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螺紋套管密封試壓裝置設計 1 畢業(yè)設計（論文）書 設計題目： 螺紋套管密封試壓裝置設計 (機械和電氣控制系統(tǒng)設計 ) 目 錄 中英文摘 要 1 序 言 6 第一篇 機械部份設計 第一章 系統(tǒng)方案的擬 定 螺紋套管密封試壓裝置設計 2 7 第二章 機械部份各部件的設計校核及選 用8 11夾具部 份 8 12液壓馬 達 8 13聯(lián)軸 器 9 14滾動軸 承 10 15撥盤的設計與校 核11 16堵頭的設計與校 核12 17移動工作臺支承體重量估 計13 18導軌的設 螺紋套管密封試壓裝置設計 3 計 14 19 支架的設 計 17 第二篇電氣部份設計 第三章電氣線路設 計 18 21主回路設 計 18 22控制回路設 計 18 23控制電路電 源 19 24繪制電氣原理 圖19 第四章選擇電器元 件 螺紋套管密封試壓裝置設計 4 20 31電源引入開 關 20 32熱繼電 器 20 33熔斷 器 20 34接觸 器 20 35行程開 關 21 36壓力繼電 器 21 37控制按 鈕 21 螺紋套管密封試壓裝置設計 5 38信號 燈 21 第三篇英文摘要 Discussion 22 第四篇中文翻譯 討 論 23 第五篇總結(jié) 總 結(jié) 24 鳴 謝 25 參考文 獻 25 螺紋套管密封試壓裝置設計 6 中英文摘要 摘要： 本課題 TR-(N)PT 系列螺紋套管密封試壓裝置設計是南海合眾公司的技術(shù) 改造項目。螺紋套管是該公司 2001 年的新產(chǎn)品，該產(chǎn)品應用于海上油田勘探和 開采油田打井的快速鉆井技術(shù)中。設計在原有試壓裝置的基礎上，進行一些技 術(shù)上的改進，通過機械電氣控制將機械、液壓、電氣等技術(shù)融合在一起，使新 裝置在鉆井效率、降低成本、簡化工藝等方面有很好的發(fā)展，使其更具自動化 和人性化。在這里，主要進行的是機械和電氣控制系統(tǒng)的設計。 關鍵詞：螺紋、套管、試壓、機電、自動化。 螺紋套管密封試壓裝置設計 7 Abstract: The question for discuss the design of a equipment for the screw bushings pressurization and trial pressure, is a program of technique alteration in Hezhong corporation of south sea. The screw bushing which is mainly applied in the exploitation of flat roof on the sea, is a new product of this corporation in 2001. Based on the equipment which is now in use, the design make some technique alterations. It melt mechanism、 fluid drive and electric in a pot with the help of mechanical and electric control. As a result, the new equipment is more automatic and is full of humanism than before. In here, the main tasks are the design of mechanism and electric control system. Key words: screw、 bushing、 trial pressure 、 mechatronics、 automatization 螺紋套管密封試壓裝置設計 8 序言 時光東逝如流水，我在大學求學也即將期滿畢業(yè)，：雖不是學業(yè)有成，卻 有幸得到諸多師長的殷殷教誨和熏陶，這是我在大學四年里最大的收獲。尤其 在畢業(yè)設計期間，在校內(nèi)指導老師、班主任，校外工程師等師長的悉心教導下 我才能順利地完成這次畢業(yè)設計的任務課題。還有就是我各位同學的大力支持 和幫助！在此我一并由衷地向他們表示感謝！ 盡管如此,由于本人的水平有限,設計中難免存在不當和錯誤,希望得到各位 評委的批評和指正。 機械設計基礎是在我們學完了大學的絕大部分基礎課程|、技術(shù)基礎課程以 及大部分專業(yè)課程后進行的。這是我們在進行畢業(yè)之前對所學各課程的一次深 入的綜合性的實踐，也是一次理論聯(lián)系實際的訓練，因此，它在我們?nèi)甑拇?學生活中占有重要的地位。 就我而言，我希望能通過這次畢業(yè)設計對自己未來將從事的工作進行一次適應 性訓練，從中鍛煉自己分析問題、解決問題的能力，從而更好的以積極向上的 態(tài)度來對待工作能溶入到實踐中去，也為以后的工作打下一個良好的基礎。 我們做畢業(yè)設計目的是： 1.學生綜合分析和解決本專業(yè)的一般液壓系統(tǒng)技術(shù)問題的獨立工作能力，拓 寬和深化學生的知識。 2.學生樹立正確的設計思路，設計構(gòu)思和創(chuàng)新思維，掌握液壓系統(tǒng)設計的一 般程序.規(guī)范和方法。 3.學生正確使用技術(shù)資料.國家標準，有關手冊.圖冊等工具書。進行設計計 算.數(shù)據(jù)處理.編寫技術(shù)文件等方面的工作能力。 螺紋套管密封試壓裝置設計 9 4.學生今昔功能調(diào)查研究。面向?qū)嶋H。面向生產(chǎn)。向工人和工程技術(shù)人員學 習的基本工作態(tài)度.工作作風和工作方法。 由于能力有限，設計尚有不足之處，懇請各位老師給予指教。 第一篇 機械部分設計 第一章 系統(tǒng)方案的擬定. 1,螺紋套管的夾緊機構(gòu)仍采用合眾近海建設公司的作業(yè)現(xiàn)場的相同。雖然 操作上有點不方便，但從經(jīng)濟上考慮，從產(chǎn)量方面考慮,從夾緊的可靠性考慮， 采用現(xiàn)場設備，真正做到最大可能地利用原有設備。 2,擰緊機構(gòu)采用液壓馬達帶動旋轉(zhuǎn)撥盤撥動螺紋堵頭，將螺紋堵頭旋進套 管.采用的液壓馬達的扭矩很大，可達到 23000Nm 擰緊力,動力很大，能達到螺 紋套管所要承受的扭矩負載，省去了一個龐大的傳動系統(tǒng),使機構(gòu)簡單緊湊。 3,因螺紋套管兩頭都要安裝堵頭，為節(jié)省時間，提高工作效率，堵頭的旋 進采用兩邊同時進行，即兩邊運動機構(gòu)除旋轉(zhuǎn)堵頭不同外(一個為內(nèi)螺紋,一個為 外螺紋) ，其余部分均可做的相同,從工藝方面考慮，不用采用兩套不同的工藝， 在制造時，應使兩邊的零部件具有互換性，從而簡化工藝,提高系統(tǒng)的性價比。 4，系統(tǒng)的擰緊部份的傳動鏈如下：電動機-液壓泵- 液壓馬達-聯(lián)軸 器-旋轉(zhuǎn)撥盤 -堵頭。 5，整個系統(tǒng)的控制采用電氣控制。 6，在此基礎上，擬畫螺紋套管試壓裝置原理圖. 螺紋套管密封試壓裝置設計 10 第二章 機械部分各部件的設計校核與選用. 1夾具部分. 考慮到經(jīng)濟性及技術(shù)性要求，其定位是采用 V 形塊，螺紋套管上面也用 V 形塊壓住。夾緊依靠液壓缸推動連桿機構(gòu)將工件壓緊,其原理示意圖如下: 液壓缸用合眾公司現(xiàn)液壓缸,其校核已達到要求. 2 液壓馬達. 選根據(jù)參考資料 理論輸出扭矩T t = 馬達進出口壓力差P x 排量V 螺紋套管密封試壓裝置設計 11 及現(xiàn)場要求選用的馬達必須滿足: P X V = 23000N.M 在保證扭矩T t的情況下,初步選用該馬達的系統(tǒng)排量為6.3L/r. 所以馬達的壓力差 P = 2 23000/6.3 pa = 22.428 106pa =22.9Mpa 根據(jù)提供的數(shù)據(jù)資料: 用低速大轉(zhuǎn)矩馬達: 選用NJM型內(nèi)曲線徑向柱塞馬達: NJM型內(nèi)曲線柱塞馬達是多作用橫梁傳動 式徑向柱塞式低速大轉(zhuǎn)矩馬達.它具有結(jié)構(gòu)緊湊,效率高,轉(zhuǎn)矩大,低速穩(wěn)定性好等 優(yōu)點,一般不需要經(jīng)過變速裝置而直接傳動轉(zhuǎn)矩廣泛用于工程,礦山,器重,運輸,船 舶,冶金等機械設備的液壓系統(tǒng)中. 根據(jù)計算數(shù)據(jù)選取:NJM-G6.3徑向柱塞馬達 其型號標記為:NJM-G 6.3 技術(shù)參數(shù)如下: 排量 壓力 最高轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩 質(zhì)量 額定 / 最大 額定 最大 6.3L/r 25/32Mpa 40r/min 28849N.M 524kg 螺紋套管密封試壓裝置設計 12 3 聯(lián)軸器. 根據(jù)上面選用的馬達，由于轉(zhuǎn)矩最大達到 28849N.m 采用 GCL 型鼓形齒式聯(lián)軸器，其型號為 GCL11,如下圖,其技術(shù)參數(shù)為： 公稱轉(zhuǎn)矩:Tn=35500N.M 許用轉(zhuǎn)速:n=2350r/min 重量:m3=138kg 轉(zhuǎn)動慣量:J=4.941kg.m 2 軸孔長度 L=167mm. 軸孔直徑 d1=d2=120mm D=325mm D1=276mm D2=235mm A=81mm B=170mm C=14mm H=3.5mm 潤滑脂用量 V=550ml 4 滾動軸承. 軸承承受的力主要為徑向力，因而采用深溝球軸承，根據(jù)撥盤的直徑選取 軸承，選定為型號為 61928 的軸承,其技術(shù)參數(shù)為： 螺紋套管密封試壓裝置設計 13 d=140mm D=210mm B=24mm m4=1.496kg Cr=65.1KN Cor=67.2KN 61928 軸承的配合的選擇： 軸承的精度等級為 D 級，內(nèi)圈與軸的配合采用過盈配合 ,軸承內(nèi)圈與軸的配 合采用基孔制，由此軸的公差帶選用 m6，查表得在基本尺寸為 140mm 時， IT6DE 公差數(shù)值為 25um，此時軸的基本下偏差 ei=+0.015mm，則軸的尺寸為 mm。外圈與殼體孔的配合采用基軸制，過渡配合，由此選用殼體孔04.15 公差帶為 M6，IT6 基本尺寸為 210mm 時的公差數(shù)值為 0.029mm，孔的基本上 偏差 ES= -0.015，則孔的尺寸為 mm。015.42 5 撥盤的設計與校核. 撥盤的作用是將傳遞扭矩，將馬達的傳動傳到旋轉(zhuǎn)堵頭，為了裝拆的方便， 將撥盤撥動堵頭的部份用螺母將其和旋轉(zhuǎn)堵頭擰緊，以防止軸向運動時的沖擊。 馬達的轉(zhuǎn)矩靠聯(lián)軸器傳給撥盤，因聯(lián)軸器的孔為花鍵孔，所以撥盤的軸端也要 做成花鍵軸，以便同聯(lián)軸器聯(lián)接。 現(xiàn)設計的撥盤的形狀與尺寸如下: 螺紋套管密封試壓裝置設計 14 從上圖知道，撥桿軸最有可能的危險截面將會是 A-A 截面,撥桿軸采用高強 度合金鋼, =2545MPa,則由扭轉(zhuǎn)強度條件為 = :T TWT Wt=7.68 4108（16768）=0.8910 8mm3 Tmax/Wt=23000（0.8910 810-9）=2.5MpaT T 可見，撥桿軸的強度適合。 現(xiàn)校核花鍵強度，其中內(nèi)花鍵的型號是 INT40ZX3MX30Px7h, 因為此聯(lián) 接為動聯(lián)接，查有關資料可知此鍵的許用壓力【p】=3060MPa,現(xiàn)校核此花鍵： p= 其中 T=23000NM，Z=40，L=40 0.5m=188.4mmmzhld T3102 d =zm=120mm, h=0.8m=2.4mm 所以 p=2x23000 x103/9.8x40 x0.8x188.4x120 =29.6MPa, p【p】 可見此聯(lián)接是合理的。 撥盤的重量估計： m5=【（1202） 2160（1402） 2290（1532） 248284 228- 螺紋套管密封試壓裝置設計 15 15 230】10 9 7.8103 111kg 6堵頭的設計與校核. (1)堵頭為內(nèi)螺紋的堵頭. 堵頭的作用是在螺紋套管進行水壓實驗時，將螺紋套管密封起來的零件， 因水壓比較大，其強度要求也要求比較高的。同時在擰緊時，扭矩很大，其螺 紋部份也要做成和螺紋套管相匹配的螺紋形式。為了方便撥盤撥動堵頭旋轉(zhuǎn)， 堵頭的四周也要做出相應的孔，用螺栓連接。 現(xiàn)設計的堵頭的形狀及具體尺寸如下: 螺紋套管密封試壓裝置設計 16 因堵頭在工作時承受的扭矩較大,同時堵頭的注水壓力也較大,因此堵頭的材 料選用高強度的合金鋼，現(xiàn)對其與撥盤螺栓連接強度校核。 因為此螺栓聯(lián)接為受轉(zhuǎn)矩的螺栓組聯(lián)接，當采用普通螺栓時，靠聯(lián)接預緊 后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力矩來抵抗轉(zhuǎn)矩，由于此聯(lián)接中各螺栓的預緊程度相 同，即各螺栓的預緊力為 F，所以各螺栓聯(lián)接處產(chǎn)生的摩擦力均相等，假設此 摩擦力集中作用在螺栓中心處，由本設計的零件可知： 4fF K T 即 F0s0fr Ts4 查有關資料可知：f=0.15 K =1.2 T=23000NM r=265mms 代入上式公式里可求得 F 69452N 0 又根據(jù)螺栓危險截面的拉伸強度可知 = 【 】 ca2043.1D = =281MPa, 6795 螺栓的材料為 45 鋼，并經(jīng)過淬火后回火處理，查手冊得此材料的屈服極限為 =640MPas 所以 【 】= = 512MPa,經(jīng)計算此螺栓聯(lián)接是合理的。ps （2）堵頭螺紋接口為外螺紋的堵頭。 除接口處為外螺紋之外，其余的尺寸與（1）中堵頭的尺寸相同，螺紋的旋 合長度 L 也取為 80。具體的校核也就略去。 螺紋套管密封試壓裝置設計 17 堵頭的重量估計： m5=【（768/2） 240（329 2-2542）54】 109 7.8103 =202 取為 210。 7 移動工作臺支承體的重量估計。 由草圖上的尺寸，初步估計其重量 m7=600. 螺紋套管密封試壓裝置設計 18 現(xiàn)對移動工作臺與馬達螺栓聯(lián)接處校核 因為此螺栓聯(lián)接為受轉(zhuǎn)矩的螺栓組聯(lián)接，當采用普通螺栓時，靠聯(lián)接預緊 后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力矩來抵抗轉(zhuǎn)矩，由于此聯(lián)接中各螺栓的預緊程度相 同，即各螺栓的預緊力為 F，所以各螺栓聯(lián)接處產(chǎn)生的摩擦力均相等，假設此 摩擦力集中作用在螺栓中心處，撥銷插在堵頭相對應的孔中，在工作過程中， 主要承受堵頭的孔對其的擠壓作用力，同時撥銷還要承受堵頭的重量。馬達重 量 m=524kg , 則 G=5135N。采用八個螺栓，每個承受馬列達的重量： G1=G8=51358=614N， r=280mm, 因扭轉(zhuǎn)而使每個撥銷承受的最大力： Fmax=Tmax（8r）=23000（828010 -3）=10KN 由示意圖可知 2 撥銷所受的力最大，其受力大小為： F2 =G1Fmax=61410000=10614N 45 鋼的允許擠壓強度【 bs】=100Mpa 所以中間位置的螺栓的擠壓應力為： bs=10614（2403010 -6）=7Mpa=PdX103/(KUd)，可計算得到（式中 K 為經(jīng)驗常數(shù)， Pd 為電動機的額定功 率，U d 為電動機額定線電壓） ，則有 I=15X1000/(12X380)=33A。根據(jù)上面 的情況，選擇 CJ20-40 型接觸器，電磁線圈電壓為 380V。 中間繼電器全部選用 JL14-11ZQ 型交流中間繼電器，電磁線圈電壓為 螺紋套管密封試壓裝置設計 24 380V，觸點電流為 2.5A，動合觸點一對，動斷觸點一對，可滿足要求。 5 行程開關。 選用 LX19-K 型的有觸點行程開關，常開常閉觸點各一對，工作電壓為 380V，電流為 5A。 6 壓力繼電器。 選用型號為 HED40 的壓力繼電器。 7 控制按鈕。 全部選擇 LA2 型面板安裝式按鈕，其中 SB1，SB 2，為綠色， SB3 為紅色。 8 信號燈。 燈亮表明系統(tǒng)供電正常，正處于工作狀態(tài)。HL 選用 AD1 型，工作電壓為 380V，顏色為紅色，結(jié)構(gòu)為直接式。 第三篇 英文文摘 4 Discussion The energy balance study does not give all answers concerning the comparison of the HFPE concepts because it is purely static study of the engines features and it does not take into account dynamical characteristics.the dynamic characteristics which have influence on the engine operation are for example,speed of the piston,hydraulic valves and combustion.the effect of the auxliliary equipments was neglected as well. The speed of the piston has influence on the flow losses and it sets very high operation requirements for the hydraulic valves.The mechanical friction is higher as well.All three concepts have higher mean piston speed than the conventional diesel engine. 螺紋套管密封試壓裝置設計 25 The single and opposed HFPE deliver fluid flow only every second stroke (TDC-BDC) because their operation is not symmetrical as it is in the dual HFPE which produce flow with every stoke.As a result of this ,the single and opposed piston HFPE need larger hydraulic accumulators to compensate flow variaton.On the other hand in the single and oppose HFPE,it is possible to control flow more easily/1/. The combustion process has great influence on the engines total efficiency.The combustion process is influenced by other systems and processes like fuel injection system and scavenging process for example.The efficient combustion in the free piston engine requires very rapid combustion and fast and accurate fuel injection/7/. The scavenging process has another important role in the combustion,because efficient combustion requires pure mew air.The scavenging requirements are most easily implement in the opposed HFPE,stopping the piston in the BDC helps scavenging as well.On the other hand the intake and exhaust systems are more easy to tune if the engine has only one operating frequency like the dual HFPE. Auxiliary systems like fuel injection,cooling,electric supply or starting system were not handled in this study.All these systems have power requirements during or before engine running. The approximated power requirement for the systems is 3-6kw,which decrease the net effective out put of the engine. 第四篇 中文翻譯 4 討論 能量平衡學沒有完全正確回答有關于 HFPE 觀念的比較，因為它是純粹的能 量特征靜態(tài)學，而且它沒有將動態(tài)特征考慮進去，動態(tài)特征會影響引擎的工作， 比如活塞的速度，水力值和燃燒，輔助設備的作用效果也常常被忽略。 活塞速度受流程損失的影響，而且它對水力值要求較高的操作要求，對機 械摩擦要求也要求較高，所有三種觀念比傳統(tǒng)柴油引擎有更高的活塞理論速度。 螺紋套管密封試壓裝置設計 26 單一和非對稱 HFPE 每隔一沖程傳送流程一次（TDC-BDC）因為它們非對稱 的工作，就像在雙重的 HFPE 需要較大的水力積聚設備來償還流程損失，另一方 面，單一、非對稱 HFPE，更容易控制流程。 燃燒過程對引擎總效率也有很大影響，燃燒過程受其它系統(tǒng)和過程影響， 比如燃料流入系統(tǒng)和通風系統(tǒng)。在自由活塞引擎里，有效率的燃燒需要迅速的 燃燒和快速準確的燃料流入/7/通風過程在燃燒中是另一重要角色，國為有效的 燃燒需要純的新鮮空氣，在非對稱 HFPE 中，通風設備更容易實現(xiàn) ，阻停活塞 就像 BDC 中的清掃系統(tǒng)。另一方面如果引擎只有一個工作頻率，像雙重 HFPE， 那么吸氣和排氣系統(tǒng)更易調(diào)節(jié)。 輔助系統(tǒng)像燃料的流入、冷卻、電力供應或啟動系統(tǒng)都沒有列入研究中， 這些系統(tǒng)在引擎工作時或之前，需要動力驅(qū)動，這些系統(tǒng)需要大概 3-6KW 的電 力驅(qū)動，這將降低引擎的外在效率。 第五篇總結(jié) 畢業(yè)設計總算是完成了，在心情徹底放松一剎那，所感受的是一種收獲后 的喜悅。兩個多月的設計，所期待的不僅僅是一個結(jié)果。在設計過程中的每一 次前進，或許都比那結(jié)果要生動具體得多了。因為這個過程的每一次前進，都 是對大學四年所學東西的一個深化應用的過程。一次前進，就是一筆財富。 畢業(yè)設計是對以前所學知識的一次融會貫通的全面檢測；是對學生綜合運 用所學過的知識，提高理論聯(lián)系實際的設計與分析計算能力的培養(yǎng)；是對學生 圍繞某項專題收集閱讀，分析和運用資料的能力和學生進行獨立工作，科學研 究和解決工程實際問題的能力的培養(yǎng)。 螺紋套管密封試壓裝置設計 27 我的課題是南海合眾近海建設公司的一個技術(shù)改造項目。我所負責的是機 械和電氣系統(tǒng)部分的設計，另外一個合作者負責液壓系統(tǒng)的設計。在設計過程 中，真正體會到了實踐的重要性。我多次到南海合眾近海建設公司現(xiàn)場和學院 的實驗室去參觀學習，了解現(xiàn)場環(huán)境和設備，真正從實際出發(fā)來考慮自己的設 計。同時，廣泛深入圖書館，實事求是，認真查閱有關書籍資料，鍛煉了自己 的分析問題、解決問題的能力。因是兩人合作項目，在設計時，也充分體會到 了合作的重要性，培養(yǎng)了自己的團隊精神。不可否認，在這個過程中，也遇到 不少困難，所幸的是有指導老師施老師和張老師的悉心指導，起到了點石成金 的作用，大大啟發(fā)了我，使我能不斷前進。在這里，衷心向他們說聲謝謝。 設計的完成，給予了我很大的信心：我完全有能力利用自己所學的知識和 技能去完成我并不熟悉的任務。從這次設計中所學到的許多東西，是以前從書 本上所學不到的。設計過程中所培養(yǎng)的實事求是、嚴謹認真的工作作風，將成 為我以后工作的行為準則。再一次對兩位指導老師表示衷心的感謝！ 鳴 謝 在本次設計中得到了張世亮和施漢基二位老師悉心指導，在此表示衷心的感謝。 參考文獻 1、 雷天覺新編液壓工程手冊機械工業(yè)出版社，1999，12 2、 機械設計手冊編寫組機械設計手冊(1-5 冊)機械工業(yè)出版社， 1998 3、 機械制圖手冊編寫組機械制圖手冊機械工業(yè)出版社，1998，12 4、 實用機床設計手冊機械工業(yè)出版社， 螺紋套管密封試壓裝置設計 28 5、 劉鴻文材料力學(第三版)高等教育出版社，1992 6、 互換性與技術(shù)測量中國計量出版社，2000 7、 機械設計(第六版) 高等教育出版社，1996 8、 齊占慶機床電氣控制技術(shù)機械工業(yè)出版社，1999 9、 機床設計手冊機械工業(yè)出版社，1986 10、 實用機械電氣技術(shù)手冊機械工業(yè)出版社