铁钻工夹持拧卸机构研究与机液联合仿真分析

【摘要】铁钻工（IronRoughneck）是一种多功能、安全、高效的钻具设备，主要完成钻井作业中上/卸钻杆接头丝扣、正常钻进时卸方钻杆接头、上/卸钻挺、甩钻杆、活动井下工具等工作，是实现钻井自动化作业过程中重要的辅助设备。因此，研发适合国情且具有行业前瞻性的上/卸扣钻具设备——铁钻工，对顺利、高效地完成国家深部大陆科学钻探项目乃至加快推进我国石油机械行业的现代化与自动化，具有重要意义。机电液一体化作为机械、电子、液压等多学科理论相互融合的产物，其重要性在包含石油机械在内的重工领域日益凸显。从联合仿真技术的角度，以铁钻工夹持拧卸机构为对象，开展对机电液一体化设备的研究，对综合协调各子系统的相关设计以及物理样机调试具有重要的现实意义。针对传统上/卸扣钻具设备如液压大钳（PowerTong）以及部分型号的铁钻工在使用过程中出现的钻具损伤严重、自动化程度不高等现实问题，本文对铁钻工的关键部件——夹持拧卸机构展开相关研究，以期在完成上/卸扣作业的基础上实现保护钻具与提高效率的目的。本论文具体从以下几个方面展开论述：首先，通过对国内外铁钻工的发展历史及现状的相关研究，论述了当前铁钻工的研究进展与发展方向。其次，在详细分析铁钻工上/卸扣钻具的原理及结构的基础上，提出几种夹持拧卸机构的设计方案，通过分析对比几种方案优劣，根据项目要求，确定最终方案。进一步设计了液压系统原理图，根据机构负载情况，选择了液压缸并进行了校核。第三，对铁钻工夹持拧卸机构建立动力学模型，进行运动学与动力学分析。把三维软件绘制的夹持拧卸机构三维模型导入动力学仿真软件ADAMS，根据运动学、动力学相关理论，建立约束关系，定义外载荷。在此基础上，运行仿真计算，分析所得仿真结果。第四，建立铁钻工夹持拧卸机构的液压系统仿真模型，进行仿真分析。根据液压原理图及工况要求，选择合适的负载敏感泵与负载敏感比例换向阀，在分别完成二者的数学建模的基础上，分别搭建二者的AMESim模型，并将仿真所得特性曲线与样本特性曲线对比，验证建模准确性。据此，建立液压系统的仿真模型，运行计算，分析所得曲线。最后，在多领域仿真软件AMESim中创建联合仿真接口，连接导入ADAMS动力学模型，完成联合仿真模型的建立。运行仿真，对仿真结果做分析。此外，根据得到的结果对关键部件——钳牙、钻杆接头处、拧卸活塞杆进行静力学分析，该分析结果对于系统结构的优化改进及控制策略的制定具有重要的参考意义。
【作者】占自涛；
【导师】沙永柏；
【作者基本信息】吉林大学，机械电子工程，2014，硕士
【关键词】铁钻工；夹持拧卸机构；负载敏感；联合仿真；静力学；

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