课程设计说明书(机械专业)

1、石油设备与工具方案课程设计题目：机械液压式震击器姓名：xxx学号：xxxxxxxx专业年级：机械工程及自动化指导老师：xxxx设计日期：xxxxxxx目录0， 前言 21， 第一部分 功能分析 32， 第二部分 功能原理实验2.1，实施方案设计 32.2，形态学矩阵 32.3，实施途径选择 33， 第三部分 方案评优3.1，评价因素 43.2，方案特点 53.3，方案选择 54， 第四部分 参数设定4.1，工作特点分析 64.2，结构及参数的优化设计 74.3，主要构件设计计算 84.4，震击器的震击力计算 124.5，震击器测试系统 145， 第五部分 绘制总体方案 156， 第六部分 总结

2、 157， 第七部分 参考文献 15前言机械设计是机械工程的重要部分，是机械生产的第一步，是决定机械性能的最主要因素。而本次总体设计是机械设计中的重要环节，而本次课程设计就是为了培养同学们的总体设计能力而增设的教学环节。随着石油工业的发展，在钻井作业中，由于地质构造复杂（如井壁坍塌、裸眼中地层的塑性流动和挤压）、技术措施不当（如停泵时间过长、钻头泥包等），常常发生钻具遇阻卡钻，因此根据我国各油田钻井施工需要, 联合研制的一种用于解除油、气、水井卡钻十分有效的解卡工具震击器。随着石油机械设备中各项技术水平的要求的提高也相应提高。目前国内应用的震击器，主要来自Weatherford、Baker、B

3、owen、NationalOilwell、Rocan、Cougar、贵州高峰机械厂、北京石油机械厂等厂家的产品。我做这个课程设计的目的是力求本产品结构简单紧凑，装接迅速、简便、操纵容易，同时满足功能使用要求。总体设计要求技术的先进，功能原理的可靠，设计的经济性，实用性。对于我们实践经验不多的在校学子来说，设计上难免存在不足之处，望老师多加指正。产品名称：机械液压式震击器设计要求：装接迅速、简便、操纵容易、工况直观和解卡效果好第一部分 功能分析一、 总功能：震击解卡二、 分功能：1、打捞作业 ，当用于打捞操作时，震击器应直接地安装在接近卡点的钻铤柱的下方；2、取芯作业，震击器通常应安装在取芯工具

4、的上方。第二部分 功能原理实验2.1 、实施方案设计1、 动力源选择 1）机械式2）液压式3）机械液压式2、 工况选择 1）随钻式2）打捞式3）地面式3、 震击方向选择 1）上击式2）下击式3）双向震击式2.2 、形态学矩阵 局部件功能123A动力源机械式液压式机械液压式B工况选择随钻式打捞式地面式C震击方向上击式下击式双向震击式总体方案数为：333=27种2.3 、实施途径选择1、 动力源方案有三种，但从目前油气井类型及卡钻类型来看，由于机械式比较笨重，不能适应复杂的情况，应选择液压式或者机械和液压组合式。2、 由于随钻震击器，要设计在钻柱组合中，如果钻进或者起下钻过程中遇卡，可以随时震击解

5、卡。打捞震击器，只是在需要解卡时才上井作业，不可以长时间随钻工作。地面震击器，只是在井口使用，其对卡点的震动效果是向下震击，现场使用比较方便。3、 由于震击解卡作为震击器的主要功能，为满足上述要求，我作出如下两种方案：（1）A2+C2（2）A3+C14、两种方案用文字描述：1） 利用液压油在细小流道内流动时的阻尼作用作为锁紧机构，利用流道突然变化所引起的释放，在震击器内产生打击，从而在钻柱内形成震动2） 利用机械式和液压式的组合在震击器内部产生打击，从而在钻柱内形成震动，实现液压延时系统与机械锁扣装置结合。第三部分：方案评优3.1，评价因素 随着石油需求的日益增大，21世纪的石油行业面临着增加

6、石油后备储量的压力，我国地质情况复杂，储层埋藏深。随着钻井技术的不断发展和钻井设备的更新换代，同时为了勘探开发新的储层，深井和超深井的数量逐渐增多，井眼尺寸越来越小，井深结构越来越繁琐。因而设计的井下工具要小而紧凑，重量轻，抗冲击能力强，使用安全可靠方便且实用经济，为钻井工业带来更大的经济效益3.2，方案特点液压式震击器由于其锁紧机构工作原理的限制，只能在单一方向上产生震击，一般为向上震击。由于液压式具有长延时功能，其震击力大小可以靠司钻的操作任意调节。但由于液压介质、密封材料和密封结构等容易受磨损、井温等因素影响，产品的寿命、适应性和可靠性均不稳定。显然，这种震击器对密封结构的设计和密封材料

7、的选用以及对零件加工精度的要求都十分严格。而机械液压组合的震击器，集中了机械式和液压式两种震击器原理的优点，即使液压延时震击作用失效，机械震击仍可继续使用，技术性能得到很大提高，符合未来震击器产品发展方向。3.3、方案选择衡量两种方案，后者较前者优越，我将方案（二）作为最优方案，即将机械式和液压式进行组合。机械液压式震击器将液压延时系统与机械锁扣装置结合在一起，制成一种相对较短，具有机械和液压双重功能的震击器。其中液压延时装置允许操作人员调整上提力，然后用绞车滚筒刹车。这样容易减轻井口振动力，防止提升设备的损坏;机械锁扣装置除了可承受锁扣装置许可范围之内的拉力与压力外，还可以防止在正常钻井过程

8、中内部件相对错动，从而消除内部件不必要的磨损。第四部分：参数确定4.1，工作特点分析1，拉力大欲获得良好的解卡效果, 就需要较大的工作拉力，经验表明, 一般大修解卡施工的拉力在294KN左右(不计钻柱悬重)。考虑到安全及拉力储备, 上击器设计指标还应当更高。然而拉力大必然使液缸产生很高的压力。现用上击器设计拉力为245KN，对应的压力达135MP， 使危险点（如液缸上端1）安全系数不足1.5，稍有不慎而超载, 就有发生胀缸脱扣等机械破坏的可能。2，扭矩大解卡施工常需完成造扣、,抓捞落鱼和拉扭等组合作业。一般需用扭矩约为9810N*m，故上击器工作条件十分恶劣。3，对延时和重复震击要求高延时和重

9、复震击这两项指标是上击器的技术关键, 很大程度上取决于活塞结构和泄流方式。震击效果的好坏取决于延时过程即钻柱弹变一恢复过程的可靠与否。而一般卡钻不大可能在几次震击后解除, 一些井的卡钻甚至需要几百次震击才能解除。因此上击器性能的可靠性至关重要。环式上击器采用活塞环开口缝隙泄流, 受油液粘温性影响明显, 环缸磨损又使得开口大小不易控制；柱塞式上击器采用铜合金柱塞环状缝隙泄流, 活塞磨损剥落铜屑的现象常常发生, 使泄流间隙难以调控。这两种上击器都有有效震击次数少、震击断续等缺点。一旦磨损碎屑堵塞泄流通道, 就将出现液缸压力骤升、甚至胀缸脱扣等现象。综上所述, 上击器工作条件恶劣, 工作性能要求高%

10、 而现用上击器性能欠佳的主要原因在于本身结构及设计参数不能适应现场条件的要求及变化。4.2，结构及参数的优化设计1，结构优化上击器结构是解决间题的根本措施。 技术难点之一是由于内外径尺寸限制, 震击强度要求心轴夕触大, 液压缸内径小, 而降低内压的要求恰与此相反；难点之二在于活塞设计。本设计采用液腔与震击腔分开设计, 活塞采用锥体几何造型、耐磨工艺处理、与液缸无隙机械自封且液压随动等新设计, 形成了跟踪补偿缸径变化、孔隙式旁通泄流方式, 使延时稳定性和重复震击性大为改善。通过运动副防刮扶正及组合密封、浮动密封等结构设计, 优化了运动设计和液压系统特性。上击器结构见图12，许用拉力及液腔压力为充

11、分利用修井设备, 发挥解卡功效并确保可靠性, 许用拉力与液腔压力的关系由下式确定： （1） （2）本设计中取=10=0.297 ， =343KN ，=102MP构件几何参数由此值相应确定。3 延时时间根据设备大钩上提速度及操作经验, 延时时间由下式计算： （3）本设计计算值t = 4459s ，由t 确定液压系统参数。考虑到井温、摩阻等多种因素, 实际值以t = 30180s 为适宜。其他设计参数不低于或高于现用上击器的设计参数, 如扭矩9810N*m ，水眼28mm等。4.3，主要构件设计计算由于上击器在拉、扭、液压及重复震击等恶劣条件下工作, 为保证其安全可靠性, 本设计按构件最复杂的应力

12、状态选取危险点0截面1 并采用动静法计算。限于篇幅, 应力状态相近或非危险点不作计算。基本参数：K=1.2 ；n=1.5 ；=102MP ，=9810N*m ；震击力N=1127KN ；主要构件如心轴、撞击套、液缸、活塞、导向管等选用42CrMo ； 锻件毛坯，=931MPa ，=620MPa ，=0.5=310MPa 。可靠性计算公式： 螺纹根部最大应力： （4）螺纹牙剪切应力： （5）螺纹牙弯曲应力： 6）花键挤压应力： （7）拉扭组合应力： （8）拉、扭、液压等三向应力状态组合应力： （9）1，主要螺纹表1 三种螺纹的计算应力值螺纹代号所联构件受力状态及最大轴向力（KN）旋合圈数计算结果

13、（MPa）T643撞击套只受震击力 ，1127Z=22.3=610 =234 =215M683导向管只受轴向拉力373.5Z =10=282 =129 =141M953液缸总成各缸套第一种状态，只受震击力，1127Z =10=505 =230 =251第二种状态，受拉，扭，液压，不受震击力=377上击器螺纹优化为4种, 均经磷化处理。所联接构件均采用42CrMo 。调质后硬度大于HB310。其中3种螺纹须进行可靠性计算。根据各螺纹的受力状态, 将有关数据和几何参数分别代入式（4）（6）, 求出相应的应力值列于表1。结果表明, 各螺纹安全、可靠。2， 心轴心轴上段为震击、拉,、扭工作状态, 下段

14、为液压一拉伸工作状态。调质后硬度大于HB310 ,花键齿表面淬火硬度大于HRC50。M583螺纹及受震击力危险截面短T643螺纹已校核。上段按式(8) 计算：其中=10K/F = 1010234332.31=127.4MPa; =/= 981066.84 = 146.8MPa,由上述计算得：=320MPa ，安全。下段按式（9）计算：其中 ；由上述计算得： 所以安全。矩形花键6756516 按式（7）计算, 取 则=由上可知安全。3,液压缸液缸外径11.4cm, 内径9.2cm , 平均直径=10.325cm ,小径D=9cm ,活塞外径d = 9 cm .(1) 液缸应力 液缸处于拉、扭、液

15、压三向应力状态。因壁厚大于 故按厚壁圆筒及式(9)计算。其中, , 则安全。（2）液缸允许的最高内压p及极限拉力 此结果表明, 本设计的上击器有较大的拉力储备和较高的可靠性。（3）活塞自封和补偿变形按厚壁筒变形公式计算：自封条件dD。活塞锥部任意截面外径变形量（取任意内径8cm）：液缸内径径向变形量：该计算结果与结构设计要求相一致。锥体活塞设计达到了机械自封液压随动补偿缸径变化、形成新的泄流方式的目的。4撞击面允许最大震击力由研究可知, 实际施工时震击力远低于此值, 因而撞击面不会出现脆裂和屈服。4.4，震击器的震击力计算 由文献1可知，美国Bowen Tools公司将震击器井下动载荷定为上提

16、拉力的46倍，而我国的打捞专家根据经验判断为上提拉力的2倍多，理论计算得出的数据是三倍多。在上提拉力本来就很小的情况下，微小的倍数差别引起的实际震击力会相差很大数值。对于震击器震击时实际产生多大的震击力。国内外都是对井内震击过程进行简化假设，利用能量法或者弹性波理论与动力学相结合的方法对抽象出来的数学模型进行理论计算加推导。到目前为止没有任何准确实测数据加以证明。目前，上击器震击力产生的震击力。采用能量法计算撞击时的变形，由变形计算动载，得出计算公式。由图2通过能量法计算公式为：式中 ： 下击器下击震击力利用能量守恒原理，将上部钻柱自由落下的动能转变为被卡钻柱的变形能，求出震击器的动载可以得出

17、： 4.5，震击器测试系统为了进一步了解震击器性能，了解井下工作时实际产生多大震击力，有必要对震击器的震击过程在台架上进行实测。若能在台架上测出震击器震击过程，就可以得到不同类型规格的震击器在实验标定拉力下所产生的震击力。现场施工人员掌握了震击器的这些资料数据，就可以更好的实施震击作业。在可测试出震击力的前提下，后续可进一步模拟震击器在井下工作时产生的震击力，这对打捞作业队和钻井队有实际的指导意义。测试系统的原理图（如图3），主要有震击器、测力传感器（包括A/D转换器）、数字显示器、工业计算机以及外围电路组成。实际应用时，测力传感器安装在被测部位，其他部分与传感器通过电缆连接。测试系统有许多软件包组成，这些子程序包括数据采集、数据转换、波形搜寻、数据平滑、波形改善和数据锁定等，最后生成震击力曲线图。第五部分 绘制总体方案总体方案图见大图纸第六部分：心得体会随着毕业日子的到来，这也是最后一次课程设计。下学期就是毕业设计。刚开始做课程设计的时候，由于理论知识的不足，再加上平时没有什么设计经验，一开始的时候有些手忙脚乱，不知从何入手。经过一周的实战我终于独自完成。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高，特别对我们机械设计专业的学生，尤其对未出校门的缺乏锻炼的我们，是一次知识，能力的综合