基于TFN-AHP熵权的铁钻工工业设计方案评价

针对铁钻工工业设计方案评价综合性强、存在一定主观性、评价影响因素多的问题,提出一种基于三角模糊数层次分析法和熵权法主、客观方法相结合的铁钻工方案评价模型。该模型在层次分析法框架下,根据专家意见构建铁钻工工业设计方案评价指标体系,划分4项1级指标和12项2级指标,以模糊决策矩阵为评价信息载体,引入三角模糊数优化传统层次分析法不能准确表征带有模糊不确定性特征的评价信息的问题,并使用客观方法熵权法组合赋权确定综合权重。将此评价模型运用于实际铁钻工设计项目方案评价,将评价结果与相关传统评价法进行对比,并将筛选出来的方案进行深入优化设计,证明了评价模型的有效性。研究结果能够有效辅助企业进行铁钻工工业设计方案决策。

RN254型铁钻工冲扣钳设计与力学分析

铁钻工作为安全、高效的钻杆拧卸工具,逐步取代了液气大钳,成为自动化钻探装备的标准配置。作为铁钻工核心部件的冲扣钳对于整个铁钻工的工作性能至关重要。通过分析冲扣钳的结构原理及工作方式,进行油缸选型与力学分析,为RN254型铁钻工设计了一套高效率的冲扣钳结构装置,并进行了野外生产试验。试验表明,冲扣钳结构设计科学,油缸选型合理,极大地提高了铁钻工的工作效率,为铁钻工的设计制造提供了借鉴。

基于Profinet与S7‑1200 PLC的RN254型铁钻工电控系统的研发与应用

RN254型铁钻工是勘探技术所自主研发的井口自动化拧卸设备,可在3.5~10 in范围内安全、快速、平稳地实现钻具连接、上卸扣操作。基于对一般钻井井台自动化设备集成应用和功能需求特点分析,以井台设备模块化、集成化为设计思想,结合RN254型铁钻工的作业工况、机械结构及液压系统,设计了RN254型铁钻工电控系统。该系统以S7-1200PLC为控制核心、Profinet为通讯方式,将铁钻工所有元件有序地整合到一起,实现了动作单步控制或多个动作顺序组合的一键自动控制。经野外实际生产试验及厂内联合调试,RN254型铁钻工各动作执行良好,主机控制稳定有序,验证了电控系统的可行性及可靠性,提高了孔口作业自动化程度和作业安全性,为后续钻井智能化装备研发提供了参考。

基于机电液联合仿真的铁钻工柔顺控制研究

铁钻工在运行过程中存在较大的负载扰动,且特定工况下需要实现力控制,控制精度达不到期望要求,容易造成管道损坏。对此,采用阻抗控制方法控制铁钻工的运动,研究液压缸的位移与力跟踪性能。通过建立铁钻工机构运动简图,并利用解析法求得正逆运动学方程。为了提高运动轨迹柔顺性,采用五次多项式插值方法对铁钻工进行运动轨迹规划。设计阻抗控制方法,内环通过PID控制器进行位置控制,外环控制力。通过AMESim和Simulink分别建立铁钻工动力学模型、液压系统模型及阻抗控制模型,通过联合仿真模拟铁钻工运行过程。结果表明:铁钻工在未与环境接触工况下及环境接触工况下均具有良好的位置控制精度,与不采用阻抗控制器相比力跟踪精度提高了42.4%。

铁钻工上卸扣的最大主动扭矩分析

针对铁钻工在上卸扣过程中管柱被咬伤和剥皮现象,从管柱抵抗钳牙咬入、切削和摩擦的角度,建立了铁钻工能提供的最大主动扭矩与夹紧力之间关系的研究方法。首先,对钳牙咬入管柱的过程进行了弹塑性计算和损伤失效分析,获得钳牙咬入深度;然后,通过齿形摩擦块与摩擦环的摩擦实验确定钳牙与管柱材料之间的摩擦系数,并利用单齿切削管柱材料的三维有限元计算得到切削力,由摩擦力和切削力确定铁钻工能提供的最大主动扭矩;最后,研究了钳牙的牙型角、齿顶宽和齿尖倒角对上卸扣扭矩的影响。为优化钳牙结构和作业参数、改进铁钻工性能提供理论依据。

IR-90全液压铁钻工夹持定位精度及其影响因素

铁钻工为先进的钻井辅助作业设备,但国内铁钻工在自动化程度、夹持定位精度和工作平稳性方面有较多不足。为了解决此问题,本文设计了一种新型的铁钻工结构及其液压控制系统。首先通过机-液联合仿真分析,研究了铁钻工上卸扣过程中钻杆轴线的偏移角度和径向力变化;然后在此基础上对铁钻工的控制系统进行优化,采用同步分流马达和PID(比例积分微分)控制,进一步分析液压缸增加输入流量对固定钳和动钳的液压缸同步性能、夹持定位精度及接头螺纹径向力的影响。结果表明:采用PID控制时比同步分流马达夹持效果更好,当单个液压缸输入流量为18 L/min时,固定钳夹紧钻杆时钻杆轴线绕x、y轴偏角能控制在0.10°和0.06°以内,响应速度在6.8 s左右,上下钻杆重心沿x和y轴方向的距离可以分别控制在1.93和2.85 mm之内,保证了固定钳和动钳的夹持定位精度以及动作快速性和稳定性。接头螺纹径向力曲线也表明了铁钻工冲扣时钻杆接头间产生的不平衡径向力(17.2 kN)远大于旋扣时(641.0 N),更易导致钻头磨损。

海底钻井用铁钻工机械臂的工作安全性分析

随着石油勘探开采逐渐由陆地转向海洋,浅海转向深海、超深海,常规的陆地铁钻工已无法在深水海洋平台直接应用。针对该问题,提出一种新型海底钻井系统配套的铁钻工机械臂结构,运用数值仿真模拟的方法对铁钻工机械臂结构的强度、疲劳强度、刚度、稳定性、抗振性展开安全性分析。研究表明:海底钻井用铁钻工机械臂结构在危险姿态(伸出1.8 m)时的最大von Mises应力为195.45 MPa(小于许用应力[σ]=320 MPa),疲劳强度安全系数n=4.63(大于许用安全系数[n]=2.0);危险姿态下机械臂结构的总弯曲刚度,x、y和z轴方向上的弯曲刚度分别为1.11×10^(10)、1.62×10^(12)、2.43×10^(13)、7.34×10^(10)N·m^(2),符合机械臂结构的刚度要求;机械臂结构的屈曲临界载荷Pcr=915.80 kN,为实际受载的45.79倍,满足结构稳定性要求;随机振动激励作用下机械臂结构有68.23%的概率最大von Mises应力不超过179.77 MPa,满足材料强度安全要求。研究结果验证了新型海底钻井用铁钻工机械臂的结构设计安全可靠,可为海底钻井用铁钻工机械臂的结构设计提供一定参考。

铁钻工润滑方式的改进与优化

铁钻工是管柱自动化的关键设备之一,该设备日常润滑维护工作量大,因润滑维护不及时出现机械故障频率高的问题。文中以TZG140S型伸缩臂式铁钻工为依托,对部分零件结构进行改进,以递进式集中润滑为基础,结合铁钻工工作状态,优化出适合铁钻工的润滑方案,将原有的人工单点润滑改进为集中润滑方式,实现了半自动化式集中润滑在铁钻工上的应用。同时优化了润滑管线的布局、防护,延长了设备的使用寿命、降低维修费用,减轻了现场的劳动强度,满足现场使用的需求,为后期铁钻工无人化、智能化集中润滑系统的应用提供了技术支持和依据。

DT20型铁钻工电液控制系统的研制

DT20型铁钻工是一种安全、高效、全电液控制的自动化拧卸工具,其控制系统是在地质拧卸装备和电气自动化控制的基础上,开发的适合于地质行业专有工艺的铁钻工电液控制系统。本文主要介绍了DT20型铁钻工的电气控制系统、液压系统和上卸扣的工艺与控制流程,为地质钻探自动化装备的相关研发人员提供一定的参考和借鉴。

新型铁钻工铰接臂铰点位置的优化

鉴于铁钻工铰接臂铰点的位置直接影响伸展与升降油缸的最大工作压力与油压稳定性,在分析铁钻工铰接臂运动特性的基础上,以降低最大工作压力与提高压力稳定性为目标,采用统一目标函数法建立针对铰点位置的优化模型。采用遗传基因算法,利用Matlab优化工具箱,优化铰点位置。根据优化结果,借助Adams软件建立铰接臂动力学模型,比较优化前后伸展与升降油缸油压的变化情况。仿真结果表明:优化后的铰点位置大大提高铰接臂工作性能。

伸缩臂式铁钻工旋扣钳的设计研究

旋扣钳既可作为一种旋扣工具单独使用,也可以作为铁钻工的一个部件与冲扣钳一起完成旋扣功能。在介绍旋扣钳功能及结构原理的基础上,对旋扣钳结构进行了设计,确定了旋扣钳夹持钻头范围和伸缩液缸的行程,具体包括滚子最小开口距离、液压缸最大/最小长度;同时对旋扣钳的自动对中机构进行了设计,参照ST80/IR80铁钻工,确定了旋扣钳连续旋扣扭矩和最大旋扣速度。利用UG NX7.0软件对新设计的旋扣钳进行了运动仿真。仿真结果表明,旋扣钳的各零部件均按照实际上、卸扣工况动作,各零部件在实际工作中不会发生干涉,运动轨迹与预期设计相吻合。

伸缩臂式铁钻工的研制

针对目前我国铁钻工研究起步较晚、市场需求量大、钻井作业发展受到限制的问题,研制了适用于φ73.0～ φ247.7 mm钻具的伸缩臂式铁钻工.该铁钻工有3种控制模式,性能先进,布局紧凑,维护方便,能实现上、卸扣“一键式”自动化操作,具有定位精度高、动作连贯、操作灵活、运行平稳等特点,可用于井口和鼠洞作业.现场应用结果表明,伸缩臂式铁钻工上、卸扣速度快,上扣或卸扣1根钻杆的时间由常规的1 rmin缩短为10 s,大大减轻了工人的劳动强度,缩短了作业时间,提高了作业的安全性和可靠性,为钻井作业带来了很大的便利.

TZG-120型铁钻工的设计方案研究

针对我国石油钻井目前使用液压动力大钳存在的问题,设计了TZG—120型铁钻工。这种手臂式结构的铁钻工主要由旋扣钳、冲扣钳、夹紧钳、连接架、铰接臂、支撑总成、液压控制系统、控制平台和液压站等组成。该项技术目前已完成对产品性能各项指标的校核,正在进行整机调试,将来其系列产品有望推动石油钻井生产的现代化进程。

铁钻工冲扣钳钳牙参数敏感性分析

以钳牙花型与当量摩擦系数的关系为切入点,基于接触力学及摩擦学原理,对钳牙与管柱接头外壁接触进行受力分析,建立了钳牙牙型角、牙顶倒角半径、管柱外径及咬痕深度与当量摩擦系数的关系式;对钳牙及管柱强度,以及钳牙齿磨损原因进行了分析。在摩擦力矩满足上卸扣要求、不损伤管柱等约束条件下,利用正交设计分析了钳牙齿与管柱外壁接触时4个因素对当量摩擦系数的影响程度。结果表明:钳牙牙型角对当量摩擦系数影响最大,而牙顶倒角半径的影响几乎可以忽略不计。为使咬痕深度小于1mm,对于常用直径系列管柱,钳牙牙型角的最佳取值为80°~100°。

铁钻工的现状与展望

在自动化钻井生产中,铁钻工是目前最先进的扭矩旋扣设备,可完成钻杆、套管等钻具的旋扣连接工作,提高生产效率和安全性,是现代化钻井中重要的自动化设备之一。通过对目前国际市场常见铁钻工的类型对比,分析了铁钻工的结构、工作原理和技术参数;阐述了铁钻工的现状,并对其发展方向做出展望;针对目前国内石油生产和设备现状,讨论了铁钻工国产化的发展方向。

TZG-120型铁钻工冲扣钳钳体部分的机构研究

铁钻工(Iron roughneck)是自动化钻井生产中钻机的配套设备。作为液压动力大钳的升级替代产品,铁钻工能够安全、高效地完成钻具的上、卸扣和紧、冲扣等工作。国内对于铁钻工设备的研究还处于起步阶段,还没有开发出性能稳定、参数优越的铁钻工产品,而国外的产品价格比较昂贵,限制了该产品在我国的普及和应用。因此,针对国内的钻井市场的需求和不同的钻井环境开发出适用范围广、稳定性高的铁钻工产品具有非常重要的意义。本文针对铁钻工钳体部分的冲扣钳进行了机构优化方面的研究。

新型铁钻工运动学分析及仿真研究

在对新型铁钻工的结构组成和工作原理分析的基础上,建立D-H坐标系,求解系统的正运动学方程及运动学反解。建立了主背钳夹取钻杆连接点处的空间位置、方向矢量及位姿与各运动参数间的变换关系,为系统运动控制、轨迹规划提供了理论基础。借助ADAMS软件建立系统的仿真模型,对系统进行仿真模拟,得到钻杆连接点处的位置、姿态和空间仿真曲线,验证了系统的性能。

新型轻便式铁钻工的研制

新型轻便铁钻工是集紧、卸、旋螺纹于一体的多功能自动化井口装置。它的动力钳部分可以朝井口方向前后、上下移动,且一人能完成全部操作,具有安全、高效、操作轻便等优点。介绍了铁钻工的主要结构及特点。

基于PLC和行走式动力大钳的铁钻工上扣过程的控制

为满足国内对钻井设备自动化程度越来越高的要求,进一步提高液压大钳的自动化程度,基于行走式动力大钳提出了铁钻工上扣过程的PLC液压气动控制系统。以欧姆龙CPM1A为例,给出了铁钻工上扣过程的程序系统框图、硬件主电路图、电气原理图、梯形图及PLC编程语句表。铁钻工基于行走式动力大钳的PLC控制缩短了铁钻工的开发周期,适合国内石油机械发展趋势。

铁钻工冲扣钳壳体轻量化设计

论文以石油钻机井口钻柱冲卸扣和旋扣机械化作业设备—铁钻工冲扣钳壳体为研究对象,根据力学分析计算结果,基于Solidworks三维建模软件对冲扣钳壳体的重要组成板件进行参数化的建模,建立了壳体重要零件的结构优化数学模型,在不改变冲扣钳壳体各零件之间的配合的前提下利用ANSYS Workbench有限元软件对冲扣钳壳体尺寸参数进行了轻量化设计,同时对零件尺寸进行了敏感度分析。通过轻量化设计,在满足工作要求及强度和刚度条件下可将自重相对减小11.2%,减少了材料成本,为铁钻工冲扣钳的设计研制提供了理论依据。