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WT50物探钻机设计【10张图/15600字】【优秀机械毕业设计论文】

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WT50物探钻机设计【石油】【】【优秀机械毕业设计论文】.rar

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A0-总装图1.dwg

A0-总装图2.dwg

A0-液压原理图.dwg

A0-立体图.dwg

A0-顶部驱动总成.dwg

A1-自动卸扣装置.dwg

A3-大齿轮.dwg

A3-左齿轮支座.dwg

A3-轴承端盖.dwg

A3-齿轮轴.dwg

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50
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关键词：: wt50 物探钻机设计石油优秀优良机械毕业设计论文

资源描述：

文档包括:
说明书一份,36页,15600字左右.
PPT答辩稿.ppt
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开题报告.doc
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图纸共10张,如下所示
A0-总装图1.dwg
A0-总装图2.dwg
A0-液压原理图.dwg
A0-立体图.dwg
A0-顶部驱动总成.dwg
A1-自动卸扣装置.dwg
A3-大齿轮.dwg
A3-左齿轮支座.dwg
A3-轴承端盖.dwg
A3-齿轮轴.dwg

任务书

题目 WT50物探钻机
专业机制05-02班学号050401140201 姓名金鑫
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
1、主要内容
物探钻机的总体设计；
物探钻机钻具的设计与结构分析；
液压系统的设计分析。
2、基本要求
设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等，折合0号图纸5张；
设计计算书1.5万字；
外文资料翻译3000汉字。
3、主要参考资料
a、机械设计手册；
b、相关专业机械书籍；
c、相关专业机械文章、专利资料；
d、相关生产机械厂家样本、图纸等。

开题报告表
课题名称 WT50物探钻机
开题报告内容：（调研资料的准备，设计目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段内容及时间安排；完成设计（论文）所具备的条件因素等。）
1、资料准备
a、机械设计手册；
b、相关专业机械书籍；
c、相关专业机械文章、专利资料；
d、相关生产机械厂家样本、图纸等。
2、设计目的
众所周知，能源对现代社会的发展起着决定性的作用，它是工业的命脉，人民幸福生活的保障，社会发展的原动力。尤其在我国现阶段，工农业高速发展，人民生活水平迅速提高，对能源的需求呈高速增长趋势。我国石油夭然气正处于一个大的发展时期。能源结构是否合理关系到整个国民经济的发展．因此对石油的探测已成为一项极为重要的发展进程。
中国的石油物探工作﹐从1949年中华人民共和国成立後﹐才得到发展﹐并取得很大成绩。1959年﹐应用物探方法与石油地质﹑石油钻探相结合﹐找到了大庆油田﹐以後又陆续发现了胜利油田﹑大港油田﹑华北油田等油田。
物探钻机作为进行石油物探工作的一种设备，是不可或缺的。目前市场上物探钻机的种类繁多，国外的产品更是在自动化、人性化方面具有自己独特的优势。国内产品则设计不够新颖，功能不够完善，与真正意义上的全球品牌相差甚远。
今后物探钻机的市场竞争将逐步从价格竞争转向品牌竞争，打造自己的
品牌，开发功能更强大的产品是每个企业占领市场和持续发展的关键性战略任务，同时企业不断开发研制新产品，才能有活力和竞争力。这也是我毕业设计选题缘由之所在。
3、要求
物探钻机的总体设计；
物探钻机钻具的设计与结构分析；
液压系统的设计分析；
4、任务完成阶段内容及时间安排：
3月30日～4月12日（2周）物探钻机总体设计；
4月13日～5月3日（3周）支腿、支架、钻具结构设计；
5月4日～5月24日（3周）动力头设计与分析；
5月25日～5月31日（1周）液压系统设计；
6月1日～6月14日（2周）钻机的有限元分析；

6月15日～6月21日（1周）论文写作与整理，准备答辩。
5、预期成果
设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等，折合0号图纸5张；
设计计算书1.5万字；
外文资料翻译3000字。
6、现有条件
具有部分相关图纸资料和样本；
具有相关三维设计与仿真软件；
指导教师对该领域非常熟悉。

摘要

物探钻机作为一种工程机械，应用越来越广泛。随着物探钻机的优越性能的逐渐体现，应用场所的逐渐扩展，国内也必将形成系统的研究领域。希望本此设计的物探钻机可以为今后该领域有所贡献
由于液压作为动力可实现低转速、大扭矩、控制方便且噪音小等优点，因此本次设计的物探钻机采用全液压驱动。舍弃了过去物探钻机起下钻使用的链条传动，而采用齿轮齿条传动，传动更加平稳。另外由于更换钻杆的工作是最繁重的，也同时带有一定的危险性，所以本机采用了自动换杆装置和自动卸扣装置，减轻了工人的工作强度，提高钻孔效率。随着人性化设计理念的推广，在研发机器的同时必须充分考虑机器对人造成的不良影响，改善机器的操作性和工作环境，不仅有益工人的身心健康，也有益于提高工作效率。

关键词：物探钻机；齿轮齿条；自动换杆；自动卸扣

Abstract

Geophysical rig as a mechanical engineering, applied more widely.As the Geophysical exploration rigs reflected more superior performance and its application places gradually spreaded,there will also be formed a systemic research areas.I hope that my desing of geophysical prospecting drilling can make some contribution for this field.
As a result of hydraulic power can be realized as a low-speed, high torque, noise control and convenience, etc.,so the design adopt the Hydraulic to driving. We use the rack and pinion drive instead the way using the Chain drive to drilling in the past.That can make the transmission more smoothly.Also becase of the replacement pipe is the most onerous job and also with a certain degree of risk,we use a automatic devices for change pipe that reduce the work intensity of the drilling worker and improve thedrilling efficiency.With the spread of the humanized design concept,we must consider the adverse effects from the machie when we design. Improving plant operability and working environment, not only beneficial to the workers’physical and mental health, but also conducive to improve efficiency.

Key words：Geophysical rig;Gear rack;Automatic devices for stroke;Unscrews the set of auto-feeder

第1章概述 1
1.1石油物探的简史及意义 1
1.2石油物探的勘探阶段及方法 1
1.3 物探钻机的发展状况 3
本章小结 4
第2章物探钻机结构设计 5
2.1 WT50物探钻机方案的确定 5
2.2 物探钻机布置 11
2.3 物探钻机工作原理 12
本章小结 14
第3章物探钻机计算及有限元分析 15
3.1 动力系统设计 15
3.2 自动卸扣装置拨叉杆静力学分析 17
3.3起落油缸动力学分析 20
本章小结 22
第4章液压系统设计 23
4.1液压回路设计 23
4.2液压缸的选型设计 24
4.3液压泵的选型设计 29
4.4马达的选型设计 30
本章小结 30
结论 31
参考文献 32
致谢 33

WT50物探钻机设计

内容简介：: 新型钻井工艺关键字：顶部驱动系统；便携式的顶部驱动；钻机；近海的；陆上的回顾历史和对顶部驱动系统的描述 1983 年井架钻机（的开始发展，取代传统方式的旋转钻柱为方钻杆转。在 1984 年发明了第一个样机是 C，用电力直流传动顶部驱动，这是一个具有 650 吨额定负载的直流传动顶部驱动系统，为海洋钻井设备设计的。 1987 年报道更进一步的发展引起对液压传动的顶部驱动， 650介绍。为增加最大转矩的需要结果研发了 50 齿轮变型和两个都是在 1989 年研发出来的。在 1993 年极限为马达的此时正研发转动力矩输出。我们的“前线”客户的目标是钻凿 12， 000 米的定向井。显然过去的十年中，顶部驱动钻井方法已经成为海上油井的先进的方法。目前我们也经历一部分陆上的井眼的主要部分是用是顶部驱动系统钻凿的。人们研发了便携式的顶部驱动系统（，尝试着将海上的液压传动装置转入新的市场，并且到目前为止我们也有成功。以合理的价格，海上的液压传动装置现在能把井眼技术提供给陆上钻机和精制的海洋钻井设备市场。人们也研发了“细孔”尺寸的便携式的顶部驱动系统（，来满足 “高速（ ”顶部驱动钻凿。与挪威研究中心合作的操作执行机构公司检测了这个系统的风险。我们现在将更进一步的了解不同的顶部驱动应用到海上的液压设备。顶部驱动系统海上的液压设备利用它的专门技术，此技术是从一主要的近海钻探设备供应者那里获得的，最近发展为便携式的顶部驱动系统（但是同时按设计尺寸定制的，标准化产品承认陆地的操作执行机构钻井设备和精制的近海的钻井设备获得顶部驱动钻进工艺的利益和一适当的费用，设计为符合一般的陆上钻机或其他的小型和窄的塔型井架，便携式井架可移动的顶部驱动研发为把任何钻井装置，放入任何面积与一最低的联接于那钻井装置，并且是合理的费用。便携式顶部驱动（应了此系统的的最大益处。元件的选择是以全世界的成本效率和高耐久性为基础的。不同的选择权总能满足任何顾客的需求。而且也满足设计需要。快速地安装钻机折卸钻机，利用快的拆开全液压式和电联接处，并且使用的模数刹车。完全地自我推进系统，其中包括全部的必需设备和电力供应，以便符合任何钻井装置。真正的便携式系统，为满足塔型井架的需要局部的或及时的修改，井架完井安装不到 15 小时就可以完成。图 1 典型的便携式顶部驱动钻井装置分界面系统描述统（图 1）由以下元件组成：包括导轨可移动的顶部驱动；包括悬浮附件的装镶板；转矩管系统；柴油机液压动力装置；整个系统的运输设备。描述括主轴的变速箱；一个或两个液压设备马达；包括转动力矩制动器扩孔器的管子操纵机械手；包括冷却剂托管台架；包含吊卡防喷阀吊环。顶部驱动变速箱顶部驱动变速箱是由一主传动装置和完全密封件的一两个小齿轮完整的组装一起的，轴承主大齿轮是中空的以便提供主轴。基本模型是位于变速箱顶部的一液压发动机启动的一设备，对于更大的钻进转动力矩，一附加的马达和小齿轮或更大的马达（美国）安装在变速箱上。多种马达一并使用，使统具有多种速度下的不同钻进转动力矩。参考技术规范，对于小井眼钻井来说钻速达到每分钟 600 转的很实用。齿轮和轴承被一压力循环润滑油润滑过，润滑油是由一空气冷却器冷却过。传输和主轴顶部驱动变速箱是由一主传动装置和完全密封件的二小齿轮组装一起的，轴承主大齿轮是中空的，基本模型是位于变速箱顶部的液压发动机操纵的两个阀的设备，为满足较少或较高的钻进转动力矩和速度的需要，在润滑油循环中的环流中改变驱动马达的马力。在变速箱的顶端主轴延长为 300毫米（英寸 )，延长的顶部有一 6 5/8 层连接（选择 500吨空运能力的小井眼安装到下面中空的主传动装置，并由上面的一夹紧环（止推环）固定。主轴的一个肩支撑变速箱和马达的重量。变速箱有一轴承系统，它设计成能支撑顶部驱动的重量和钻井的动力负荷。在变速箱的下面的那个轴可支撑连杆吊架，主轴下端是一 6 5/8 。与方钻杆阀连接的浆防溅盒。管路上卸装置管路上卸装置的组成：越管子上卸装置，包括在钻进时脱离主轴的一弹簧系统的连杆吊架；液压缸和一执行机构将。组装起来以投入连接将系统清除歪向吊卡，从钻柱钻进时和到超轻便的管从小鼠洞轮流向启动吊卡的位置一备用保险，吊钳到启动组成间断，与液压设备马达备用保险。吊钳可能是升起到突发防喷器替代泥浆护罩阀它，可能同时是利用为了定向钻柱，在定向钻进的联系前进处的时候在内就越连杆吊架。转动力矩轨道和指南转动力矩轨道组成：分裂成五或六处正方形横梁，由实际的塔型井架支撑；井架顶点到钻台安装的一个横梁，在钻台上有 7寸长；在转动力矩轨道和塔型井架 /桅顶之间有一扭矩横梁。柴油机液压动力装置（液压泵）柴油机驱动、交流电传动和直流传动动力装置都实用。将在本节描述柴油机驱动装置，简短地描述一直流传动装置用于回转工作台，并且在直流传动液压泵的传动下。空气冷却的柴油机液压动力装置与一或两个柴油发动机、机泵安装一起使用。下面的规格用来对一橇装引擎。这个装置是自动控制的以便满足磁头可移动的顶部驱动的需要。这个装置安装有一刚性构架建筑，适用于近海的升降和用卡车的公路运输。柴油机安装的一标准大气冷却的履带传动 3412 通常动力装置的组成由：一柴油机与一装于滑动底板上的燃料箱、燃料泵、过滤器、冷却剂等组成。具有 3 马力的一拼合齿轮。具有顶部驱动马达（美国）一闭环传输系统的二主线泵。一个比联泵是机泵供给补充油到闭环系统和另一个供给油到管子上卸装置的地方。一液压系统油箱它是通过与完整的汽水分离器与换气器和过滤器一起通气的。液压设备空气冷却器。钻机的操纵板控制系统这个控制系统包括：控制钻进和管路操作功能液压设备。读出钻进方法速度和转动力矩。控制回路分界面液压动力装置。控制管子上卸装置功能的电力。运输设备操作架。动力和控制环。选择性。胶管束滚筒、由空气作用驱动。运输刹车，转矩管和胶管束滚筒。顶部驱动钻井的优势安全的钻进操作：顶部驱动可不间断和间断许多连接处，从而减少大钳和上扣用装置的危险。管把手的特点是使用液压设备油藏自动管理系统传送钻杆和钻压往返于井架人字形大门和二层台、从而减少繁重的工作和增加管操作安全。自动装置、钻床操作水压升降机排除再平衡钻井操作中由钻机机组人员操作所引起的事故。顶部驱动增加安全是通过减少防喷器耐久性并允许防喷器、旋转头紧缩脱离得到的。由于回升或排放钻杆立柱转环和方钻杆当从钻进或反之亦然。井口控制能力大大地被提高，因为具有维修在塔型井架上任意一点管柱来循环钻井液的能力。遥控的方钻杆阀减少（随意的）泥溢出当倒划眼或断裂后来的循环超过钻台减少，总钻井成本由增加钻进效率。由于不能参加钻杆补心回转工作台引起的连续钻进。当喷溅和钻进钻进下表层套管的井眼时增加穿透速率。除去费用和成本以及导管数。当钻定向井时，在底部接单根，可排除重新定位钻进位置的必要。在底部钻井眼花费较多时间，并花费较少时间接单根，起下钻，勘测扩孔和其他的非钻机功能。在钻柱运动期间连续旋转和循环工作。顶部驱动装置最重要的特征是当扩孔时具有连续旋转和循环的能力。连续旋转意味着把管柱移走或回定向井和水平井时不停地减少摩擦。使用较少的或较便宜的润滑处理剂，钻井液体系和添加剂可降低定向井和水平井的成本。由于降低凝胶，粘土颗粒的使用以及它们变成生产层可减少储层污染。降低卡钻的几率或昂贵的井底钻进钻机机组可减少钻井总成本。使用增加单根数的立根来钻进：降低扩孔到坍塌页岩层底部或清理到底部的钻井时间。在扩孔和倒划眼程序中降低钻进时间，因为当改变孔尺寸时钻柱不必被卸或立根中止。当扩孔小于钻头的井眼或者第一次拔稳定剂扩孔到洞中降低钻井时间。当钻井时从没有卸下钻或放倒立根的同样的场地多口不同的井。除去每三个单根中的两个。连续取心直到没有中间物和 90的着火点。当使用井下马达钻定向井时在每一个接单根之后连续降低直立井定位时间。当吊锚时，使用一扭紧或一吊锚器，从事或释放井下工具比如衬管悬挂器，或者在运转或注水泥旋转并上下活动套管，这是更有效率的和成功的操作。接单根会产生或在塔型井架任一点间断：钻床总是有积极的井口控制，在塔型井架任何位置能把合和循环立柱，而不是依靠一人力的对扣阀并回升转环和方钻杆。当起下钻（遥控的国内的爆裂防护器（钻杆内防喷器）阀）时，在塔型井架井架任何位置瞬间对扣和关井。遇到钻孔问题时，允许立即旋转和循环。当钻杆在某点卡钻时，排除钻架上关闭钻阀的危险程序。排除危险的钻井蒸汽检测阀的使用。井眼系统：代替单根的立根的钻井，对于双倍和三倍数钻井设备将接单根分别由 50%减少到 66 ，当空气钻井或天然气时这个利益将增加，因为钻柱不必像平常变化。通过环形的或旋转防喷器减少循环钻具接头在底部接单根。通过钻柱、非一正方形或热交换器方钻杆。在钻孔中心提高顶部驱动装置的控制能力。倒划眼：当起下钻时完全运行和循环。恢复健康卡阻部位。除去或减少可能发生的卡钻管道事件。在起下钻进入停放位置的时候运送扩孔：不需要回升方钻杆钻通桥梁和卡阻部位。控制立根。使用转动力矩制动器当做备分来接单根。减少卡钻管道事件的可能性：人们普遍接受的卡住管道每年花掉钻探工业 200 和 500 百万美元之间的费用，英国石油公司分析表明大约 90%的卡住管道事件发生在起下钻过程中或钻杆固定时。这意味着与传统的的钻机相比，在顶部驱动装备钻机上卡组管路的概率降到1/3 结果成本减少了 2/3。更进一步的项目：在运行时节约泥浆，转动和循环。应用紧扣扭矩。我们承认最近使用顶部驱动装置钻凿长的的水平井部分。顶部驱动节约时间的摘要除去铺设向下并两次回升 9 个底部钻具组合和钻杆。除去铺设向下钻杆到安装孔和扩孔到底部藐视保存在把手下井钻具组合。钻柱不是把在拉到极限顶部驱动除去部分的机会下井钻具总成钻杆不会毫无疑问是卸在塞子背期间倒划眼。在备用路由操作以后，钻井作业方法，可以是旋转试机时并在水泥扩孔鼠穴期间可以很快地被完成抵抗，而不是单一的。倒划眼是完成快些和安全的没有卡瓦使用和否则浪费分解立根。倒划眼外面的立根除去危害的使用的卡瓦并不得不泵出。立根不必破裂当在扩孔硬的时候，放下执行与立根。保存可以发生如果卡阻部位是碰撞。连接的对扣阀被很快地安全地完成一顶部驱动，按秒循环，如此除去国内的喷出和冲击式凿岩机线，卡点和凹进因为越来越容易吊钳不是要求。具有顶部驱动的装置机泵将在孔外，冲刷与方钻杆的相比较简单，风险也较如果需要扩孔桥梁或底部的扩孔需要保存。不是故意地侧钻一井眼被淘汰与一顶部驱动如果是这样起因于不得不连续地工作钻头成为一体地方、因为方钻杆补心不能被降下到桌子在设法一连通。钻杆不必是卸它侧线，定向时间被还原的钻进与立根。与一顶部驱动、套筒可以是旋转试机时并在期间水泥扩孔鼠穴可以很快地被完成。当起下钻时使用顶部驱动的装置钻头可以扩孔到底部。因此水泥的重量不需要增加，井漏可以避免。使用顶部驱动会较快地扩孔到底部，另外旋转试机时开动套筒并注水泥。顶部驱动技术将来的发展如果井下技术没有根本变化出现，顶部驱动系统将来也是海上油井的领先方法。陆上的钻探工业将采用这种技术，顶部驱动机器将得到发展以符合这个领域专门的需要。我们将再一次看到设备的发展更进地满足工业的需要。电力现在介绍海上的液压设备电力伴随着新型的出现，精制的便携式的顶部驱动海上的液压设备与可变的电力拖动装置连用所生产出来的。新的电动机的设计已经为供了与标准磁头样的总尺寸。这个新的马达提供很好控制的转动力矩和一定范围的速度，极大地减小的尺寸和重量，每个马达的重量只有 179 公斤（ 395 磅）并且输出马力达到 590 马力，难以置信不规则的与很少的活动部分和事实上被密封的，对于冒险的区域他们几乎不需维修。更进一步的新发展是机载的液压装置，成为导轨指南托管的一部分。台架液压泵给全部的操纵并且大大地减少分界面。新的电功率避免任何终止错误和大大减少安装时间。新型的以是从直流电和交流电获得动力。置，电压为 600v，或者供电电缆。现有的二样机，一媒介转动力矩样机和一高转矩样机：最近几年一交流电机动折叠式车顶传动也很实用，可能也是早在 1983 年海上的液压设备研发了交流电机动折叠式车顶部驱动装置。但是，这个发展被证明是适应一般工业为时过早。与传统的半导体可控整流器控制直流传动系统相比，一定频率的控制交流传动系统很有优势，例如：由于设计的简单化可以减少维护。无火花，因此不会触及换向器。不需要供给散热水。静止时完全的转动力矩。在静止和改善效率时严格的规则。由于这些优势，人们接受交流传动系统逐渐接管直流传动系统的市场份额。光滑的转动力矩：改善总效率的另一个专题是到减少扭力的钻柱振动的系统，光滑的转动力矩系统是海上的液压设备和轴套公司联合研发的，以便应用到液压传动的传动顶部驱动装置上。电传动的顶部驱动系统也很实用。结论顶部驱动发展的历史是由工业的要求而明确的变现出来，同时工业的要求是发展方向的关键因素。在将来的发展方向中，我们也将看到相同的结果。 ey A n 1983 of to of a 984, 50 an C 50 A to of 00/650 987. in a 2 - of 00/650 EL 50 989. 993 - 50 “ p .m of is to a m. It is of of At we of as an to so it we to to at a D in a in We a at as TD of a is a at to a TD is to or of is to in a to at a of of of is of of up/on of TD is to TD is or or in 5 of s TD * A * or * A * * * op is an a or is to a is an by a on of an or s) on of TD to on A up 00 is by a is by an op is an a is to a is by a on of To or of in of is 00 1 of a 6 5/8” LH to ( c 61 00 . is to in by a of is by a of a to to a 65/8“ RH to * a to it * an to to to up * to 60a of * a to of be to It be at or on as of to -9 a . 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be in to be as to CR C a to of No no No of at efficien探钻机机械科学与工程学院指导老师：赵伟民设计人：金鑫课题来源：大庆装备集团钻机公司一概述物探钻机主要是利用石油物探的方法，寻找可能的油气田，是对石油进行探测的一种执行机构。现有的物探钻机可以同时具有多种功能，它既可用于石油物探爆破孔和江河湖区堤坝、水库灌浆孔、软地基加固灌浆孔、止水墙灌浆孔的钻凿，也可用于以上地层的取芯钻孔。应用前景随着我国工农业高速发展，人民生活水平迅速提高，对能源的需求呈高速增长趋势，石油天然气的开发也变得越来越重要。物探钻机在平原、山地、沙漠、沼泽、砾石等不同地形地貌区都可使用。由此可见，物探钻机应用的巨大市场，为本次设计提供了行业应用基础。二物探钻机结构设计主要性能参数 : 钻井深度 50m 动力头转速 0102 大扭矩 3596Nm 开孔直径 104 钻杆直径 62 钻杆数量 10根钻杆长度 5300m 最大提升力一）确定设计方案钻机采用液压传动，完成钻井作业。使用汽车底盘承载钻机，利用泥浆作为钻井介质，动力来源于汽车发动机，通过变速箱、分动箱、离合器将动力传递给钻机。通过厢上装有液压油箱、工具箱、支座、立柱、泥浆循环系统等，自动换杆装置、动力头和卸扣器安装在立柱上，起下钻装置和动力头安装在一起，通过起落液压缸驱动使立柱由水平运输位变成竖直工作位。（二）液压支腿汽车起重机支腿，是安装在车架上可折叠或收放的支承结构。支腿的作用是在不增加汽车宽度的条件下，为钻机工作时提供较大的支承跨度，从而在不降低汽车机动性的前提下，提高其稳定性。工作原理：本设计选用的物探钻机工作时必须放下支腿使后轮悬空，此时整台钻机作为配重，行驶时则必须收回支腿，使轮胎接触路面。与地面接触的支腿座和液压杆之间采用球铰连接，使支腿和地面的接触面积尽可能的增大。图汽车液压支腿（三）动力头工程机械多数要求转速低而转矩大，所以低速大扭矩液压马达的应用成为发展趋势，它与高速小扭矩马达加减速器的方式相比，优点在于减少了机械传动件，结构简单，布置维修方便，工作可靠，转矩大，而且低速稳定性好。本次设计采用低转速大扭矩马达一级减速。工作原理：顶部驱动的动力头是直接旋转钻柱，驱动钻具旋转，并沿着立柱上专用的导轨向下送进，完成钻柱旋转钻进，循环钻井液，接钻杆和上卸扣等多种钻井工艺操作。动力头由液压泵供油带动液压马达，经过液压马达上的小齿轮和大齿轮啮合，后又通过双键将扭矩传递到齿轮轴上，最后以低速大扭矩的形式通过套管式驱动轴传递给钻杆，从而实现钻杆的旋转。（四）自动换杆装置钻杆处理始终是钻进工作中最繁重、最危险的工作，因为钻杆的重量较重，而且一般都是采用手工装卸。相反，这种自动的钻杆处理系统是一种全液压钻杆自动装拆系统，它免除了所有的手工作业，因而减轻了劳动强度，避免了意外事故的发生，并且可节约相当多的非生产时间。图自动换杆装置工作原理：通过钻杆仓扭转油缸的伸缩控制钻杆仓的位置，钻杆仓自转油缸伸出推动棘轮箱旋转，棘轮箱中的棘轮抓带动棘轮旋转，进而使下一根钻杆进入输出位置，随后自转油缸缩回，然后钻杆起升油缸支起输出位置上的钻杆，通过动力头的旋转使其与动力头连接。卸钻杆时与上述过程相反，便可将钻杆从钻杆柱上卸下，并存放到钻杆贮存架内。（五）自动卸扣装置卸扣器如图所示是自动管道处理系统的一部分，主要用于帮助掐紧和松卸钻杆。是物探钻机不可或缺的一部分。随着钻机机械化、自动化的发展，很多卸扣器都步入了自动化阶段。卸扣器的出现减轻了工人的劳动强度，提高工作效率，增加了劳动的安全性。图自动卸扣装置工作原理：在原钻机的液压回路中并出一路液压动力源为卸扣套自动进给装置提供动力。支撑架固定在卸扣套上，拨叉的中段与夹紧夹头相连，另一端与液压缸相连，液压缸的另一端固定在立柱后绞座上。由液压手动换向阀关闭或开启供液，使液压缸的活塞带动活塞杆伸缩，带动夹紧夹头夹紧钻杆，实现钻杆的卸扣。三物探钻机计算及有限元分析（一）键连接设计校核马达的输出扭矩传递给大齿轮后，再通过两个键传递给齿轮轴，进而传递给钻杆，由此可见键的重要性。现对键进行设计校核。动力头输出扭矩 N=m; 轴的直径 d=120键的截面尺寸 8,键的长度为 45采用质为钢，双键连接，许用应力 =135 双键连接可提高连接强度，两个平键应相隔180 。双键连接的强度应按材料采用抗拉强度不小于 590常使用 45钢。 2FF d k 式中： T 传递的转矩， N d 轴的直径， k 键和轮毂的接触高度，般 k=l 键的长度，计算可得， k=F 结果满足要求。（二）自动卸扣装置拨叉杆静力学分析（ a）网格划分（ b）应力图算例结果：名称类型最小位置最大位置应力 1 力 10(节 : 880 (节 : 12275 (位移 1 位移 0 m 节 : 58 (m 节 : 10536 (应变 1 对等应变 10元 : 758 (元 : 14081 (三起落油缸动力学分析起落油缸作为底座和立柱的重要连接部位，起着至关重要的作用。起落油缸可以使立柱远离或靠近底座，以实现运输状态和工作状态的转换。现通过此工况模拟物探钻机从转场状态到工作状态的起架油缸的运动。为了实现最大范围的模拟分析，转场状态选取立柱的水平状态；工作状态选取立柱的竖直状态。将物探钻机整车装配的各零部件进行运动与静止的分类，义起架油缸与起架活塞杆的同心移动副位移表达式为 ,0,20,1465)。施加重力取为9810mm/行动力学仿真分析。图起落油缸转场状态图起落油缸工作状态图起落油缸的平动速度曲线图 3落油缸的反作用力曲线此结果为液压系统起架油缸的选型设计提供了依据。四液压系统设计液压传动与其它传动方式相比具有单位功率重量轻、能在很大范围内实现无级调速、传动功率大、操作方便、易实现自动化，而且易于实现过载保护等一系列优异的特点。本次所设计物探钻机的执行元件包括动力头马达、加压马达、起落油缸、变幅油缸、钻杆仓扭转油缸、钻杆仓自转油缸、钻杆伸缩油缸和大庆石油学院毕业设计（论文）任务书题目探钻机专业机制 05 学号 050401140201 姓名金鑫主要内容、基本要求、主要参考资料等： 1、主要内容物探钻机的总体设计；物探钻机钻具的设计与结构分析；液压系统的设计分析。 2、基本要求设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等，折合 0 号图纸 5张；设计计算书字；外文资料翻译 3000 汉字。 3、主要参考资料 a、机械设计手册； b、相关专业机械书籍； c、相关专业机械文章、专利资料； d、相关生产机械厂家样本、图纸等。完成期限： 3 月 31 日 6 月 22 日指导教师签名：专业负责人签名： 2009 年 3 月 13 日大庆石油学院学生开题报告表课题名称探钻机课题来源大庆装备集团钻机公司课题类型 A 指导教师姓名赵伟民学生姓名金鑫学号 050401140201 专业机械设计制造及其自动化开题报告内容：（调研资料的准备，设计目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段内容及时间安排；完成设计（论文）所具备的条件因素等。） 1、资料准备 a、机械设计手册； b、相关专业机械书籍； c、相关专业机械文章、专利资料； d、相关生产机械厂家样本、图纸等。 2、设计目的众所周知，能源对现代社会的发展起着决定性的作用，它是工业的命脉，人民幸福生活的保障，社会发展的原动力。尤其在我国现阶段，工农业高速发展，人民生活水平迅速提高，对能源的需求呈高速增长趋势。我国石油夭然气正处于一个大的发展时期。能源结构是否合理关系到整个国民经济的发展因此对石油的探测已成为一项极为重要的发展进程。中国的石油物探工作从 1949 年中华人民共和国成立後才得到发展并取得很大成绩。 1959 年应用物探方法与石油地质石油钻探相结合找到了大庆油田以後又陆续发现了胜利油田大港油田华北油田等油田。物探钻机作为进行石油物探工作的一种设备，是不可或缺的。目前市场上物探钻机的种类繁多，国外的产品更是在自动化、人性化方面具有自己独特的优势。国内产品则设计不够新颖，功能不够完善，与真正意义上的全球品牌相差甚远。今后物探钻机的市场竞争将逐步从价格竞争转向品牌竞争，打造自己的品牌，开发功能更强大的产品是每个企业占领市场和持续发展的关键性战略任务，同时企业不断开发研制新产品，才能有活力和竞争力。这也是我毕业设计选题缘由之所在。 3、要求物探钻机的总体设计；物探钻机钻具的设计与结构分析；液压系统的设计分析； 4、任务完成阶段内容及时间安排： 3 月 30 日 4 月 12 日（ 2 周）物探钻机总体设计； 4 月 13 日 5 月 3 日（ 3 周）支腿、支架、钻具结构设计； 5 月 4 日 5 月 24 日（ 3 周）动力头设计与分析； 5 月 25 日 5 月 31 日（ 1 周）液压系统设计； 6 月 1 日 6 月 14 日（ 2 周）钻机的有限元分析； 6 月 15 日 6 月 21 日（ 1 周）论文写作与整理，准备答辩。 5、预期成果设计机器总体、主要部件、主要零件、机器立体图、液压原理图等，折合 0号图纸 5 张；设计计算书字；外文资料翻译 3000 字。 6、现有条件具有部分相关图纸资料和样本；具有相关三维设计与仿真软件；指导教师对该领域非常熟悉。指导教师签名：日期： 1、课题来源：课题来源分为结合实际课题和自拟课题两种，结合实际课题中来源于科研课题的要填写确切基金项目、企事业单位项目，不能写横向、纵向课题等。 2、课题类型： A 工程设计； B 科学实验； C 软件开发； D 理论研究； E 应用研究。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） I 摘要物探钻机作为一种工程机械，应用越来越广泛。随着物探钻机的优越性能的逐渐体现，应用场所的逐渐扩展，国内也必将形成系统的研究领域。希望本此设计的物探钻机可以为今后该领域有所贡献由于液压作为动力可实现低转速、大扭矩、控制方便且噪音小等优点，因此本次设计的物探钻机采用全液压驱动。舍弃了过去物探钻机起下钻使用的链条传动，而采用齿轮齿条传动，传动更加平稳。另外由于更换钻杆的工作是最繁重的，也同时带有一定的危险性，所以本机采用了自动换杆装置和自动卸扣装置，减轻了工人的工作强度，提高钻孔效率。随着人性化设计理念的推广，在研发机器的同时必须充分考虑机器对人造成的不良影响，改善机器的操作性和工作环境，不仅有益工人的身心健康，也有益于提高工作效率。关键词：物探钻机；齿轮齿条；自动换杆；自动卸扣大庆石油学院本科生毕业设计（论文） as a be a my of As a of be as a so to We to in of is a of we a of of we we to to of 庆石油学院本科生毕业设计（论文） I 目录第 1章概述 . 1 . 1 . 1 探钻机的发展状况 . 3 本章小结 . 4 第 2章物探钻机结构设计 . 5 . 5 探钻机布置 . 11 探钻机工作原理 . 12 本章小结 . 14 第 3章物探钻机计算及有限元分析 . 15 力系统设计 . 15 动卸扣装置拨叉杆静力学分析 . 17 . 20 本章小结 . 22 第 4章液压系统设计 . 23 . 23 . 24 . 29 . 30 本章小结 . 30 结论 . 31 参考文献 . 32 致谢 . 33 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 1 第 1 章概述油物探的简史及意义众所周知，能源对现代社会的发展起着决定性的作用，它是工业的命脉，人民幸福生活的保障，社会发展的原动力。尤其在我国现阶段，工农业高速发展，人民生活水平迅速提高，对能源的需求呈高速增长趋势。我国石油天然气正处于一个大的发展时期。能源结构是否合理关系到整个国民经济的发展因此对石油的探测已成为一项极为重要的发展进程 1。根据地下岩层物理性质的差异通过物理量测量 ,对地质构造或岩层性质进行研究 ,以寻找石油和天然气的地球物理勘探 ,简称石油物探。在石油勘探中，对于被表土、沙漠和海水覆盖没有岩层直接出露的地区，主要依靠物探方法间接了解地质构造和岩层性质，以寻找油气藏。目前，石油物探已成为覆盖区勘探石油的一种不可缺少的手段。石油物探是在 20世纪初发展起来的。最早使用的物探方法是重力勘探。 1922年，首次成功地应用扭秤在墨西哥湾沿岸探测到和盐丘构造有关的油藏。 1935年，重力仪开始用于石油物探。 1919 年，德国人明特罗普 (出了地震折射法。用此法在墨西哥湾沿岸寻找盐丘构造，并获得了成功。 1927 年，在美国俄克拉何马州使用地震反射法也成功地发现了毛德油田。中国的石油物探工作，从 1949年中华人民共和国成立后，才得到发展，并取得很大成绩。 1959 年，应用物探方法与石油地质、石油钻探相结合，找到了大庆油田，以後又陆续发现了胜利油田、大港油田、华北油田等油田。油物探的勘探阶段及方法油物探工作石油物探工作大致可划分为区域普查和构造带勘探两大阶段。区域普查阶段：这个阶段在有含油气远景的沉积盆地进行重力法和磁法普查，其成果图比例尺为 1:500000 1:1000000，在油气勘探有利的地区进一步进行重力法和磁法详查，其成果图的比例尺为 1:100000 1:200000。配合电测深、大地电大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 2 流法和少量地震法普查工作，划分盆地内的区域构造单元，确定沉积凹陷，并进一步评价沉积凹陷和圈定二级构造带，为进一步开展石油物探工作提供有利的地区和构造带。构造带勘探阶段，在区域普查阶段提供的有利地区和构造带上，开展地震法普查和详查工作，确定可能的含油气构造和油气圈闭，为石油钻探工作提供井位。中国已发现的油气田中，多数是根据地震勘探资料进一步进行钻探发现的。探方法石油物探有重力勘探、磁法勘探、电法勘探、地震反射法和地震折射法等，也可包括地球物理测井。 1、重力勘探用于了解地壳深部结构和基底表面起伏，划分区域构造单元；在有利条件下，也可用来了解沉积岩层内部构造，寻找可能的含油气构造。重力勘探是根据地下岩层密度的差异，测量地球重力场的相对变化，了解地下地质构造的。重力勘探比较简便、成本较低，但勘探精度较差并具有多解性，一般用于区域普查阶段。 2、磁法勘探用于了解基底表面起伏，估计沉积岩层的厚度，划分区域构造单元。磁法勘探是根据地下岩石磁性的差异测量地磁场的相对变化，了解地质构造的。根据磁异常所计算出来的磁性体埋藏深度，可以了解基底表面起伏和基底内部结构，也可反映沉积岩中的火成岩侵入或喷发的情况。磁法勘探与重力勘探相似，它的勘探操作简便，成本较低，但勘探精度较差，一般只适用于区域普查阶段。 3、电法勘探用于了解基底表面起伏，划分区域构造单元；在条件有利的地区，还可了解沉积岩层内部构造；在适当条件下，也可利用它寻找石油和天然气。电法勘探是根据地下岩层的电阻率等电学性质及电化学性质的差异，了解地质构造和寻找油气藏。在石油勘探中，电测深法、大地电流法和大地电磁法以及激发极化法应用较多，其设备比重力法和磁法复杂，成本也较高，但探测精度优于重力法和磁法，一般也适用于区域普查阶段。 4、地震勘探在石油物探中是探测精度最高的一种方法，特别是地震反射法，但勘探成本高于其他石油物探方法。由于它的勘探效果较好，已成为石油物探中最有力的勘探手段，应用最广。地震勘探方法主要分为反射法和折射法两大类。（ 1）地震反射法用此法可以了解地壳深部结构和基底表面起伏，研究地壳内部结构和划分区域构造单元；寻找和勘探各种可能的含油气构造，通过钻探寻找构造，圈闭油气藏；还可以了解沉积岩层的岩性和岩相变化，与地质和钻探相结合，寻找岩性圈大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 3 闭或岩性与构造复合圈闭油气藏；在条件有利的地区，还可能直接找矿。地震反射法还用来研究地下岩层的岩性和岩相变化情况，试验寻找与地层遮挡、岩性尖灭、礁块和古潜山等有关的岩性圈闭油气藏，或构造与岩性复合圈闭油气藏。利用地震反射波的振幅增强及其他和油气有关的地震波标志，可以直接寻找石油和天然气。在新生代沉积盆地中寻找较浅的砂岩贮气层，这种勘探方法取得了较好的效果；但在古老的沉积盆地中寻找较深的含油层，则受到较大的限制。（ 2）地震折射法此法可以用来了解基底表面起伏，划分区域构造单元，了解沉积岩层内部构造，寻找可能的含油气构造；利用所求出的界面速度研究地层的岩性。根据所记录下来的地震折射波走时，可以求出地下高速界面如基底、盐丘、炭酸盐岩的埋藏深度和起伏形态，并且可以计算出地震波沿高速岩层传播的界面速度，了解地下高速岩层的地质构造和岩性。在有利条件下，还可用来确定高速岩层断层的落差。但它不如反射法能同时了解地下多个岩层界面的详细构造情况，而且勘探精度也低于反射法 2。探钻机的发展状况物探钻机主要是利用石油物探的方法，寻找可能的油气田，是对石油进行探测的一种执行机构。现有的物探钻机可能同时具有多种功能，它既可用于石油物探爆破孔和江河湖区堤坝、水库灌浆孔、软地基加固灌浆孔、止水墙灌浆孔的钻凿，也可用于以上地层的取芯钻孔。在国内外都有大量的生产厂家进行生产，下面提供国内两款物探钻机的部分技术参数。表 1内物探钻机部分技术参数表技术参数探钻机物探钻机钻孔深度 50m 100m 动力头转速 455大提升力 10大扭矩 39Nm 开孔直径 104 91 井架工作高度浆泵压力浆泵流量 300L/60L/动机功率 99杆直径 60 42 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 4 本章小结本章主要介绍了石油物探的方法和意义。石油物探是寻找石油和天然气的依据和来源。物探钻机就是利用石油物探的方法通过对钻取的岩石进行研究来探测石油天然气资源的设备，是实现石油天然气探索的途径。随着我国工农业高速发展，人民生活水平迅速提高，对能源的需求呈高速增长趋势，石油天然气的开发也变得越来越重要。由此可见，物探钻机应用的巨大市场，为本次设计提供了行业应用基础。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 5 第 2 章物探钻机结构设计探钻机方案的确定物探钻机是通过物理量测量 ,对地质构造或岩层性质进行研究 ,以寻找石油和天然气的地球物理勘探的一种工程钻机。它通过物探的方法对于被表土沙漠和海水覆盖没有岩层直接出露的地区通过了解地质构造和岩层的方法，寻找油气藏。底盘类型分类按底盘类型可分为车载自行式、履带自行式、拖车分体式三种，其中车载自行式又有汽车底盘和拖拉机底盘。履带自行式钻机承载力大，越野及稳定性能好，但是移动性较差，零件磨损快；而拖车分体式的移动性有了较好的改善，但是必须和拖车配合使用，使用不方便；载重汽车底盘与履带底盘相比，转场速度快、机动性好，适用于城市周边以及桩孔较少的施工作业 3。其中汽车底盘相对于拖拉机地盘又具有较大的承载空间，可自带钻头、钻杆等。（ a）车载自行式（ b）拖车分体式大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 6 （ c）车载自行式（ d）履带自行式图 2按底盘类型分类支腿类型分类汽车起重机支腿，是安装在车架上可折叠或收放的支承结构。支腿的作用是在不增加汽车宽度的条件下，为钻机工作时提供较大的支承跨度，从而在不降低汽车机动性的前提下，提高其稳定性 4。当物探钻机工作时，通过液压支腿承担部分载荷，以防止钻机的颠覆。汽车起重机液压支腿般由支腿油缸、液压系统、操作开关等组成。多数的工程机械为了提高工作性能和本身的稳定性，均设有支腿油缸。汽车起重机支腿，可分为手动和液压操纵的两类。目前，手动操纵的支腿已不多见，绝大多数汽车起重机都是采用液压支腿。液压支腿又可分为下列几种型式。 (1)蛙式支腿如图所示，这种支腿的活动支腿铰接在固定支腿上，其展开动作由液压缸完成，特点是结构简单、重量较轻，但支腿跨度不大，只适用于小吨位的起重机。 (2) 如图所示，这种支腿有两个液压缸。活动支腿伸出后，工作时垂直腿撑地，形如点是支腿跨距较大，对场地适应性较好，目前已被广泛采用。 (3)如图所示，这种支腿工作时，支腿呈 X 型，离地间隙小，在撑脚着地的过程中有水平位移发生，当其为小幅度时，重物活动的空间比 H 型支腿要大，因此常和成前 H、后大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 7 （ a）蛙式支腿（ b）（ c）图 2腿结构形式 (4)辐射式支腿以转台的回转中心为中心，从车架的盆形架向下呈辐射状向外伸出 4个支腿。特点是稳定性好，在重作业时，全部载荷不经过车架而是直接作用在支腿上，回此，可减轻车架自重并降低整机重心高度，保护底盘不受损坏。主要应用在一些特大型的起重机上。 (5)摆动支腿这种支腿在起重作业时，支腿在液压缸的作用下能摆动到与车架纵向轴线相垂直的位置上；非工作状态时，可平行地固定在车架的两侧。特点是重量轻，但由于受空间大小的限制，支腿不能太长，所以横向支撑的距离较小。本次设计的物探钻机属于小吨位的工程钻机，载重负荷较小，无须使用辐射式支腿和摆动支腿。物探钻机工作机构的运动范围不大，蛙式支腿和 H 型支腿即可满足。综合上述，在五种支腿结构形式中，蛙式支腿和 H 型支腿不仅结构较简单，且均能实现预期支撑功能，满足设计要求。由于 H 型支腿承力方向与液压缸运动方向在同一条直线上，承载更大，因此初定力头大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 8 动力头主要包括托架和驱动器。动力头又可分为顶部驱动和转盘两种形式。由于顶驱在起下钻的任一时刻均可循环钻井液，可及时消除复杂地质和地层构造的井涌和井喷等事故，还可实现上提反扩孔、划眼作业，消除遇阻和卡钻现象，确保在复杂地层的正常钻井，所以通常情况下，物探钻机选用顶部驱动系统 5。顶部驱动系统又包括马达，刹车机构，回转机构，平衡机构，导轨，液压传动及控制系统等部分组成。工程机械多数要求转速低而转矩大，所以低速大扭矩液压马达的应用成为发展趋势，它与高速小扭矩马达加减速器的方式相比，优点在于减少了机械传动件，结构简单，布置维修方便，工作可靠，转矩大，而且低速稳定性好。图 2部驱动系统根据传动形式，又有直齿轮传动、锥齿轮传动、链传动、带传动、涡轮蜗杆传动等类型。链传动和带传动结构简单，成本底，但传动精度差；涡轮蜗杆传动传动精度较高，但传动比大，传动效率低；直齿轮和锥齿轮传动都具有结构简单、传动精度高的优点，只是锥齿轮传动的结构要求必然产生动力头的高度加大，支架增长，稳定性有所下降的现象。因此在设计中采用直齿轮一级减速器组成的顶部驱动系统。下钻机构提下钻机构是物探钻机的主要结构之一，用来实现钻具的升降，起下钻机构的好坏直接影响整台物探钻机的工作性能。本次设计物探钻机的钻井深度为 50 米，必将钻进遇到岩石层，因此在下钻和提钻的过程中需要用到加压装置。符合要求的结构设计有以下几种：第一种，提钻和下钻均由液压马达提供动力，通过齿轮齿条的啮合，控制动力头和钻杆的移动。如图所示。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 9 （ a）齿轮齿条传动控制（ b）卷扬机带动钢丝绳控制图 2下钻机构第二种，采用卷扬机提供动力，用钢丝绳通过滑轮组提升钻杆；采用液压传动提供压力将钻杆向地下压进。如图所示。第三种，起钻和下钻时，均采用液压缸实现预期控制。第四种，起钻和下钻时，均采用卷扬机提供动力。卷扬机提供动力，由钢丝绳控制行进时，设计结构简单，成本低，但不能严格的控制钻具行进的速度和方向；液压缸控制钻具时，升降系统和进给系统合一，起重量大，速度快，升降平稳，还可以在必要时进行加压钻进，但要实现长距离控制对液压油缸的要求较高，提高了生产成本；通过齿轮齿条啮合传动时，设计成本较高，但结构简单，传动速度平稳，一个机构能同样精确控制起钻和下钻的行进。因此在设计中采用齿轮齿条控制钻杆的升降。动换杆装置钻杆处理始终是钻进工作中最繁重、最危险的工作，因为钻杆的重量较重，而且一般都是采用手工装卸。相反，这种自动的钻杆处理系统是一种全液压钻杆自动装拆系统，它免除了所有的手工作业，因而减轻了劳动强度，避免了意外事故的发生，并且可节约相当多的非生产时间 6。如图所示是两种自动换杆装置。左图在设备上配有多根钻杆，和立柱一起起落，通过设备的自转和扭转达到更换钻杆的目的。右图则是通过设备每次抓取一根钻杆。两种换杆设备都可以使用，但是右图所示钻杆在每次抓取时要求必须抓取到同一位置。由于本次设计的钻井深度仅为 50米，钻杆数量较少，使用左图所示设备就可满足要求，而且运动更简洁便捷。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 10 图 2动换杆装置扣器卸扣器如图所示是自动管道处理系统的一部分，主要用于帮助掐紧和松卸钻杆。是物探钻机不可或缺的一部分。随着钻机机械化、自动化的发展，很多卸扣器都步入了自动化阶段。卸扣器的出现减轻了工人的劳动强度，提高工作效率，增加了劳动的安全性。图 2扣器定设计方案根据以上各种结构的优缺点确定本次设计方案为：钻机采用液压传动，完成钻井作业。利用泥浆作为钻井介质，动力来源于汽车发动机，通过变速箱、分动大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 11 箱、离合器将动力传递给钻机 7。通过，车厢上装有液压油箱、工具箱、支座、立柱、泥浆循环系统等，自动换杆装置、动力头和卸扣器安装在立柱上，起下钻装置和动力头安装在一起。通过起落液压缸驱动使立柱由水平运输位变成竖直工作位。由于所设计的用解放汽车作为底盘结构，发动机为率为 177类型物探钻机结构紧凑，操作简单，野外适用性强。探钻机布置物探钻机总体布置方案如图 2示，它由汽车底盘、液压油箱、工具箱、支座、立柱、自动换杆装置、自动卸扣装置、动力头、泥浆循环系统、液压支腿等结构组成。图 2探钻机的布置图钻机主要性能参数大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 12 表 2机主要性能参数主要性能参数钻孔深度 /m 50 动力头转速 /102 最大扭矩 /N m 3596 开孔直径 / 104 钻杆直径 / 62 钻杆长度 /300 钻杆数量 /根 10 最大提升力 /浆泵压力 /统压力 /0 探钻机工作原理压支腿工作原理液压支腿由液压泵供油带动液压缸伸缩，在物探钻机工作时必须放下支腿使后轮悬空，此时整台钻机作为配重，行驶时则必须收回支腿，使轮胎接触路面 8。与地面接触的支腿座和液压杆之间采用球角连接，使支腿和地面的接触面积尽可能的增大。图 2车液压支腿大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 13 力头工作原理顶部驱动的动力头是直接旋转钻柱，驱动钻具旋转，并沿着立柱上专用的导轨向下送进，完成钻柱旋转钻进，循环钻井液，接钻杆和上卸扣等多种钻井工艺操作。动力头由液压泵供油带动液压马达，经过液压马达上的小齿轮和大齿轮啮合，后又通过双键将扭矩传递到齿轮轴上，最后以低速大扭矩的形式通过套管式驱动轴传递给钻杆，从而实现钻杆的旋转。下钻机构工作原理起下钻系统由液压泵驱动液压马达，由马达带动齿轮旋转，通过齿轮齿条的啮合，将马达转矩变成力表现出来，来控制钻杆的升降。在下钻过程中还可以实现加压钻进。马达的转速还可以控制起下钻的速度。动换杆装置工作原理通过钻杆仓扭转油缸的伸缩控制钻杆仓的位置，钻杆仓自转油缸伸出推动棘轮箱旋转，棘轮箱中的棘轮抓带动棘轮旋转，进而使下一根钻杆进入输出位置，随后自转油缸缩回，然后钻杆起升油缸支起输出位置上的钻杆，通过动力头的旋转使其与动力头连接。卸钻杆时与上述过程相反，便可将钻杆从钻杆柱上卸下，并存放到钻杆贮存架内。图 2动换杆装置大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 14 动卸扣装置工作原理在原钻机的液压回路中并出一路液压动力源为卸扣套自动进给装置提供动力。支撑架固定在卸扣套上，拨叉的中段与夹紧夹头相连，另一端与液压缸相连，液压缸的另一端固定在立柱后绞座上。由液压手动换向阀关闭或开启供液，使液压缸的活塞带动活塞杆伸缩，带动夹紧夹头夹紧钻杆，实现钻杆的卸扣 9。图 2动卸扣装置本章小结本章主要介绍了各种物探钻机及其组成部分，通过对比，借鉴各方案的优点，最终确定物探钻机的设计方案。动力头是马达经直齿轮一级减速器减速的顶部驱动，舍弃了过去物探钻机起下钻使用的链条传动，而采用齿轮齿条传动，传动更加平稳。另外由于更换钻杆的工作是最繁重的，也同时带有一定的危险性，所以本机采用了自动换杆装置和自动卸扣装置，减轻了工人的工作强度，提高钻孔效率。另外还介绍了物探钻机的结构组成及其工作原理。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 15 第 3 章物探钻机计算及有限元分析力系统设计马达的输出扭矩传递给大齿轮后，在通过两个键传递给齿轮轴，进而传递给钻杆，由此可见键的重要性。现对键进行设计校核。动力头输出扭矩 N=m; 轴的直径 d=120键的截面尺寸 b h=32 18,键的长度为 45采用质为钢，双键连接，许用应力 =135 双键连接可提高连接强度，两个平键应相隔 180。双键连接的强度应按材料采用抗拉强度不小于 590键用钢，通常使用 45钢。平键（静连接）按连接工作面挤压强度计算 ,公式为 2 FF （ 3 式中： T 传递的转矩， N d 轴的直径， k 键和轮毂的接触高度，般 k=l 键的长度， F 许用应力，计算可得， k=F ,结果满足要求。计校核通过一对直齿轮的啮合将马达的转速进行降速，以达到所需要的转速，现对齿轮进行设计校核。计参数进入“输入设计参数”的对话框，需要输入四部分内容：大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 16 （ 1）输入传递功率或传递扭矩，可以从中选择一个，选择传递功率 15 （ 2）输入转速和传动比，齿轮 1 转速、齿轮 2 转速和传动比三项中选择其中两项填写，填写齿轮 1转速 500动比为（ 3）选择在和特性，载荷特性分析原动机和工作机，可根据设计要求从列表的选项中选定。（ 4）输入预定寿命。（ 1）布置形式根据设计要求选定齿轮 1和齿轮 2的布置形式对称布置。（ 2）结构形式闭式。 “材料与热处理”对话框用于选定齿轮的材料及热处理内容。工作齿面硬度的选择将影响到材料及热处理可选的内容。若选定软齿面，齿轮 1 和齿轮 2 的材料即热处理内容均为软齿面用；若选定软硬齿面，齿轮 1 为硬齿面材料及热处理方法，而齿轮 2 为软齿面材料处理方法；若选定硬齿面，则两齿轮均为硬齿面材料即热处理方法。材料及热处理选择，即使是同一材料，热处理方法不同，则硬度也不同，故材料及热处理方法要同时选定。每一种材料及热处理方法应对的硬度是一个范围，为以后计算方便，应确定再用的硬度值，通过滚动条的位置，可知硬度选值在取值范围中所处位置。缺省为中间位置。另外还要确定热处理质量要求，从低、中、高中选择一个。选择硬齿面，材料均为表面淬火的 45 钢，硬度取值为 48。 “精度等级”对话框要求选定两齿轮的三个公差组精度等级值和齿轮极限偏差代码。 “基本参数”对话框要求输入或选定齿轮的基本参数。输入齿轮 1的齿数 18，齿轮 2 的齿数 68，程序根据传动比自动计算出来；输入两齿轮的齿宽，齿轮 1 为60，齿宽系数为轮 2为 54，齿宽系数为模数列表中列出模数的标准值，从中选择，螺旋角可直接输入。对于初次计算，可借助“初算模数”较合理地定出初始的模数，选取 m=8。 a=m( 21z z )=8x(18+68)=344 齿轮 1接触强度极限应力轮 1抗弯疲劳基本值轮 1接触疲劳强度许用值 H1=轮 1弯曲疲劳强度许用值 F1=庆石油学院本科生毕业设计（论文） 17 齿轮 2 接触强度极限应力轮 2 抗弯疲劳基本值轮 2 接触疲劳强度许用值 H2=轮 2 弯曲疲劳强度许用值 F2=触强度用安全系数曲强度用安全系数触强度计算应力 H=触疲劳强度校核 H H，所以满足设计要求齿轮 1 弯曲疲劳强度计算应力轮 2 弯曲疲劳强度计算应力轮 1 弯曲疲劳强度校核 F1，所以满足设计要求齿轮 2 弯曲疲劳强度校核 F2，所以满足设计要求动卸扣装置拨叉杆静力学分析自动卸扣装置是钻杆处理系统的重要组成部分之一，拨叉杆的中段与夹紧夹头通过销轴连接起来，其余两端分别与液压缸和绞座相接，现将拨叉杆和夹紧夹头放在一起进行静力学分析，夹紧夹头作为辅助零件，主要是对拨叉杆进行静力学分析。件材料表 3叉零件材料号数实体名称材料质量体积 1 夹紧夹头拨叉杆 3料属性属性名称数值单位数值类型弹性模量 2e+011 N/ 定泊松比 A 恒定抗剪模量 10 N/ 定质量密度 7900 定张力强度 08 N/ 定屈服强度 08 N/ 定大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 18 续表材料属性属性名称数值单位数值类型热扩张系数定热导率 44 W/(m K) 恒定比热 420 J/(K) 恒定荷和约束表 3具约束约束名称选择组说明夹具于 1 面固定夹具于 1 面铰链夹具于 1 面铰链表 3荷载荷名称选择组装载类型说明力 /扭矩于 1 面应用力沿基准面方向 1 相对于所选参考前视基准面使用均匀分布按序装载力 /扭矩于 1 面应用力沿基准面方向 1 相对于所选参考前视基准面使用均匀分布按序装载性研究表 3格信息网格类型 : 实体网格所用网格器 : 标准网格自动过渡 : 关闭光滑表面 : 打开雅可比检查 : 4 元大小 : 差 : 质 : 高单元数 : 14238 节数 : 25696 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 19 计情形结果（ 1）反作用力表 3作用力选择组单位总和 X 总和 Y 总和 Z 合力整个实体 N 2）销钉力表 3销接头 1 类型合力抗剪力 (N) 心力 (N) 0 弯动量 (0 矩 (0 0 0 0 表 3销接头 2 类型合力抗剪力 (N) 心力 (N) 0 0 弯动量 (0 矩 (0 0 0 0 （ a）网格划分（ b）应力图大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 20 (c)位移图（ d）应变图图 3叉杆算例（ 3）算例结果名称类型最小位置最大位置应力 1 力 10(节 : 880 (节 : 12275 (位移 1 位移 0 m 节 : 58 (m 节 : 10536 (应变 1 对等应变 10元 : 758 (元 : 14081 (有图可见，拨叉杆的最大应力为的材料为服应力是345以上，满足要求。落油缸动力学分析起落油缸作为底座和立柱的重要连接部位，起着至关重要的作用。起落油缸可以使立柱远离或靠近底座，以实现运输状态和工作状态的转换。现通过析对起落油缸进行动力学运动仿真。此工况模拟物探钻机从转场状态到工作状态的起架油缸的运动。为了实现最大范围的模拟分析，转场状态选取立柱的水平状态，如图 3示；工作状态选取立柱的竖直状态，如图 3 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 21 将物探钻机整车装配的各零部件进行运动与静止的分类，析自动生成各零部件间的运动副。定义起架油缸与起架活塞杆的同心移动副位移表达式为,0,20,1465)。施加重力取为 9810mm/行动力学仿真分析。图 3落油缸转场状态图 3落油缸工作状态得到起落油缸的平动速度曲线如图 3示，最大速度为 189m/s，起落油缸的反作用力曲线如图 3示，最大反作用力为 60948N。此结果为液压系统起架油缸和变幅油缸的选型设计提供了依据。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 22 图 3落油缸的平动速度曲线图 3落油缸的反作用力曲线本章小结本章主要是设计中一些重要环节的计算，设计计算是必不可少的，是决定设计合理性的重要依据。通过计算得出数据显示本次设计的各种参数都是合理的，并根据这些参数进行整机结构件的选取与设计。采用有限元分析软件利用反作用力传递的方法对自动卸扣装置的拨叉杆进行了静力学分析，校核并辅助其结构设计；运用为起落油缸的选取提供了依据。大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 23 第 4 章液压系统设计压回路设计液压传动与其它传动方式相比具有单位功率重量轻、能在很大范围内实现无级调速、传动功率大、操作方便、易实现自动化，而且易于实现过载保护等一系列优异的特点。目前，液压技术已广泛应用国防工业和民用工业的各个领域 10。由于执行机构较多、工作环境恶劣、控制精度要求高等特点，物探钻机的液压系统的设计应考虑多方面的要求。本物探钻机的工作装置全部采用液压驱动。所设计物探钻机的执行元件包括动力头马达、加压马达、起落油缸、变幅油缸、钻杆仓扭转油缸、钻杆仓自转油缸、钻杆伸缩油缸和 H 型

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