 2 ) 对故障类型和影响分析进行顶驱系统的故障原因分析研究，同时也对顶驱系统各 部分进行事故分类。 ( 3 ) 事实的添加，规则库的组建，知识库的形成，推理部分的实现等关键功能的实现。 ( 4 ) 故障类型和影响分析评价方法的实现，拟用c l i p s 语言与v i s u a lc + + 程序语言进 行混合编程的方式，编制故障诊断专家系统。 第一章绪论 1 5 技术路线 采用专家系统原理和概率分析等方法，通过编程建立安全评价的专家系统软件。研 究的技术路线主要如下： ( 1 ) 查阅有关故障诊断软件方面的最新资料，了解研究现状，制定研究方案。 ( 2 ) 顶驱系统故障诊断专家系统总体结构设计。 ( 3 ) 用故障类型和影响分析对顶驱系统各部分进行分析研究。 ( 4 ) 建立专家系统中的知识库的建立，推理子系统。 ( 5 ) 收集并整理故障数据，拟定采用聚类分析法。 ( 6 ) 对顶驱系统不同部分的分别进行故障诊断，使之能够较大程度的解决实际问题。 ( 7 ) 采用w i n d o w sx p 作为操作平台，以m i c r o s o f tv i s u a lc + + 语言和智能专家系统语 言c l i p s 进行编程，最终完成故障诊断软件。 ( 8 ) 输入案例，调试、完善软件。 6 中因石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章v a r c o 顶驱装置及故障诊断相关理论 2 1v a r c o 顶驱装置 2 1 1 顶部驱动装置 顶部驱动是美国，法国，挪威于过去2 0 年成功开发的装置，并推动了顶部驱动钻 井系统的应用。顶部驱动，是把钻井动力部分由下边的转盘移动到钻机上部的水龙头处。 它可以直接从旋转的钻柱，旋转驱动井架上部，并沿井架专用轨道下放以完成钻柱的旋 转，循环钻孔。由于没有方钻杆，无论是在钻进过程中，还是在起下钻过程中，钻柱可 以保持钻井液循环。因此，由意外事故造成卡钻，可及时、有效的控制和处理。同时， 可以进行立柱钻进，大大缩短了钻井时间，钻井试验结果表明：该系统可节省2 0 2 5 钻井时间。 随着顶部驱动钻井在世界上大范围的应用，生产国家从原来的美国也扩大到法国， 挪威，加拿大。后来中国，英国也加入了生产顶驱装置的行列。 总之，顶部驱动钻井系统是当今石油钻井自动化中的前沿技术与装备，用于钻斜井、 钻高难度的定向井时效果尤为显著【7 1 。 2 1 2v a r c o 顶部驱动钻井装置的发展过程 一直以来，在石油钻井中使用标准的转盘和方钻杆钻井，同时使用卡瓦、转盘、b 型钳、吊卡、方钻杆接单根。在2 0 世纪7 0 年代，出现了动力水龙头，提高了机械钻井 的效率，改善了工人的工作状况，但是它仅仅是一个电动机和水龙头的组合，不是从根 本上去掉转盘。随着科学技术的发展，开发出顶部驱动钻井装置。它配备了特殊的钻杆 上卸扣装置。 以美国v a r c o 公司系列顶驱为例，介绍一下顶部驱动装置的发展过程。 1 9 8 1 年最初开始研制t d s 1 顶部驱动钻机，使用g e 7 5 2 直流电机，电机水平安装。 随后发展到t d s 2 型设计，马达竖立安装，但他们仅仅停留在设计上，没有投入实际应 用。 1 9 8 3 年设计和制作了单速( 减速比5 3 3 ：1 ) 的t d s 3 顶部驱动钻井系统，开始被用于 石油钻井生产，并从而形成了行业标准。 1 9 8 8 年，开发出了新标准的2 速度( 高速比7 9 5 ：1 ，低速比5 0 8 ：1 ) 的t d s 4 型顶部 驱动装置，同年还制作了单速( 减速比6 6 7 ：1 ) 的t d s 一5 型顶部驱动钻井系统，但是它只 7 j 幸家系统艟c i p s * i 是作为一项临时的产品1 8 】。 1 9 8 9 年，新的高扭矩电机t d s 3 h 和t d s _ 4 h 型两种顶部驱动装胃出现，应用了 新式的电机。 1 9 9 0 年生产的水龙头，组装在t d s 一3 s ，t d s - 4 s 两个项部驱动钻井系统的机型， 得到广泛使用。髓着钻井深度增加，需求能驱动更丈的重犀，所以取马达驱动t d s 6 s 型顶部驱动钻井系统设计单速传动比5 3 3 ：1 ，在深井钻探使用1 8 1 。 1 9 9 1 年至1 9 9 2 年，整体式的水龙头得到应用，而且还运渐形成t d s 3 s b t d s q s b ， t d s 6 s b 顶部驱动钻并系统的其他类型。 1 9 9 1 年，t d s l 型顶部驱动钻井系统足一个速度比60 0 ：1 ，紧凑的行星齿轮，这是 一个里程碑式的项部驱动钻井装置。 1 9 9 3 年开发出的交流顶部驱动钻井系统。然后在1 9 9 4 年，制定t d s - 9 s a 的项部驱 动钻井系统。1 9 9 7 年，该公司还开发出5 0 0 吨t d s - 1 i s a 型和t d s 1 0 s a 型顶部驱动钻 井系统。特别是在t d s 1 i s a 型引人注目，它具有攘体重量较小，非常紧凑，采用斜齿 轮传动，噪声较小，高可靠性和低维护费用的优势 8 1 。 2 13t d s - 1 l s a 顶部驱动的基本结构 r d s 1 1 s a 顶部驱动钻井装置主要由下列总成构成，其结构图如图2 1 。水龙头一钻 井电机总成：电机冷却系统：滑动架和导轨；管子处理嚣；平衡系统m 。 图2 - 1t d s 1 1 s 顶部驱动结构 f i 站1s t 几c t u r e o f t d s - 1 1 s a t o p - d r l v e 8 中国石油人学f 华东) 碗 学位论立 2 13 1 水龙头- 钻井电机总成 水龙头钻井电机总成是顶龆驱动装置的主体部件，主要由以下部件组成：钻井电 机和制动器；齿轮传动箱( 变速箱) ；整体式水龙头。 ( 1 ) 钻井电机和制动器 t d s - 1 1 s a 有两个垂直对称的4 0 0 马力的交流钻井电机，如图2 - 2 。每个电机有两 个传递轴，输出轴的底部安装一个小驱动齿轮，输入轴端安装盘式制动器轮。交流电机 是一个开放的架构，这意味着内部电机的冷却是利用空气进行的。 在电机顶端装有一个液压盘式制动器，透过盘式刹车外壳可以方便地检查和维护盘 式制动器。在定向操作中，盘式制动器也可以协助钻柱的方向。 、i * 。 国2 - 2 钻井电机和制动器 f 啦- 2d r i l l i a g m o t o r a n db n l 【e ( 2 ) 传动箱和水龙头总成9 i 传动箱和水龙头是一种单级双减速系统，其减速比为1 05 ：l 。变速箱和水龙头为驱 动齿轮和轴承润滑油总成提供一个密封的池。低速液压马达驱动的油泵，并通过支持轴 承，扶正轴承，齿轮和小齿轮复合轴承进行连续的循研= 。油换热器是风冷式的，在变速 箱安装油位指示器可醴监控润滑油的高度。 ( 3 ) 整体式水龙头总成 整体式水龙头的作用是整合整个钻井装置。主止力轴承在大环内的顶部传动，以支 持钻柱负载。主轴和鹅颈之口j 有一个标准的冲管盘根总成。台金钢环连接提环，构成一 个完整的平衡系统。 2 l32 电机冷却系统 第= 市 永系统c i i p s b n 图2 日电机冷却系统 f i 9 2 3 m o t o r c o o l i n gs y s t e m 交流钻井电机冷却系统是空气冷却的，如图2 3 。t d s 一1 1 s a 的电机冷却系统为一 吸气式的离心鼓风机，并配备有两台，其安装在钻井电机的顶部。冷却系统是将字气吸 入后，然后通过开放型内道传送到钻井电机在出口处，从底部排出。 2 13 ，3 滑动架和导轨l 顶部驱动装黄安装在滑动轨道上，沿线完成钻井作业的垂直运动。通过导轨来平衡 由传动箱驱动钻轩时产生的扭矩。导轨有四部分组成，需要分段安装到天车上。导轨各 部分之间通过销子连接，组装的时候，需要在钻台上每次连接部分，并提升，最后与 天车架上的耳板连接。 2 l34 管子处理器 管子处理器如图2 _ 4 所示。它为顶部驱动装置提供了提放2 8 m 长立柱，咀及用钻井 电机上卸扣的能力。它由以下重要部分组成：旋转吊环配接器；背钳总成：吊环倾斜装 置：内防喷阀；吊卡吊环。 k 卸扣装置可以在任意高度卸扣。在钻井过程中，其可以固定钻杆设备。通过钻井 电机主轴产生的扭矩，驱动钻柱旋转。 “1 旋转吊环配接器 旋转吊环配接器在管道处理嚣的上部是一个圆形的设备。其确保液压或气动流的 循环。同时，旋转吊环配接器也为吊环倾斜装置、扭矩背钳液缸、内防喷阀液缸提供了 安装的位置。 管子处理器和主轴旋转时，主轴上的径向孔相互对应并保持互通。旋转齿轮卡环有 一个2 4 孔的方向阀，可以在任何方向旋转。当旋转到指定位置，有一个固定停止装置。 ! 望互堂查塑兰至壁主兰竺笙三 电磁阀控制液压马达旋转到合适的位置 图2 - 4 臂于处理器 f i 萨- 4 t a b e p r o e e s s o r ( 2 ) 背钳总成 吊环配接嚣上的扭矩的用处是支撑扭矩背钳。它由一对钻杆引鞋和夹紧液缸组成， 在钻柱与保护短节连接时用于夹紧钻柱接头。背钳本体安装在扭矩作用架上，在钻杆上 卸扣时可以上下移动并平衡上卸扣时产生的扭矩。 ( 3 ) 双向吊环倾斜装置 双向吊环倾斜设备是由液缸活塞杆和液缸缸体组成。通过操纵司钻台上的开关给液 缸改变压力，以伸长活塞杆从而使吊卡到达鼠洞和放下的位置。液缸装置上的锁销的作 用是限制吊卡，使其移动到井架工的位置，松开门锁吊卡可以移动到鼠洞位置。 止动装置束缚吊卡只能摆动到到井架工的地方，而此限制是可设置的。控制止动装 置可以将吊卡移动到小鼠洞的位冕。司钻控制台上有一个3 挡开关，可以方便的操纵吊 环倾斜设备。使用两个液缸的换向，吊卡可以朝相反的方向充分延伸，这样就具有钻进 到钻台面的能力。 ( 4 ) 内防喷嚣( m o p ) 内防喷器控制阀是一个球形，全尺寸，内部连通的安全阀。可以辅助控制井控的a 两个球阀的直径是6 - 7 $ 英寸。 从司钻台上一个电磁阀控制一个液缸和曲柄遥控上部的内防喷器的打开和关闭。一 鼐= 帝客系境c l i p s * 个滑套髓着球阀旋转上下移动驱动轴上球阀每一边的小曲柄。液缸通过一个不能旋转的 启动环带动滑套。液缸安装在扭矩反作用架r 。 图2 - 5 吊环倾斜装置 f 噼- 5r i a g s t i l t d e v i c e 下部特有的防喷阀与h 部的球阀类型相同除了它必须由一个扳手手动打，r 和关 闭。两个球阀在钻杆中且在t d s - 1 1 s a 连接钻轩时可以使用。在卸去扭矩背钳后使用大 钳可以从上防喷器阀上拆去下防喷器阀。 在断朋| 下防喷阀后起升t d s i i s a ，有足够的空叫安装合适的短节和阀件用十井控 操作。使用钻井太钳从t d s 一1 i s a 上防喷器阀上拆去下防喷器阀后，下防喷器阀仍与钻 秆连接用于井控过程。在系统中有一个过度短节连接钻杆到下防喷阀上。 ( 5 ) 钻杆吊卡 钻轩吊卡悬挂在安装在旋转吊环配接器上的k 孔培环上。吊环倾斜装置摆动吊卡可 以提起钻杆。 2 135 平衡系统 平衡系统包括两个连接提环和大钩的液缸。当系统启动时两个液缸支撑了 t d s l l s a 的大部分重量。在上卸扣时由于支撑了钻杆的大部分重量从而保护了工具的 螺纹不被损坏。 t d s 1 i s a 的个特有的性能称为立柱上调，在司钻台上的个开关可以改变平衡 液缸从平衡条件到立柱上调的操作模式。立柱上调的特性使液缸承受上卸扣时钻杆的大 部分蕈屋，液缸提升梨形环离开大钩，减少作用在螺纹上的压力避免损坏。这两个液缸 中国石油大学( 华东) 硕， ：学位论文 与一个位于主箱体上的液动气动蓄能器连接。在钻机安装时可以用一个手动阀伸长液 缸活塞杆。蓄能器充有液体并保持在液压回路中控制面板预先设置的压力。液压阀板控 制着到t d s 11 s a 的所有的液压压力【1 2 1 。 2 2 故障类型和影响分析 故障诊断技术主要包括两个层面的诊吲3 】：初级层面的故障诊断，功能是对设备的 运行状态做出迅速而有效的评价结论，以及找出工程过程中判定为“异常”的机械设备； 高级层面的诊断，由机械故障诊断的专门技术人员实施的高级故障诊断，主要功能是对 采用初级故障诊断技术判定为“异常”的机械设备进行专门的、细致的分析，进一步缩小 范围，查出故障的原因，给出故障发展的趋势及故障的影响等等，为故障的维修、修复 等方面提供决策推荐。所以，高级诊断技术是机械设备故障诊断技术的关键。在查找故 障的过程中往往需要利用故障类型和影响分析的手段和方法，辅助我们的实施工作。 故障类型和影响分析f m e a ( f a i l u r em o d e la n de f f e c t sa n a l y s i s ) 的目的是辨识单一设 备和系统的故障模式及每种故障模式对系统或装置造成的影响。评价人员通常提出增加 设备可靠性的建议，进而提出安全对策1 6 1 。 2 2 1 故障类型 故障类型和影响分析主要是针对系统的组成部分、机构进行分析的重要方法。由于 系统的元件在运行中会产生故障，而且往往式不同类型的故障。此类分析方法首先找出 系统中各机构有可能发生的故障及其类型，找出每种类型故障对邻近子系统的影响以及 最终对系统的影响，并且要提出控制这些影响的措施。故障类型和影响分析是一种系统 安全分析归纳方法。 系统、机构在运行的过程中，不能达到规定的功能效果时，就被称为发生故障。但 是发生故障的机理十分复杂，故障类型是各种故障现象的归类。所以，一个系统往往不 止有一种故障类型。 掌握设施的故障类型需要大量的经验，特别是利用故障类型和影响分析积累经验。 2 2 2 分析程序 故障类型和影响分析，一般包括以下四个方面：掌握和了解对象系统；故障类型分 析；故障的影响；列出故障类型和影响分析表。 ( 1 ) 掌握和了解对象系统【1 7 】 第三章专家系统及c l i p s 语苦 采用故障类型和影响分析方法后，首先要深入了解系统，对系统的工作原理，工作 过程进行细致熟悉，同时确定分析的详细程度，并确定下面各方面： 1 ) y 解分析系统的结构，及组成部分。 2 ) 分析系统的组成部分，各个组成部分的作用，工作过程。 3 ) 明确下面两个方面的内容： a 分析系统时主要是针对故障的原因的哪方面，不需要考虑哪些方面，例如天灾人 祸给系统造成的损坏。 b 了解，系统在正常工作的时候，器械的工作状态，和相应的参数值。 4 ) 汇总系统的最新信息，参看下相应的最新技术。 ( 2 ) 故障类型分析 对系统进行故障类型分析时，要确定系统的各种故障的现象，故障的相应的原因， 以及具体的解决办法。 在分析过程中，要区分好故障现象和故障原因，实际过程中，这两方面容易混在一 起，难易分辨。分析故障原因时，可以从内因和外因两个方面着手。 ( 3 ) 故障类型的影响 故障类型的影响主要是分析，故障发生后，可能会引发的潜在因素，进而产生相关 的影响，该影响的严重程度等方面进行。 故障类型的影响可以从下面三种情况来分析【1 8 】： 1 ) 该故障类型的发生会对旁边人的影响； 2 ) 该故障类型的发生会对机器的影响； 3 ) 该故障类型的发生会对环境的影响。 ( 4 ) 列出故障类型和影响分析表 根据故障类型和影响分析，以及相应的解决办法，进行汇总，列表，让结果明晰化， 便于管理和使用。 2 3 本章小结 本章主要是对顶驱装置进行了介绍，重点介绍了v a r c ot d s 1 1 s a 顶驱装置，把 该型号顶驱分为水龙头钻井电机总成；电机冷却系统；滑动架和导轨：管子处理器； 平衡系统，并对每一总成的结构、工作机理进行了分别讲解；其次介绍了故障类型和影 响分析( f m e a ) 方法，对该方法的分析程序进行了探讨，为后续工作做好铺垫。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕：l 二学位论文 第三章专家系统及c l i p s 语言 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 主要是利用知识库中的相关的知识，解决实际问题。其是 人工智能理论的一个重要分支。专家系统是用计算机语言编写的一个系统，利用专家的 经验和理论组成的知识库，结合推理技术，解释机制进行工作的一个计算机软件系统。 3 1 专家系统理论 3 1 1 专家系统的定义 专家是指在特定某个领域拥有多年的工作经历，其拥有大量的在工作过程中积累的 经验，有些经验甚至找不出对应的科学理论。 专家系统是用程序语言编写的计算机程序，其自身含有知识库和推理机来解决实际 的问题，专家系统具有以下三个特点【1 9 】： 启发性：专家系统一定拥有大量的技能知识，其可以运用知识进行推理，在推理过 程中，可以对许多情况进行假设，在假设的状况下进行启发式推理。 透明性：专家系统的推理过程必须可以被用户知晓，以了解问题解决的过程，采用 该过程的原因等。 灵活性：专家系统的知识库是可以维护的，也可以进行添加知识，以可以解决更多 的问题。 所以，专家系统就是一套具有启发性、灵活性和透明性的软件，它能利用专家的经 验和知识，模仿专家来解决实际问题。 图3 - 1 专家系统对知识的加工和使用 f i 9 3 - 1p r o c e s s i n ga n du s eo fk n o w l e d g eb ye x p e r ts y s t e m 3 1 2 专家系统的类型 一个实际的工程问题，是复杂的，设计面非常广，需要很多领域的专家合作进行解 决，因此专家在解决问题中的作用不同，其可以答题被分为两类【2 0 1 。 管理专家系统在解决实际的复杂问题的过程负责问题的统筹，人员的管理。 1 5 第三章专家系统及c l i p s 语言 领域专家系统在解决工程问题时，重点参与工程问题的解决。 对于领域专家系统，按照所解决问题的类型，又可以再分类。 ( 1 ) 解释型专家系统 根据获得资料或者数据，进行解读和分析，分析该实际工程问题的专家。 ( 2 ) 诊断型专家系统 工作人员依据获得的故障现象，找出相应的故障原因，最后得出解决办法，一般用 于机械设备的故障诊断。 ( 3 ) 设计型专家系统 按照给定的性能要求为待开发产品做出结构性设计、概念设计、选型设计、参数选 择等方案性设计。这类系统包括机械产品设计、线路设计建筑设计和预算编制等。 ( 4 ) 制造型专家系统 根据给定的设计结果编制出加工工艺过程规划及数据加工信息，如c a p p 、c a m 中 的专家系统。 ( 5 ) 规划型专家系统 为了达到一定的目标( 可能不只一个目标) 而进行行动步骤的设计，这类系统包括军 事规划、生产规划、机械人动作和实验步骤规划等。 ( 6 ) 预测型专家系统 根据从过去和现在得到的信息( 数据、经验) 来推断将来可能发生和出现的情况，它 包括：天气预报、人口预测、交通预报、产值预报、市场预报等。 3 1 3 专家系统的结构及工作原理 组成专家系统最基本的要素是知识库和推理机，但只有这两项，专家系统还不能工 作，它还必须具有工作存储交间，因此知识库、推理机、工作存储空间就构成专家系统 的3 个最基本的单元【2 1 1 。这三个基本单元中缺少任何一项，系统都不能进行实际操作， 该系统也就不能称为专家系统，如图3 2 所示。 图3 2 专家系统的基本结构 f i 9 3 - 2 t h eb a s i cs t r u c t u r eo fe x p e r ts y s t e m 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 对于一个实际的专家系统，它包含三个基本组成部分，其组合为基础的问题，根据 需要扩展，如为机械和设备，为更好地发挥专家系统，其结构如图3 3 所示的，显示与 一个获取知识的基本结构单元的增加，解释机制，故障定位模块，人机界面。因此，一 个完整的专家系统，其组成应能满足解决问题，而不遵守固定的结构问题的需要。专家 为各组成系统的基本职能如下： 知识库工作存储空间 i ij 【 舰机电 i 解释机h 知识获取模块l 1 人机界面 h 故障位置显示模块 图3 - 3 较完善的专家系统结构 f i 9 3 - 3r e l a t i v e l yc o m p l e t es t r u c t u r eo fe x p e r ts y s t e m 专家系统推理机的工作过程是知识的不断引进，根据新的知识基础事实继续进行推 理，从而解决了从一个未知的问题，该国变成一个已知的状态。 3 1 3 1 专家系统知识库 ( 1 ) 知识的获取： 在传统专家系统技术中，知识的获取主要是指以人类领域专家处获取经验知识。从 专家系统的角度看，知识的获取就不是这样单纯了，它不仅着眼于领域知识，更应注意 元知识的获取，它有以下几方面特点【2 2 l ： 知识来源多样性。它可以由人类专家头脑中获得，也可以通过多次试验，或通过 对一些数学模型的大量数值仿真来获取； 获取知识自动化。专家系统中智能化的人一机界面和智能化的知识库编辑器的研 究就是帮助领域专家建立知识库。 另外为从不同的来源自动获取知识，机器学习是更重要的研究课题。 ( 2 ) 知识表达： 面对目标的