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    北京pk10是国家彩票吗 毕业设计(论文):8型碳纤维连续抽油杆作业车起下夹持装置设计

    北京赛车论坛:毕业设计(论文):8型碳纤维连续抽油杆作业车起下夹持装置设计.doc

    毕业设计(论文):8型碳纤维连续抽油杆作业车起下夹持装置设计

    教育文库
    2018-11-17 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

    北京pk10是国家彩票吗 www.qdpo.net 简介:本文档为《毕业设计(论文):8型碳纤维连续抽油杆作业车起下夹持装置设计doc》,可适用于求职/职场领域

    目录绪论连续抽油杆作业车的发展背景连续抽油杆的应用情况作业车基本功能结构碳纤维连续抽油杆作业车的应用前景碳纤维连续抽油杆的特点及应用前景碳纤维连续抽油杆的发展历史碳纤维连续抽油杆的结构、特点及应用前景碳纤维杆作业车夹持装置方案对比分析动力方案对比动力源选择动力方案对比夹紧方案对比分析双油缸夹紧单缸夹紧本设计所采用的方案本设计的工程背景:本设计拟定的初步方案碳纤维杆作业车夹持装置设计分析夹持装置的工作原理链传动设计夹持块整体结构受力分析链条设计链轮设计链传动的张紧与润滑齿轮组设计齿轮扭矩弯曲疲劳许用应力齿高比载荷系数齿形系数比较选择系数齿轮尺寸计算齿轮的校核主动链轮轴设计基本参数链轮上的力初步确定轴直径主动链轮轴结构设计轴受力分析简图求轴上载荷按弯扭合成应力校核轴的强度液压马达选择液压马达功率液压马达转速液压马达扭矩液压马达选择液压缸选择夹紧液压缸张紧液压缸缸体材料及固定夹持块支架设计夹持块轴承的选用起杆缠绕器单元的横、纵向位移横向位移纵向位移碳纤维连续抽油杆作业车下放作业的平衡设计经济性评价结论参考文献致谢绪论连续抽油杆作业车的发展背景连续抽油杆的应用情况年美国BowenTool公司制造了首台连续油管作业车(CoiledTubingUnitCTU)叫做“连续油管轻便修井机”并用于墨西哥湾岸区用做油井冲洗砂堵试验当时所用的C连续油管外径为mm。此后开始有各式各样的连续油管作业车在油气田作业。CTU可分为常规型和复合型种型式以适应不同的作业用途、工况和道路条件的要求其中常规型主要有拖车式、车装式、橇装式种型式。前种用于陆上后者主要用于海洋。复合型CTU可用CT和钻杆柱进行作业。此外一些专用连续油管设备的相继问世如处理大直径连续油管完井管柱的连续油管完井作业机、能够操作连续油管和接头连接管柱的连续油管钻井作业机、湖泊和沼泽地区使用的驳船式作业机、北极地区使用的全封闭式作业机等,使得地面设备的品种和型式更加丰富。图至图展示了几种典型的地面设备其中图所示的车装式连续油管作业机结构相对较为简单移运方便灵活适合我国的道路和井场条件较小直径的连续油管作业设备通常采取这种结构形式图所示的拖车式连续油管作业机将各个工作机构集中布置在拖车上采用通用的牵引车移运适合较好的道路和井场条件较大直径的连续油管作业设备通常采取这种结构形式图所示的橇装式连续油管作业机采用??榛峁剐问礁萘凸茏饕祷幕固氐憬渲饕考治鲜实哪?橐虼酥圃煜喽越衔虻ビ糜诤I掀教ǖ牧凸茏饕瞪璞竿ǔ2捎谜庵纸峁剐问酵己屯妓镜淖源醭岛途艿牧凸茏饕祷峁菇衔丛悠渫怀鎏氐闶亲饕凳辈恍枰硗獾钠鸬跎璞傅圃耸倍缘缆泛途√跫囊蠼细咄妓镜淖ㄓ昧凸茏昃氨附峁蛊肴丛釉旒郯汗笠圃死哑渫怀龅慕峁固氐闶钦庵肿爸媒獵T滚筒置于注入头上方作业时省去了注入头的导向器消除了因导向器引起的CT弯曲和疲劳破坏因此能大大提高CT的使用寿命。图车装式连续油管作业机图拖车式连续油管作业机图橇装式连续油管作业机图拖车带吊车式连续油管作业机图拖车带井架式连续油管作业机美国HydraRig公司研制的复合型CTU除了配备常规CTU外还装备有钻台、天车、井架、游车、液压大钳等注入头、导向器与控制室置于钻台上采用自动控制技术、传感技术和数据采集系统对整套装备实施全面监控具有自动司钻功能。加拿大Dreco公司开发的用于北极或沙漠地区使用的CTU安装在该公司制造的重型自走式车上。该型CTU适合于~℃的环境下作业各部件封装在防碰框架结构内液压动力系统采用封闭和隔音结构。图专用连续油管钻井装备我国引进和利用连续油管作业技术始于世纪年代。年我国引进了第一台波恩公司生产的连续油管作业车。国内开展连续油管技术与装备的研究与开发始于世纪年代初主要由中国石油集团科学技术研究院江汉机械研究所承担。至今国内共引进连续油管作业车已超过台主要分布在大庆、四川、吉林、吐哈、塔里木等油田。海洋上使用的也有少数几台。年长庆石油勘探局井下处从美国引进的一套连续油管作业车于同年月日正式投入靖边气田施工作业深度m,主要用于抽吸气举、冲砂、排液等施工这套设备的引进不但对提高生产时效起到不可低估的作用还大大减轻了员工劳动强度。我国的江汉机械研究所、中国石油大学、西安石油大学均对连续油管作业车及配套装置进行过理论研究并取得一定进展但受制造工艺局限仍然不能满足现场要求。胜利机械厂试组装了一台连续油管作业车其注入头、滚筒等主要部件均是从大庆油田年代进口的一台连续油管作业车上拆装的。我国已研制成功了三种碳纤维抽油杆作业设备应用效果较好。胜利石油管理局工程机械总厂根据该厂第一代碳纤维抽油杆作业设备的不足研制了第二代全液压、智能控制作业设备。该作业设备具有起下井速度快、安全、可靠、具有起下加重杆的功能并能对起下井作业的大部分功能进行智能化控制具有数据显示、计算、存储、全程录像等功能整个系统安装在×越野车底盘上其越野性、机动性很好。西安石油大学研制了一种将杆柱起升(下放)与杆柱缠绕分别驱动的新型碳纤维连续抽油杆作业车。这种作业车采用全液压控制引入了智能控制技术进行作业过程的监控包括作业参数(悬重、杆长等)数字化测量显示、扶正器安装位置自动控制、安全操作自动报警等针对作业车对中井口难的实际情况将起升(下放)装置和缠绕盘设计成可移动式其主要特点是:起升(下放)载荷能力大起升(下放)作业时杆柱受力状况改善杆柱缠绕盘负载扭矩大幅降低作业过程自动化程度高、速度快,设备对井场环境的适应性强易损件少便于维修兼顾杆的运输和作业两项功能减少设备投资持续作业时间长。尤其在这一技术中的产品性能、节能效果与国外的专用作业车比较有一定的优势显示出了其大面积推广的巨大经济价值。作业车基本功能结构碳纤维连续抽油杆作业车是可移动式液压驱动的连续碳纤维抽油杆的起下、运输设备。作业车采用全液压控制引入了智能控制技术进行作业过程的监控作业车主要包括缠绕盘单元、光杆起升单元、碳素杆起升单元、液压控制单元、测控单元。作业车单元主要给车上的作业设备提供原动力并承担全套作业设备的运输工作缠绕盘单元主要承担碳素杆的缠绕工作光杆起升单元主要承担光杆和加重杆的起下作业工作碳素杆起升单元主要承担碳素杆的起下作业工作液压控制单元主要为碳素杆起升单元、光杆起升单元、缠绕盘单元提供液压动力并承担上述三个单元的控制工作测控单元完成主要作业参数(下泵深度、悬重、工作液温度、压力等)的测试功能。碳纤维连续抽油杆作业车的应用前景我国目前碳纤维连续抽油杆作业车数量较少但其应用需求很大因此其应用前景很好具有很好的市场开发价值。碳纤维连续抽油杆的特点及应用前景碳纤维连续抽油杆的发展历史为了克服普通钢抽油杆质量大、耗能高、失效频繁、活塞效应大、起下作业速度慢、易偏磨的缺点世纪年代初美国利用独特的航空航天材料和工程技术开始研制碳纤维抽油杆。经过多年的努力于年代初研制成功碳纤维抽油杆、专用的油井作业设备和碳纤维抽油杆钢抽油杆混合抽油杆柱设计软件并进行了矿场试验试验效果较好。我国从年开始研制碳纤维抽油杆现有四个制造厂:胜利石油管理局工程机械总厂、龙口博德复合材料有限公司、山东东辰集团碳纤维科技开发公司和嘉兴中宝碳纤维有限责任公司。它们研制成功碳纤维抽油杆、配套设备和碳纤维抽油杆钢抽油杆混合抽油杆柱设计软件并进行了矿场试验。试验结果表明:应用碳纤维抽油杆可以达到节电和增产的效果非常适用于深井的原油开采。根据科技查新的结果我国碳纤维抽油杆的研制和应用水平目前居国际领先水平。实验结果表明:碳纤维连续抽油杆是一种很有发展前途的特种抽油杆。在我国由于油田的超深井和高度腐蚀井采油逐渐增加因此碳纤维连续抽油杆在我国的应用前景十分广阔。碳纤维连续抽油杆的结构、特点及应用前景碳纤维抽油杆的结构碳纤维复合材料或称碳纤维增强塑料连续抽油杆(简称:CFRPC抽油杆)呈带状可缠绕到滚筒上(见图)它的横截面为矩形(见图)。增强材料:心部为碳纤维上下表面覆盖玻璃纤维布以提高碳纤维抽油杆的横向强度左右两侧面和棱角覆盖芳纶纤维布或玻璃纤维布以提高抽油杆的耐磨性能?;逦蚁┦髦捎美饭ひ丈?。图缠绕在滚筒上的CFRPC抽油杆转轴支承环滚筒CFRPC抽油杆图CFRPC抽油杆的横戴面碳纤维玻璃纤维布芳轮纤维布或玻璃纤维布碳纤维抽油杆两端部的连接结构见图其两表面上各贴一条用碳纤维复合材料做的加强带并打个螺钉孔。钢接头的一端符合API抽油杆规范以便和钢抽油杆、抽油光杆相连接另一端开一个槽有个内螺纹孔。将碳纤维抽油杆的端部插入钢接头的槽中用个螺钉固定。图CFRPC抽油杆的端部连接结构CFRPC抽油杆加强带螺钉钢接头碳纤维抽油杆的技术特点碳纤维连续抽油杆是一种带状矩形截面的抽油杆其主要增强相是碳纤维树脂是基体,经过拉挤成型具有强度高、重量轻、抗疲劳性能好、耐腐蚀等优点与普通抽油杆相比碳纤维连续杆具有优越的技术优势。柔性好连续可盘绕由于碳纤维抽油杆是柔性连续的最小曲率半径为mm可盘绕和运输。极大地减少了中间接头(钢杆平均米一个接头而碳纤维连续杆只有两个接头)减少了接头断脱事故的几率延长了杆的使用寿命和修井周期。重量轻、节能碳纤维连续抽油杆千米重量不足公斤而千米钢杆重量高达吨再加上接箍的活塞作用减少抽油机的电耗大幅度降低可以大大降低光杆载荷和减速器的扭矩达到节电的目的。同等条件下可降低抽油机规格减少设备投资。耐腐蚀耐疲劳表几种抽油杆材料物理性能表抽油杆种类密度(gcm)弹性模量(MPa)次载荷循环后剩余度(%)CFRPC抽油杆×普通钢抽油杆×钢连续抽油杆×玻璃钢抽油杆×高矿化度的地层水含有腐蚀介质,它们的存在对钢材会产生强大地腐蚀作用降低钢杆的使用寿命。碳纤维抽油杆为高分子复合材料在℃的酸碱溶液和原油中浸泡个月无任何变化具有很强的耐腐蚀作用。从几种抽油杆材料的物理性能表可以看出:碳纤维抽油杆的密度最小强度最高弹性模量介于钢抽油杆和玻璃钢抽油杆之间。经过次载荷循环后碳纤维抽油杆的剩余强度为原来强度的而钢抽油杆和玻璃钢抽油杆的剩余强度分别为原来各自强度的和。耐温高碳纤维连续杆是由耐高温的碳纤维和树脂复合而成,碳纤维的形成温度高达℃正??掌肪诚率褂梦露雀叽铩?树脂基体耐温℃两种材料复合后生产的碳纤维连续抽油杆耐温可达℃。加之碳纤维热膨胀系数低(接近于零)尺寸稳定性好在高温油井中会大大减少冲程损失。减轻了抽油杆对油管的磨损普通抽油杆与油管内表面接触是两圆内切接触点是一个这种点接触增大了正压力使接触部分磨损加剧。而碳纤维复合连续抽油杆是柔性的在偏斜的油井中与油管呈线性接触增大了接触面积延长了油管的使用寿命另外在偏磨井段安装了碳纤维扶正器其耐磨、耐温、耐腐方面均超过尼龙扶正器保证了碳纤维扶正器及抽油杆有较长的使用寿命。这种抽油杆为连续长杆件,只有上下两个接头,避免了采油过程中的活塞效应,并大大降低了接头断脱几率抽油杆的连续特性,有利于实现机械化作业,节省作业时间,降低劳动强度。与钢杆混合使用,通过调节弹性频率,可实现超冲程抽油,提高产油量。截面积小仅为钢制抽油杆的,从而大大减小了抽油杆服役过程中的上下冲程阻力。废杆可回收再利用,无环境污染。碳纤维连续抽油杆采油系统在我国油田的应用获得了初步的成功尤其是产品性能和节能效果均超过了国外的技术水平显示出其大面积推广的巨大经济价值。但是该采油系统的相关配套技术研究尚未深入开展应用中尚未充分发挥出该产品的潜力。碳纤维杆作业车夹持装置方案对比分析碳纤维连续抽油杆作业车起下夹持装置是整个作业车系统的一部分下面对齿轮组传动机构方案、动力方案和夹紧方案进行对比分析从中选择最佳方案。动力方案对比动力源选择常用的动力为电动机该起下夹持装置安装在作业车上作业车常在野外作业为其提供电源不方便若用内燃机发电则成本较高且效率不高。为适应流动作业采用汽车内燃机作为动力源提供一套液压系统工作机选择液压马达和液压缸。这样用液压系统为其提供动力不仅解决了动力问题而且液压系统具有更好的工作性能保证了夹持装置较高的工作要求。动力方案对比方案一如图所示采用两台旋转方向相反的液压马达驱动此种方案需要两台液压马达工作时两台旋转方向相反的液压马达驱动两个主链轮同时向相反的方向转动从而实现起下碳纤维连续抽油杆的作业过程。此方案不易保证两台液压马达在每一瞬时都具有相同的转速当两台液压马达的工况存在差异时就会使夹持装置两边驱动链条的牵引力发生波动从而增加了系统的不稳定性和不安全性。此外此种方案采用两台液压马达无疑会增加系统的复杂性及成本同时夹持装置的结构尺寸也会随之增大。方案二如图所示采用一台液压马达驱动链条牵引装置。此种方案采用一台液压马达通过中间装置实现夹持装置中两个主动链轮同时向相反方向的转动从而实现起下碳纤维连续抽油杆的作业过程。此方案保证了两个主动链轮同步的向相反的两个方向旋转消除了采用两台液压马达驱动所带来的波动和不安全性。同时采用此种方案也可以消除采用双液压马达驱动所带来的系统的复杂性和高成本同时也会大大减小装置的结构尺寸。通过以上两动力方案比较采用方案二的动力方案。夹紧方案对比分析常用的典型方案起杆缠绕器夹紧机构的设计:由起杆缠绕器的工作原理可知夹紧机构的功能是提供足够的夹紧力以保证抽油杆夹持块可以可靠的夹紧抽油杆。典型的夹紧机构为双油缸驱动方式和单油缸驱动方式。双油缸夹紧双缸机构有其不足之处如图)由于液压系统本身的特性两个夹紧油缸不容易用液压方式实现完全同步通常在注入器前后侧板上加定位滑块用机械方式保证双缸同步这样势必增加机械加工和装配的难度。另外定位滑块磨损、作业现场的恶劣条件都可能使定位滑块卡住影响夹紧机构的可靠性。)夹紧机构在夹紧油管时需较大的力松开时力很小。双缸机构利用活塞杆收回夹紧油管这时液压力作用在活塞与活塞杆间的环形空间由于活塞截面积大于活塞与活塞杆环空截面积在液压力相同的条件下活塞杆伸出的力大于收回的力显然双缸机构没有充分利用油缸的能力油缸使用不够合理。图双缸夹紧机构示意图图中:油管油管卡瓦链条油缸夹紧压块壳体单缸夹紧不用考虑双缸同步的问题加工简单安装方便。油缸伸出时夹紧油管在提供相同夹紧力的情况下可降低液压系统压力或减小油缸直径。更主要的是每一付夹紧压块少用一个油缸整个注入器将减少个油缸(包括张紧机构)可降注入器制造成本。同样张紧机构也可采用单缸杠杆方式。如图图单缸杠杆夹紧机构示意图图中:杠杆导向块油管卡瓦链条推杆夹紧压块油管油缸壳体本设计所采用的方案本设计的工程背景:)本起杆缠绕器机构所使用的碳纤维连续抽油杆的截面尺寸为:mm×mm长度为m。)在碳纤维连续抽油杆的下端接有长度为m~m的钢杆并且钢杆直径为Φmm~Φmm。在下面的设计计算中取极限情况(即长度为m、直径为Φmm)进行计算。)在抽油杆外部套有Φmm的油管。)抽油杆的起下速度为:m~mmin。本设计拟定的初步方案本设计采用汽车内燃机作为动力源提供一套液压系统工作机选择液压马达和液压缸。本设计采用单边夹紧方式其中左侧为能动端右侧为固定端。张紧轮分别由两个液压缸驱动两链轮中心距采用固定不可调方式。采用一台液压马达通过中间装置实现夹持装置中两个主动链轮同时向相反方向的转动从而实现起下碳纤维连续抽油杆的作业过程。对齿轮依次编号其中号轮与主动链轮轴连接号轮与液压马达连接号轮与固定端链轮轴连接。通过此方案实现两主动链轮的同步平稳运转。碳纤维杆作业车夹持装置设计分析碳纤维连续抽油杆夹持装置主要用于碳杆纤维杆的起下作业减小缠绕盘的扭矩保证平稳工作。夹持装置结构图所示:图夹持装置结构图夹持装置的工作原理–碳纤维杆对夹持块的摩擦力–张紧缸压力图整体载荷分析整体载荷分析如图其中左侧为能动端右侧为固定端。工作时分为两个独立单元一为夹紧单元一为起下单元。起下单元功率传递路线:液压马达–齿轮组–链轮、链条–夹持块–碳纤维杆夹紧单元功率传递路线:液压缸–托板–滚动轴承、夹持块支架、夹持块–碳纤维杆。起下作业时首先夹紧液压缸柱塞杆伸长推动托板使夹持块前移顶住碳纤维杆直至达到一定压力Fn保持定位不变。然后液压马达通过齿轮组和链轮带动两侧链条链条牵引夹持块转动在夹紧部分表现为起下运动由齿轮组分配液压马达的运动使两侧链条同步运动则夹紧碳纤维杆的夹持块同步起下完成作业。工作过程中汽车内燃机为动力源为液压马达、液压缸等液压执行件提供动力支持。链传动设计夹持块整体结构受力分析夹持块固定在支架上支架固定在三排链中间链的销轴上链的转动带动夹持块的运动。夹持块顶在碳纤维杆上工作时靠静摩擦力保持相对静止。夹持块运动时碳纤维杆也保持相对运动从而实现起下作业的功能??杉枷宋说钠鹣率强磕Σ亮κ迪值?。为了保证足够大的摩擦力必须提供足够大的正压力用液压缸来提供压力完全可以满足工作要求。夹持块受力分析如图。图夹持块整体受力分析Q:链条拉力f:碳纤维杆对夹持装置的静摩擦即工作载荷的一半kN加上碳纤维杆的自重密度为gcm规格mm×mm缠绕容量为m总质量为kg重为N则总载荷kNf:托板对夹持快托架滚动轴承的滚动摩擦取钢–钢滚动摩擦因数fm=则f=fm×Fn=×=kN取工作时一侧夹持块数目为则有个滚动轴承与托板接触则f=×=kN链条设计①选型根据结构特点采用三排链结构两侧链条与链轮啮合进行传动中间链去除套筒用来固定夹持块支架。链条受力分析如下图链条受力分析、链条两侧拉力由链轮提供载荷对夹持块的反作用力所以链条满足静强度准则Q≤()Q链条最大拉力极限抗拉载荷S–安全系数取S≥~代入计算得查表选择A型排链其基本参数如下:表A型链参数型号节距p滚子直径d销轴直径d内节内宽b内链板高度h排拒pt单排极限载荷三排极限载荷ISOBmmmmmmmmmmmmkNkN②链轮齿数链节数常取偶数为使链条和链轮磨损均匀常取链轮齿数为奇数并尽可能与链节数互质。优先选用的链轮齿数系列为链速为~ms综合考虑结合《机械设计计算手册》表初取链轮齿数z=。设计中取链轮的传动比为则各链轮参数相同。③链条长由国家安全标准高度以及作业车的高度确定两链轮的距离为mm由图所示()()==()L==()圆整后去L=链轮转速为n===()rmin()链轮设计基本参数如下:节距p=mm排距pt=mm滚子直径d=mm内链节内宽b=mm链轮齿数z=①主要尺寸分度圆直径d===mm()齿根圆直径df=d–d=–=mm齿顶圆直径da=dpd=()齿高ha=(pd)=mm()齿侧凸缘直径dg≤p×cot–h–=mm()取dg=mm②轴向齿阔尺寸齿宽bf==×=mm()倒角宽ba=p=×=mm()倒角半径≥p=mm取=mm()链轮齿总宽bf=(–)ptbf=×=mm()③齿槽形状齿侧圆弧半径remin=d(z)=mm()remax=d(z)=mm取re=mm滚子定位圆弧半径rimin=d=()rimax=d=mm取ri=mm滚子定位角min=–=()max=–=()取=链传动的张紧与润滑链传动张紧的目的主要是为了避免在链条的松边垂度过大时产生啮合不良和链条的震动现象同时为了增加链条与链轮的啮合包角。当中心线与水平线的夹角大于时常设张紧装置。张紧的方法很多结合本装置的特点采用张紧轮装置进行张紧。链条速度n=(~)ms型号A型查《机械设计》图–选择定期人工润滑。齿轮组设计如图所示传动方案为主动轮为能动侧齿轮。由于采用开式结构选用直齿圆柱齿轮级精度由《机械设计》表–选择、齿轮材料为Cr(调质)硬度为HBS、齿轮材料为钢(调质)硬度为HBS两者硬度差为HBS开式齿轮传动主要为磨损失效选择z=z=取传动比为则z=z=×=。齿轮组为开式传动按理应该根据保证齿面抗磨损及齿根抗折断能力两准则进行计算但对齿面抗磨损能力的计算方法迄今尚不够完善故对开式齿轮传动目前仅以保证齿根弯曲疲劳强度作为设计准则。M≥()图齿轮组载荷分析确定公式中的各计算数值:齿轮扭矩()齿轮扭矩Q–链条总拉力kNd–链轮分度圆直径mm。由《机械设计》表–选取齿宽系数=。由图知F=F即====弯曲疲劳许用应力由《机械设计》图–c查得、号轮弯曲疲劳强度极限==MPa==MPan=n=(~)rminn=n=in=×(~)=(~)rmin按每年工作天计算工作寿命年。()N==×由《机械设计》图–取弯曲疲劳寿命系数KFN=KFN=取安全系数S=则弯曲疲劳许用应力==MPa==MPa()齿高比初选d=d=mmd=mm齿轮线速度均相等则v==ms()齿宽b==×=mm()模数m==mm()齿高h=m=×=mm()=载荷系数K=()–使用系数查《机械设计》表–取–动载系数v=ms级精度查《机械设计》图–取–齿间载荷分配系数直齿取–齿向载荷分配系数查《机械设计》图–取代入得K=×××=齿形系数表齿形系数z()(z)(z)比较选择系数号大齿轮:==()号主动小齿轮:==()>故选择大齿轮值。齿轮尺寸计算由于号轮要带动两个齿轮啮合故号轮扭矩加倍。代入公式(–)m≥==查《机械原理》表–取m=则:分度圆直径为=mm取齿高系数=顶隙系数=尺顶圆mm()mm齿根圆mmmm()分度圆直径中心距a===mm齿宽b=×d=×=mm取b=mm齿轮的校核:查《机械设计》知齿轮的校核公式为:()则:由上知:MPa则:由上知:MPa则两齿轮满足强度要求。主动链轮轴设计基本参数转速nmax=rmin转矩T=Nm功率P===kW()链轮上的力圆周力Fe即链轮牵引链条力的反作用力Fe=kN压轴力FpKfp×Fe()Fe–有效圆周力kNKfp–压轴力系数垂直传动取代入得Fp×=kN初步确定轴直径选轴的材料为钢调质处理根据《机械设计》表–取A=于是dmin=A=×mm()取d=mm查《机械设计手册》表链轮轴孔的最大直径=mm则取d=mm满足要求。主动链轮轴结构设计①装配方案图图主动链轮轴装配图②轴向定位轴肩均取mm两端采用轴承端盖固定。根据《机械零件手册》表–参考基本额定动载荷比、极限转速比选取调心球轴承CW。③周向定位链轮键选择计算键材料选择钢查《机械设计》表–许用挤压应力p=(–)MPa取p=MPa。d=mmbf=mm查《机械设计》表–选键×L=mm强度条件为p=()T–传递转矩Nmk–接触高度k=h=×=mml–工作长度圆头平键l=L–b=–=mmd–轴直径mm代入得p=SKIPIF<=MPa>p可见连接挤压强度不够采用双键相隔布置其工作长度:l=×=mm。p==MPa≤p(合适)键标记为键B×GBT–齿轮键选择计算键材料选择钢查《机械设计》表–许用挤压应力p=(~)MPa考虑到工作情况取p=MPa。查《机械设计计算手册》知此齿轮传动的效率为η=。由()式知:此齿轮功率为:P==kW选轴的材料为Cr钢调质处理根据《机械设计》表–取A=于是dmin=A=×mm取d=mm由d=mmb=mm但其与轴接触处横向尺寸为=mm查《机械设计》表–选键×L=mm强度条件为p=T–传递转矩Nmk–接触高度k=h=mml–工作长度平头平键l=L=mmd–轴直径mm代入得p==MPa由上知:许用挤压应力p=(~)MPa考虑到此装置的特点挤压强度不够采用双键相隔布置其工作长度l=×=mmp==MPa<p(合适)键标记为键B×GBT–滚动轴承与轴的周向定位由过渡配合来保证此处取轴的直径尺寸公差为k圆角及倒角尺寸参考机械设计表–轴端倒角mm轴肩圆角半径mm。轴受力分析简图力分析如图所示从水平和垂直方向分析力矩再进行合成求总力矩。由图可知C截面力矩最大为危险截面。求轴上载荷轴承类型为CW型调心滚子轴承。根据计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图。各值计算如下:–齿轮切向力kN–齿轮径向力取啮合角×tan=kN由于齿轮布置位置原因要将这两个力在水平和竖直方向分解如图–所示。则kNkN–链轮圆周力前面已求得为kN–链轮压轴力前面已求得为kN结合图–计算如下:水平面:得kN得kN得垂直面:得–表示与图示反向=得=kN表载荷列表载荷水平面H垂直面V支反力RkNkN=kN最大弯矩M=N·m=N·mN·mN·m总弯矩MN·mN·m扭矩TT=N·m图链轮轴的载荷分析图图主动小齿轮与大齿轮受力图从轴的结构图及弯矩和扭矩图中可以看出C是危险截面。按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面(即危险截面C)的强度。根据上表中的数据以及轴单向旋转做弯扭合成强度校核计算由《机械设计》知:扭转切应力为脉动循环变应力取=()式中:轴的计算应力MPaM轴所受的弯矩N·mmT轴所受的扭矩N·mmW轴的抗弯截面系数mm对称循环变应力时轴的许用弯曲应力由《机械设计》表根据所采用键的类型知:前已选择轴的材料为Cr钢调质处理由《机械设计》表–查得=MPa。因此﹤满足弯矩要求因此轴满足弯矩强度要求。液压马达选择液压马达功率功率传递路径齿轮组为开式传动则根据功率传递路径功率满足()–齿轮啮合效率??饺〃C滚动轴承效率调心滚子轴承取–链传动效率取–链条至夹持块的支架总体效率取–最大工作状态所需功率即碳纤维杆起升时最大速度功===kW代入得液压马达功率P=kW液压马达转速夹持块与碳纤维杆保持相对静止而夹持块通过甲字固定在链条销轴上碳纤维杆起升速度即链条运转速度。碳纤维杆v=(~)ms链轮转速v=(~)rmin、号齿轮n=n=(~)rmin号齿轮n=(~)rmin其中液压马达与号主动齿轮转速相同则n=n=(~)rmin液压马达扭矩=输入转矩即液压马达转矩输出转矩即号轮转矩。T=××=Nm则:=Nm液压马达选择由宁波永联液压有限公司提供系列产品选择YLM–基本参数如下表液压马达参数型号排量(mlr)压力(MPa)扭矩(Nm)转速范围(rmin)重量额定压力最高压力额定扭矩单位理论扭矩YLM––kg液压缸选择夹紧液压缸起升时最大工作载荷G为kN夹持块对碳纤维杆的动力为静摩擦力f这一摩擦力是由托板压力Fn引起的而托板压力即夹紧液压缸的推力。碳纤维杆受力分析如下:Fn=()Fn–托板压力c–移动过程摩擦力系数取f–夹持块对碳纤维杆的摩擦力fm–夹持块与碳纤维杆的静摩擦力系数取m=S–安全系数取代入得为减小液压缸工作压力并考虑托板稳定性可选择个液压缸则每个液压缸工作压力Fm=kN。由于工作时托板与滚动轴承几乎不分离最大传送链移动边位移理解为液压缸的行程即s=m。由上知液压缸工作参数Fm=kNs=m=mmG:工作载荷f:夹持块对碳纤维杆的摩擦力Fn:托板压力图碳纤维杆分析参考榆次华意液压有限公司YHG系列冶金设备液压缸。其基本参数如下:表夹紧液压缸的基本参数型号缸径mm活塞杆直径mm(速比)工作压力Mpa最大行程mmHSG–dE推力kN拉力kN张紧液压缸起升作业时靠近碳纤维杆一侧链条为紧边远离一侧为松边考虑到齿轮组尺寸张紧一侧需用托板托起链条则另一侧必须有张紧装置否则易产生链条的堆积导致啮合不良。下降作业时靠近碳纤维杆一侧为松边另一侧为紧边此时夹持块运动是由链条通过两个链轮拉动的若不张紧主动链轮与托板间链条也易形成堆积产生卡死现象。将链轮布置成上下对称结构受力分析如图–。代入得kN参考榆次华意液压有限公司YHG系列冶金设备液压缸。其基本参数如下表张紧液压缸的基本参数型号缸径mm活塞杆直径mm(速比)最大行程mmHSG–dE缸体材料及固定缸体材料选择钢考虑到整个装置架子结构采用端部法兰连接。图–张紧链轮分析–链条拉力–链条拉力合力亦即张紧缸所受压力(–)–链条拉力最大载荷为kN–张紧时链条与液压缸轴线的夹角取=–考虑摩擦的计算系数一般取=~本设计取=S–安全系数取则:=kN显然张紧液压缸满足要求夹持块支架设计夹持块装置是夹持装置的重要组成部分夹持块固定在三排链中间的链轴上为保持夹持块工作的稳定将其固定在两根轴上。支架由三部分组成其结构如下图–夹持块支架顶顶部采用摩擦系数较大的材料用以保证提供足够的摩擦力。其与中部通过六角头螺栓连接螺栓规格GBTM×。夹持块支架中部整体铸造而成轴两端安装滚动轴承用螺母固定螺母采用六角薄螺母规格为GBTM。轴承采用深沟球轴承GBT–。夹持块与夹持块支架被装上中间链结时夹持块与夹持块支架是通过夹持块上的凸台与夹持块支架上的凹槽之间的滑动配合来实现的。当两个装置完全配合时夹持块支架上的开口与夹持块上支架的开口对准然后拿销钉固定起来来确保夹持块与夹持块支架之间的配合。夹持块支架与导轨选用的材料为铸碳钢夹持块选用的材料碳纤维。其是当今耐磨性能很好较优越的耐磨材料。夹持块轴承的选用由于碳纤维对夹持块的摩擦力为f=KN,碳纤维杆摩擦系数=则N=一共有个轴承来承担这个力,故F=表所选轴承参数轴承代号D(mm)D(mm)B(mm)(mm)(KN)起杆缠绕器单元的横、纵向位移作业车的起杆缠绕器单元需要实现一定的横、纵向位移其原因分析如下:(结合下图)。图起杆缠绕器横纵位移示意图横向位移由于起杆缠绕器单元布置在作业车的车尾因此只有通过倒车才能够使注入器单元C逐渐靠近井口A。根据查阅相关资料正常人在倒车过程中的横向误差可以控制在m以内。同时我们考虑到井口两侧的倒车积累误差及一定的安全系数我们认为:在靠近井口的倒车过程中倒车的横向误差可以控制在米以内。也就是说:正常情况下倒车结束之后起杆缠绕器单元C与井口A之间的横向距离最多不超过m。所以根据此条件在本设计中拟定起杆缠绕器单元C的最大横向位移为m。纵向位移根据作业现场所反馈来的情况由于作业车四周围的条件所限(如:井口四周有障碍物或者井口四周坑洼不平)作业车车尾无法直接靠到作业井口从而使注入器单元也无法直接靠到作业井口上。以致注入器单元无法进行作业。为了解决这个困难我们拟在本设计中使得起杆缠绕器单元能够进行纵向位移从而使得在作业车单元无法直接靠到井口的情况下起杆缠绕器单元可以通过自身的移动而直接靠到井口上进行作业。根据作业现场所反馈来的情况井口的障碍区可以控制在以井口A为圆心、半径m的区域内。因此根据这一情况我们拟定注入器单元的最大纵向位移为m。最大传送链移动边位移介绍一下本装置向井口中下入抽油杆的过程:首先向井中下入碳纤维抽油杆并且碳纤维抽油杆的下端接有长为~m、直径为Φmm~Φmm的加重钢杆。在将m的碳纤维连续抽油杆全部下入井中之后向井中下入光杆并且光杆与碳纤维抽油杆紧固连接这个接头的直径大约为mm。需要注意的是:在向井中下入杆件的时候(包括加重杆、碳纤维连续抽油杆和光杆杆段)注入器单元的夹紧块都必须牢牢的夹紧杆件。由于碳纤维连续抽油杆的厚度最大为mm所以当起杆缠绕器单元的夹紧压块牢牢地夹紧碳纤维连续抽油杆时光杆两侧的夹紧压块之间的距离最大为mm。特别是当碳纤维抽油杆与光杆的接头通过起杆缠绕器单元注入井中时起杆缠绕器单元的两侧链条上的夹紧压块之间的距离最少为mm。从这里就可以看出:起杆缠绕器单元的传送链必须能够移动。否则无法实现既能够夹紧碳纤维抽油杆又能让碳纤维抽油杆与光杆的接头通过注入器单元这一工作要求。同样由上述分析可知:起杆缠绕器单元的最大传送链移动边位移为()式中:为起杆缠绕器允许碳纤维抽油杆与光杆的接头通过时起杆缠绕器单元的两侧链条上的夹紧压块之间的距离为起杆缠绕器夹紧碳纤维抽油杆时起杆缠绕器单元两侧链条上的夹紧压块之间的距离由上述分析可知:在本设计中=mm=mm由上式知:==mm=m﹤m符合设计要求。碳纤维连续抽油杆作业车下放作业的平衡设计四点支撑工作平台的X轴、Y轴是根据水平倾角传感器的安装位置确定工作平台面上互相垂直的个轴。设、支腿连线方向的水平面线为X方向、支腿连线方向的水平面线为Y方向X、Y方向的正半轴向如图所示。调节个平面到水平状态的过程可以有单向调节和多点调节种方案。若采用多点调节,则各点都同时运动调整到一个预定点其特点是速度快但算法复杂。由于四点支撑的工作平台是一刚性结构其平衡处于静不定状态多点调节时每个撑腿的位移、速度均不相同条撑腿的运动相互制约具体控制算法难以实现而且由于每个撑腿的受力不一致而容易发生伺服电动机过载。因此系统采用单向调节的方案即先将X轴方向调平再将Y轴方向调平虽调节时间稍长但协调性好。调平过程中调节的是点的相对高度为了有效消除伺服传动系统的反向间隙和死区影响提高系统的调节精度具体调节过程中采用向最高点看齐的方法即保持相对最高点不同,把低点调高这样工作台就只做上升运动稳定可靠性好。碳纤维连续抽油杆作业车起下连续抽油杆时的平衡主要依靠作业车四周的四个液压缸桩腿和夹持装置底部的燕尾形导轨因此夹持装置底部导轨的强度对碳纤维连续抽油杆作业车起下作业时的平衡影响很大因此本夹持装置导轨的结构和强度对作业车起下作业时的平衡尤为重要考虑到本夹持装置的特点采用高强度结构钢的燕尾形导轨。夹持装置的纵向和横向的导轨稳固的焊接在作业车上。图作业车工作平台调节示意图欲使碳纤维连续抽油杆作业车起下作业时能够平衡就应使作业车在起下作业时其四周的桩腿都承受一定的压力而不会出现压力为或者为负压力即出现拉力。作业车和本夹持装置的纵、横向导轨稳固的焊接在一起这样就使夹持装置的纵、横向导轨和作业车及作业车四周的液压桩腿刚性的固连在一起因此在进行其的平衡分析时可将本夹持装置与作业车四周的液压桩腿视为一刚性体建立力学模型来进行平衡分析。当建立起力学模型时通过分析碳纤维连续抽油杆作业车四周的桩腿所受的力从而确定碳纤维连续抽油杆作业车的平衡设计方案。)通过力学模型的分析当碳纤维连续抽油杆作业车在起下作业时其四周的桩腿都承受一定的压力则由上分析知:此时作业车不会发生倾翻即作业车会依靠其四周的液压桩腿保持自身的平衡。不需要再做一些辅助的平衡设计。)通过力学模型的分析当碳纤维连续抽油杆作业车在起下作业时其四周的液压桩腿出现压力为或者负压力则由上分析知:此时作业车会发生倾翻即作业车会出现不平衡此时需设计作业车的辅助平衡方案例如可通过在出现压力为或者负压力的作业车液压桩腿处加平衡重物或者在其相反面设计可行的支撑或者可以通过重新优化结构布局和方案完成作业车的平衡设计。通过对上面两种情况的分析从而确定本设计在碳纤维连续抽油杆作业车起下作业时的平衡设计针对出现的不同的受力情况从而确定最终的作业车起下作业时的平衡设计方案。经济性评价碳纤维抽油杆与常规抽油杆相比具备许多优良特性它具有传统抽油杆所不具有的特性大大提高了采油量增加了经济效益这就使得碳纤维抽油杆作业车起下夹持装置有了一定的必要性。碳纤维抽油杆作业车起下夹持装置是由液压电动机齿轮链轮链和液压缸等组成的一个有针对性的装置碳纤维连续抽油杆作业车采用计算机控制作业过程全程自动监控设计集机、电、液一体化可用于起下泵、修井、采油的各个作业阶段。本设计针对碳纤维杆的特点将缠绕式起下改进为夹紧摩擦式起下解决了缠绕盘驱动扭矩过大的问题同时大大改善了碳纤维杆在起下过程中的受力状态其主要特点是:起下载荷能力大起下作业时杆柱受力状况改善杆柱缠绕盘负载扭矩大幅降低作业过程自动化程度高、速度快设备对井场环境的适应性强易损件少便于维修兼顾杆的运输和作业两项功能减少设备投资持续作业时间长大大提高了该装置的工作效率和经济性。对本装置所需的部件进行调查估计此装置大概需要万左右。随着碳纤维抽油杆的价格的下降相信在未来这种装置将会广泛应用在各个油田上。结论通过查相关资料以及指导老师的指导使得我对碳纤维抽油杆作业车起下夹持装置有了深入的了解也是我掌握了做设计所需要做些什么。通过做这次设计让我知道了许多关于碳纤维抽油杆作业车起下夹持装置:)碳纤维连续抽油杆作业车是一种集气、液、电一体化自动化程度高高效的碳纤维连续抽油杆专用作业设备。碳纤维连续抽油杆是一种具有许多常规抽油杆不具有的特点的一种应用前景很好的抽油杆碳纤维连续抽油杆作业车将会有广阔的应用前景和市场开发价值。)此次设计的碳纤维连续抽油杆夹持装置采用液压马达作为动力控制是一种理想的选择本次设计中采用液压马达工程液压缸采用液压控制充分考虑了各方面的工况和环境条件。)此碳纤维连续抽油杆作业车起下夹持装置的零部件最大限度的采用标准件和常用件。其主要动力设备如液压马达、液压缸均采用国内生产的工程液压马达和液压缸。本夹持装置的材料在满足强度的情况下也大量使用钢等性价比较好的材料。等等这些也在很大程度上的减少了设备制造的成本。)本次设计使我系统的进行了一次夹持装置的设计使我对机械装置设计的步骤和方法有了一个切深的体会本次设计使我对大学四年所学的理论知识进行了一次综合应用。本次毕业设计的工程制图环节使我的CAD制图能力得到了增强同时对我的工程思维能力、专业素质及与人合作、沟通的能力得到了增强。参考文献吴则中田丰张海宴等碳纤维复合材料连续抽油杆的特点与应用前景J石油机械():曹耀峰杨献平钢结构连续抽油杆技术特点及应用J石油机械():张嗣伟王奎升关于我国发展柔性连续抽油杆的几点看法J石油机械():高军碳纤维复合材料连续抽油杆的特点及应用J内蒙古石油化工:FoleyWLHensleyHN:RibbonrodimprovementsuckerrodtechnologyshowsneedtoreevaluatecurrentartificialliftinstallationsCSPE:MarwanSabahStefanDiaconuDavidLabonteShaneFleckWeatherfordInternationalLtdFlushbys:AHighlyEfficientandVersatileServiceTechnologyCin:IPTC:–HensleyHNTannerCJGraphitecompositetapeinbeampumpedoilwellCIn:SPEHoustonTexas:SocietyofPetroleumEngineersMAEhteshamAZhongREDomannHalliburtonTaperedODConnectionUsingaSpoolableConnectorCin:SPE:–LeeJFHensleyHNSpaceagematerialtechnologyexpendsbeamlifecapacityCIn:SPEHoustonTexas:SocietyofPetroleumEngineersAsifEhteshamRobertHowardJosephHriscuHalliburtonExtendingLifeandUsageofCTStringsbyHighPerformanceSpoolableConnectorCin:IPTC:–彭勇顾雪林常德友碳纤维连续抽油杆的应用现状及研究方向J石油机械()薛国锋周春玲碳纤维连续抽油杆采油配套工具研究J石油天然气学报(江汉石学院学报)()李颖孙希庆孟光玉等碳纤维复合材料柔性抽油杆技术性能及应用J石油机械():彭勇闫文辉顾雪林等碳纤维连续抽油杆作业车的研制J钻采工艺():薛承瑾耐温型碳纤维拉挤复合材料连续抽油杆的制备和性能研究J北京化工大学学报():朱波蔡华苏孙乃武碳纤维复合材料柔性连续抽油杆开发及应用J石油机械():肖世宏几种连续抽油杆的分析与比较石油矿场机械J():任国富张华光付钢旦等国外连续油管作业机的最新进展J石油矿场机械():张士诚李亭温庆志我国连续抽油杆的研究现状J石油矿场机械(增刊): 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