石油钻杆移运系统中钻杆运移小车的设计.pdf

石油钻杆移运条统中钴杆运移小车的设计
口余群□牛文杰□闫成新
中国石油大学(华东)机电工程学院山东东营257061
摘要:针对石油钻杄移运系统的工作状况,设计了水平移运机构中的关键部件钻杆运移小车。介绍了小车的结枸
和工作原理,并对小车关键零部件进行了静力学分析和计算,校核了强度。校核结果表明,钴杆运移小车结构设计合理,关
键零部件完全满足石油机械高强度的设计要求
关键词:钻杆移运移运小车结构设计
中图分类号:TH123;TE934.2
文献标识码:A
文章编号:1000-4998(2011)09-0030-03
在石油钻井过程中,钻杆需要从堆坜移运到钻井
平台。目前移运主要以人工操作为主,生产效率低,工
人劳动强度大2。本课题组设计了…种石油钻杄移运
515
2
R72
装置,依据行程开关定位,通过一系列的液压动作,可
实现钻杄上下钻井平台、移运钻杆堆场过程自动化,极
大地減轻了井场工人劳动强度,提高了生产效率。使用
该钻杆自动移运系统,可以使总钻井时间减少25%,钻
井成本减少30%时
400
锥
在钻杆移运系统设计过程中,钻杆从堆场移近钻
210
并平台是后续钴杄移运的基础,在此过程中钴杆运移
小车主体部件2.翻转部件3.扭簧4.扭簧轴
小车是关键部件。本文基于力学分析对钻杆运移小车
5.小车轴6,小车轮子
的关键零部件进行了结构设计、计算和强度校核。
图2钻杆运移小车结构图
1整体结构
井平台,此过程由钻杆运移小车来实现。钻杅运移小年
在水平架轨道上往复运行,小车动力由液压绞车提供
钻杆堆场距离钻井平台约20m,上钻杆时首先需換向由行程开关控制,整个过程实现自动化,小车工作
要将钻杆移近钻井平台,卸钻杆时需要将钻杄移离钻
示意如如图1所示。
钻杆
钻杆运移小车主要由小车主体部件、转部件、扭
小车Ⅴ型槽导轨
Iロレ
簧、扭簧轴、小车轴、小车轮子等组成,具体结构如图2
钢丝
所示
绳接车
接绞
2主要部件设计计算
2.1小车轴设计计算
▲图1小车安装工作示意图
2.1.1小车轴结构及受力
小车轴由轴颈压盖安装在小车主体部件上,通过
收稿日期:2011年3月
轴承与小车轮子相连。具体安装结构如图3所示。
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(编辑
罡
2011/9
机械制造49巻第5期
M=(F车+F钻杆)×6=5718.3N?mm
弯曲应力幅
M
2.12MP
W
小车轮子
扭转切应力:=-0.66MPa
轴承压盖
其中:。为平均弯曲应力,MPa;r为平均切应
轴端盖
力カ,MPa;Wm、Wr分别为小车轴的抗弯截面系数和抗扭
小车轴
截面系数,mm3。
轴承
毡圈
扭转切应力幅和平均切应力:T=Ta==033MPa
▲图3小车轴安装结构图
采用安全系数法校核小车轴强度
弯曲安全系数:S
=62.77
Os+lr.
扭转安全系数:S=,r。tuTa
ENT-1
294.28
9
48》
复合安全系数:S=
=61.3
▲图4小车轴结构图
F* VR
其中:ψ。为弯应力状态的断面收缩率;r为切应力
做
状态的断面收缩率;小车轴设计按无限寿命计,k=1。
査表可得有效应力集中系数:
▲图5小车轴受力图
k。=1.74ん,-1.31
小车轴具体结构如图4所示。
表面状系数:B=0.92(R=1.6,o=650MPa
小车轴受力主要有钻杆移运小车自身重力,卸钻
尺寸系数:-0.88-0.81
杆时单根钻杅重カ(最大受カ工况)以及轴承产生的扭
通过上述强度校核,可见钻杆运移小车的小车轴
矩(可以忽略不计)。
安全系数高,有较大的强度余量,完全满足石油机械零
具体受力如图5所示。
部件高强度的设计要求。
F车=G4/4=145.55N
2.2扭簧设计计算
F站杆=G结杆/4=808.5N
为了保证扭簧扭转变形角时的扭矩,扭转弹簧的
F车、F分别为小车和单根钻杆对小车轴的作用工作变形角φ1、g2应在试验变形角gs的20%-80%之
力,N;G车、G分别为小车和単根钻杆的重力,N。
间,或工作扭矩71、2在试验扭矩Ts的20%~80%之
2.1.2小车轴强度校核
间。扭转弹簧的结构和載荷如图6所示。
依据图4小车轴结构和图5小车轴受力可知,小
车轴受力危险截面在30段轴颈处。轴材料选用45
钢謂质处理,抗拉强度=650MPa,屈服极限s=360
MPa。对称循环疲劳极限
O-1b=0.44oa=286MPa
-1=0.3OB=195MPa
脉动循环疲劳极限
e=1.7r-=486MPa
▲图6扭转弹载荷一变形图
To=1.67-1=312MPa
图中:d为扭鏺簧丝直径,mm;D、D1、D2分别为弹
其中:m、oa分别为对称循环和脉动循环应カ状簧的中径、内径、外径,mm;T。为试验扭矩,N·mm;1、
态下的弯曲应力,MPa;r1、0分别为对称循环和脉动2、9s分别为在7'、T2、7作用下的变形角;P为扭簧节
循环应力状态下的切应力,MPa。
等效系数:ψ。=(2ou-oa)/ors=0.18
2.2.1扭簧受力分析
pr=(2r--T0)/ro=0.25
小车上扭簧需要保证钻杆在型槽中移运时不
弯矩(危险截面处)
扭转,而到达目的地后在卸杆机构的推动下扭转。扭簧
机械制造49卷第565期
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