ZJ50D钻机钻杆自动传送系统的研究

1、 二.研究目标、内容，关键性问题一.课题意义、国内外研究现状三.研究方法、技术路线、试验方案与可行性分析四.课题的创新性五.计划进度、预期进展、预期成果六.工作积累、工作成绩1.课题意义： 石油是世界最主要的能源之一，而石油钻井技术则成为各国竞争的热点。由于生产力的快速发展，要求钻机向着大功率系统发展，所用器材及人力也大幅增加，钻井机械自动化成为了发展的必然趋势。钻杆的传送作为钻机主要环节也必将向着自动化方向发展。 调查显示,管子处理作业经常导致重大事故, 传送钻杆是困难和重复性的工作,并伴随着多发的安全事故。2005年,据IADC(国际钻井组织)的统计,23起死亡事故中,其中井架工7人,钻工

2、5人,井架工数量最多,占近1/3;发生在管子处理作业中16起,而其中4起发生在接立根过程中。 减少安全隐患最简单的办法是减少危险操作中人员的数量，并使他们由劳动者变为自动机械装置的操作者。 1 2 3 4 兰州石油机械研究所、宝鸡石油机械有限责任公司等单位做过一些设计和研究，但其产品模式都是国外较早的半自动系统。 从国外引进，但只在海钻或在配备顶驱的高端钻井上使用。高端钻机在国内显然较稀少，国外的钻杆自动传送在国内无法普及，原因如下： 国内国外国外a.中国劳动力充沛、成本低，所以要求钻井自动化的成本要与传统钻井方式成本相当，或低于传统钻井方式。 b.在国内普遍使用的是以ZJ50D为代表的传统钻

3、机，如右图，这种钻机平台相对国外的尺寸较大，所以传送系统必须配有平台水平传送装置。1. 研究目标:研制出适应于ZJ50D钻机钻杆传送系统方案 设计方案：a) 钻管、钻铤、套管等管材首先由运输车运送到管架；b) 在管架的一端安装有两到三个并行的滚动拨齿，用来拨动管材，将其拨进水平放置的托盘上，随之机械手将管材进行夹持；c) 托盘由液压缸作用，由水平变为竖起状态，完成管材的竖立作业；d) 托盘机械手由液压装置做为动力，向上托举管材（约1米左右）；e) 井台有机械手迎合，机械手将钻杆夹持、提升，随之与铁钻工配合。 全程无需人工，作业流程中钻杆的自动夹持、提升、平移、定位等轨迹全程自动控制。 地面系统

4、结构设计方案如下： 由运输车辆排好的钻杆,首先被管架一端的拨齿拨入两只并行的机械手。拨齿的滚动速度要适当，用来避免钻杆对机械手有较大的冲击。拨齿的圆弧设计要照顾到不同外径的钻杆。 在机械手将钻杆进行夹持的过程中，要设计合理的液压控制，使机械手具有合理的夹紧力。 钻杆传送系统必须要有由地面提升钻杆的能力，在此采用了已经非常成熟的液压机械手、液压起重臂与齿轮齿条结构。由于钻杆托盘的尺寸大、质量重，如何使之平稳的竖立起来、如何保证铰接强度，也成为此项设计的主要内容之一。 图示为部分系统简图平台系统结构设计方案如下： 桅杆机械手（包括托盘机械手）要求具有沿导轨自由游动的功能。拟选用两种传动方案：方案一

5、，齿轮齿条传动；方案二，液压缸传动。 方案一结构简单、紧凑，传动效率高，易于控制，运移快捷等优点，但因机械手以及平台机械手下底座的行程与负载较大，所以对齿条和齿轮的制造要求比较高。 方案二运行稳定，缓冲击效果明显，响应迅速，但效率低、动作慢（若使之动作加速，要使用大功率液压泵，同时，对液压元件又有了更严格的要求），加上液压缸体积和重量较大，无疑增加了工作载荷。 最优方案的选择有待进一步论证。 平台系统结构设计方案如下： 为了尽可能降低桅杆高度，在钻杆被提升的过程中采用两机械手相互传送的方式。如下图所示， 步骤一：钻杆被赶紧后，由桅杆上机械手 夹紧，下机械手进 行辅 助夹持； 步骤二：上机械手上

6、升到桅杆顶端； 步骤三：下机械手变辅助夹持为夹紧 ，之后上机械手变夹紧 为辅助夹持；步骤四：下机械手爬升到指定位置；相互传送 完毕。 平台系统结构设计方案如下： 平台上的桅杆必须有沿导轨稳定移动的功能。初步选用小车 结构，即用液压马达与蜗杆轴固联, 通过蜗轮减速后驱动左、右两侧对称设计的锥齿轮机构, 然后通过两侧的圆柱齿轮与固定在轨道上的齿条啮合, 同时驱动小车沿轨道移动。 两个动力方案：方案一，采用液压驱动；方案二，采用步进电机驱动。 方案一能够提供较大动力，稳定性良好，便于实现无级变速，缓冲效果好，但液压管线连接比较复杂，此外，还存在压力管线清洁、压力油杂质、压力管线疲劳碎屑堵塞、压力管路

7、堵塞、压力管线刺破造成的安全问题等。 方案二响应迅速，容易实现数字化控制，线路连接方便，但缓冲效果差，此设备有较高的动力要求，所以存在电机的选用、设计安装难度1 .立柱旋转齿轮齿条; 2 .蜗杆; 3 .锥齿轮;4.小车移动齿轮齿条; 5 . 滚轮; 6 .立柱 底部小车结构资料来源： 崔学政,刘文庆,肖文生,张富强,董磊. 海洋钻井平台立柱式排管机设计J. 石油矿场机械,2010,39(1):45-49平台系统结构设计方案如下： 小车上方的桅杆具有回转功能。如果没有特殊需要，只需回转180这一个动作。桅杆的回转与小车的行进可同时进行，以此来缩短运行时间，进而提高工作效率。 图示为部分系统简图

8、 整套设备拟选用全液压控制，采用PLC控制器对各阀门实现控制。液压系统原理简图如下: 25252424242424212121232322222221211818171616151514141312111020202020202020202020202020191919 1919191919191919191919998888817776454333321a) 托盘铰链承载；b) 桅杆上下机械手传送钻杆的可靠性；c) 结构如何优化，使整机实现体积小、质量轻。 三.研究方法、技术路线、试验方案与可行性分析根据设计目标，对设计对象先做一个总体的设计方案；在总体设计的基础上，对各部分进行分块设计，并

9、对各分块部分进行关联设计，实现运动的合理性；在各分块初步设计的基础上，对各分块的零部件进行初步设计，确定各零部件的结构尺寸，并对其进行三维实体模型的建立与强度分析、合理性验证；若能满足要求，再进行详细零件设计；最后对各分块进行整体装配，并进行整体结构的优化设计；仿真并反馈信息，以待后期的进一步修改与优化。 从研究方法和研究 过程我们可以看出，设计该系统的技术路线可总结为： 否 利用电脑进行仿真实验，并根据各机构之间的配合关系设计出成熟的模型，进行运动及动力学分析。在模型的基础上设计主要的零件图，进行强度分析、合理性验证。最后分析机构运行的可行性 从理论上讲：整套系统采用的都是已经非常成熟的各种

10、机械结构，液压技术与液压系统的自动化控制已经得到很大程度的普及，通过合理的有机结合能够很好的完成钻杆传送的工作。外加导师的大力指导，相信对钻杆自动传送系统的研究能够满足国内钻井工程的要求，取得理想的研究成果。从实践上讲：钻杆自动传送系统已经在海洋钻井工程得到成熟的应用，国外对钻杆自动传送系统的研究早，部分产品已经投产并且经过数次改进，总结了大量经验。还有国内的石油机械制造商，如兰石、宝石等，他们所开发及制造生产的钻杆自动传送系统可以看出在制造工艺方面完全可以满足要求，这确保了该种钻杆自动传送系统制造工艺方面的可行性。 在国内的钻井平台上实现钻杆传送的自动化、半自动化作业。相比传统人工作业，安全

11、性、经济性与工作效率都得到明显提升。该装置直接执行部分拟选用全液压控制，托盘与立柱定位准确，机械手夹持稳固，容易实现装置的自动化，在运行过程中实现了自动化与稳定性的理想结合。以两机械手的相互传送技术来降低桅杆高度，近而降低了机构的制造与安装难度。1). 2011.92011.10 查阅文献搜集资料2). 2011.102011.11 调查研究 3). 2011.112011.12 开题报告撰写开题报告4). 2012.12012.8 相关理论和软件的学习5). 2012.92012.11 理论知识的进一步夯实6). 2012.112013.3 撰写毕业论文 7). 2013.42013.5 学位（毕业）论文答辩 五.计划进度、预期进展与预期成果 1.计划进度与预期进展:备注： 本计划在实际过程中实施过程中可能会有