铁钻工冲扣钳结构优化与钳牙承载能力分析

作     者：侯香港 

作者单位：西安石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：彭勇

授予年度：2023年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 082001[工学-油气井工程] 08[工学] 

主      题：铁钻工 冲扣钳 机构优化 钳牙 力学分析 

摘      要：在石油钻井、修井过程中钻柱(管柱)的上卸扣是起下钻作业中的关键环节,铁钻工是当今钻柱(管柱)上卸扣作业自动化程度最高的装备。冲扣钳作为铁钻工重要的执行机构,它的作用是完成上扣和卸扣的动作,承载着极大的载荷。其中,钳牙性能的优劣会直接的影响到铁钻工上卸扣的工作效率,但是传统的钳牙在进行冲扣时会咬入钻柱(管柱)。通过对目前国内外的铁钻工的发展状况进行总结,分析目前铁钻工存在的问题,列举几款性能优异的铁钻工产品,并对目前铁钻工冲扣钳所使用的钳牙形式进行分析研究,从而确定了研究课题所需要的研究内容。对铁钻工冲扣钳的结构、工作原理、技术参数和运动状况等方面进行分析说明,确定具体的结构形式,使用Solid Works绘图软件建立冲扣钳相关核心部件的三维模型。以滚子式钳牙代替传统的钳牙,这会显著的减少钻柱(管柱)的损伤。通过设计一种全新的铁钻工冲扣钳的旋转机构,该机构可以使铁钻工钳体连续地旋转,实现冲扣和旋扣连续不间断运行,以达到提高工作效率的目的,同时可简化铁钻工结构。分析了滚子式钳牙与钻柱(管柱)之间的接触应力情况,并得出滚子式钳牙承载能力分析模型,进而得出了影响承载的能力的相关因素,并利用有限元软件对夹紧臂进行应力分析校核。对影响滚子式钳牙承载能力的参数进行敏感性分析,得出对承载能力影响最大的参数,完成的有限元分析模拟验证了相关参数组合下滚子的承载能力。进行冲扣机构和滚子式钳牙的试验研究,利用MATLAB软件对钳牙的影响参数和关键机构之一的蜗轮蜗杆传动系统进行优化。并对优化后的钳牙进行有限元模拟,以保证冲扣钳进行冲扣时的稳定性和可靠性。