石油鉆機起升系統的模塊化設計系統研究與開發

陳悅軍，孫漢卿，解文芳，方力平，張　力，胡海明

（1.上海藍濱石化設備有限責任公司，上海201518；2.上海藍海科盛石油裝備有限公司，上海 201518；3.蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅　蘭州730050）

石油鉆機起升系統的模塊化設計系統研究與開發

陳悅軍1，孫漢卿2，解文芳1，方力平1，張力3，胡海明1

（1.上海藍濱石化設備有限責任公司，上海201518；2.上海藍海科盛石油裝備有限公司，上海 201518；3.蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅蘭州730050）

模塊化設計技術是近年來迅速發展并普遍采用的一種現代設計方法。用模塊化設計方法代替傳統的鉆機設計方法，可實現鉆機的快速設計。本文以石油鉆機起升系統為研究對象，以Window7作為軟件開發和運行的操作系統，基于Visual Basic 6.0可視化編程語言和Access數據庫技術研究開發了一套計算機輔助模塊化設計系統，該研究對于石油企業加快鉆機產品開發速度，提高設計效率，降低設計成本具有十分重要意義。

鉆機起升系統；模塊化設計；數據庫；模塊管理

隨著全球工業的迅速發展，石油資源消耗劇增，全世界范圍內出現了石油資源短缺，石油開采難度日益復雜。為提高石油產量，就必須快速設計出滿足實際需求的石油鉆機以響應市場的需求。石油鉆機作為石油行業廣泛使用的大型機械設備，具有多種型號、多種規格、且生產周期長。傳統的鉆機設計方法設計效率低、設計成本高且生產周期長，已不能快速響應市場需求［1］。模塊化技術較好地解決了這一矛盾，利用模塊化設計技術，將鉆機劃分為若干模塊，建立模塊數據庫，借助計算機輔助管理，研究開發有效可靠的計算機輔助模塊化設計系統，以實現鉆機起升系統零部件的快速設計、查詢，縮短了設計周期，提高了設計效率，對企業實施模塊化戰略，制造模塊化產品，有十分重要的意義。

1　鉆機起升系統模塊劃分

模塊化設計是通過有限的通用化部件 （基本模塊）組裝成滿足用戶個性化需求的多種功能和用途的產品［2～3］。它包括模塊劃分和模塊選擇。模塊劃分應遵循合理的劃分原則。按照產品生命周期、產品復雜程度和模塊繼承性的三維模塊劃分原則對鉆機進行模塊劃分。圖1為三維維系模塊劃分示意圖。

由鉆機的生命周期可知，鉆機的模塊劃分應側重于設計、制造、裝配和維修。按產品復雜程度，鉆機屬于大型復雜產品，在進行模塊劃分時，不但要保證模塊的完整性和獨立性，還要注意模塊的層次，按照鉆機設計的繼承性，所劃分的模塊要保證模塊之間弱耦合，模塊內部之間強耦合［4］。最終得到的鉆機模塊劃分方案如圖2所示，將鉆機分為傳動系統模塊，動力系統模塊，起升系統模塊等八大一級模塊，其中一級起升系統模塊可分為絞車模塊和游動系統模塊的二級模塊等，最終可將鉆機起升系統劃分為絞車模塊，天車模塊，游車模塊，大鉤模塊，鋼絲繩模塊等［5］。

圖1　三維維系模塊劃分示意圖

圖2　鉆機模塊劃分

2　起升系統模塊編碼及數據庫建立

對鉆機起升系統進行模塊劃分之后，建起升系統模塊數據庫以實現計算機對模塊的管理。為了方便計算機對模塊的檢索查詢，需要對模塊進行編碼。利用成組技術將模塊歸類，采用OPITZ編碼方法對模塊進行編碼［6～7］。編碼包括用于區分不同模塊的識別碼和表示模塊特征的信息碼。在區分不同模塊時，識別碼可采用模塊英文單詞或者漢語拼音的首字母命名。如絞車：JiaoChe-JC，天車：TianChe-TC等。特征信息碼用來描述模塊的具體結構參數和性能特征。鉆機起升系統各模塊編碼的具體形式見表1，每個模塊分別對應的特征信息碼見表2～5。

表1　鉆機起升系統模塊主碼

表2　絞車模塊特征信息碼

表3　天車模塊特征信息碼

表4　游車模塊特征信息碼

表5　大鉤模塊特征信息碼

表2～5最后一列均為以后擴充預留空間。以ZJ40鉆機為例，起升系統模塊具體參數在表6中列出，根據以上編碼方式，編碼如下：

表6　某鉆機起升系統模塊參數和編碼

編碼完成之后，建立鉆機起升系統模塊數據庫，數據庫中應包括模塊質量，制造廠商，模塊編碼等完整模塊信息，以便后期對模塊的準確查詢的檢索。

3　鉆機起升系統計算機輔助模塊化設計系統開發

以Window7作為軟件開發和運行的操作系統，基于VisualBasic鉆機起升系統計算機輔助模塊化設計系統包括模塊設計、模塊管理、用戶管理三大主要子系統。模塊設計是模塊化設計思想的主要體現，對各種設計資源的具體操作；模塊管理用于管理各種設計資源，實現模塊的查詢檢索；用戶管理是對該系統使用者安全使用的權限設置。系統展示如下：

3.1系統登錄界面和主界面

系統登錄界面如圖3所示。輸入正確的用戶名的和密碼，進入系統主界面（圖4）。主界面包括菜單欄，主窗口和狀態欄。菜單欄主要顯示系統的功能，主窗口顯示系統名稱，設計者，軟件授權信息等。狀態欄顯示系統運行時間，操作用戶等信息。

圖3　系統登陸界面

圖4　系統主界面

3.2模塊設計界面

若數據庫沒有適合的模塊，需要對起升系統各部件重新設計。圖5為模塊設計菜單。“模塊設計”子模塊包括參數設計計算、絞車模塊設計、天車模塊設計、和鋼絲繩選用等。部分設計窗口如圖6～9。可利用該子模塊得到各模塊的主要參數，后期通過CAE分析等方法來驗證設計的合理性，進而將滿足要求的模塊存入數據庫，以備下次設計選用。

圖5　模塊設計菜單欄

圖6　滾筒尺寸參數初步設計窗口

圖7　滾筒軸尺寸參數初步設計窗口

圖8　天車滑輪尺寸參數初步設計窗口

圖9　鋼絲繩斷裂拉力計算窗口

3.3模塊管理界面

模塊管理子系統界面如圖10所示。模塊管理界面包括絞車、天車、游車和大鉤模塊管理子界面，其中每個子界面又包括模塊的添加、修改和查詢界面。部分模塊管理界面如圖11～14。

以絞車模塊為例，在如圖11窗口點擊“添加”按鈕，讀取程序便可在“絞車編號”文本框按順序自動顯示新添加模塊的編號。如圖11所顯示的“MJC1010”，依次在個文本框中填入模塊參數，點擊保存便可以將新模塊添加到絞車模塊數據庫。

圖10　模塊管理菜單欄

圖11　絞車模塊添加界面

以天車模塊為例，當需要刪除某天車模塊信息，在如圖11窗口點擊“刪除”按鈕可完成絞車模塊的刪除。

圖12　天車模塊刪除界面

以大鉤模塊為例，當已儲存的編號為MDG4011的大鉤模塊數據有誤，需要對該模塊參數訂正。在如圖13窗口的 “大鉤編號”文本框輸入該模塊編號，“回車”之后便會自動顯示該模塊的各項信息，修改錯誤信息點擊保存便可完成該大鉤模塊修改。

以游車模塊為例，通過設計界面得到游車模塊的一些具體參數，需要根據已得參數檢索數據庫來得到滿足要求的游車模塊，圖14給出了按照游車編碼查詢模塊的實例。

圖13　大鉤模塊修改界面

圖14　游車模塊查詢界面

4　系統合理性驗證

以ZJ70DB鉆機天車滑輪為例，通過天車滑輪設計窗口（圖15）輸入相關參數計得到天車滑輪尺寸。

表7給出了該鉆機天車滑輪設計值和實際值的對比，可知該系統計算結果與實際結果能較好吻合，誤差小，說明系統設計準確可靠。

表7　滑輪計算結果和實際值對比

依據天車滑輪設計窗口求得的滑輪外形參數及所受載荷，采用實體建模對滑輪進行有限元分析，加載及求解結果如圖16～18。

圖16　天車滑輪邊界條件及加載

圖17　天車滑輪拉移云圖

圖18　天車滑輪應力云圖

由圖17可知，滑輪的最大變形量為0.0705mm，完全滿足剛度要求。由圖18可知，最大應力為65.5MPa。由公式：

材料的屈服極限σS=835MPa，可求得安全系數n=13，滿足強度要求。從而證明了通過該軟件系統所設計的天車滑輪模塊符合使用要求。驗證了系統的合理性。

5　結論

1）基于模塊化設計理論，按照三維維系模塊化劃分原則，對石油鉆機進行模塊劃分，得到了石油鉆機的模塊劃分方案，對鉆機模塊化設計有一定的參考價值。

2）采用成組技術及OPITZ編碼方法，對絞車、天車等模塊進行編碼，建立了鉆機起升系統模塊數據庫，最終實現了計算機對模塊的快速檢索和查詢。

3）基于Visual Basic6.0開發了一套鉆機起升系統計算機輔助管理系統，實現了模塊的快速設計、查詢，并通過實例驗證了該軟件系統的合理性，對縮短鉆機設計周期，提高設計效率有重要意義。

［1］ 馮定，唐海雄.模塊鉆機的現狀及發展趨勢［J］.石油機械，2008，36（9）：143-147.

［2］ 童時中.模塊化研究及實踐的現狀和發展［J］.電子機械工程，2011，27（2）：3-8.

［3］ 祁卓婭.機械產品模塊化設計方法研究［D］.北京：機械科學研究院，2006.

［4］ 馮定，華北莊，周迪勛.鉆井機械模塊化設計研究［J］.江漢石油學院學報，1997.

［5］ 陳如恒.鉆機的模塊化設計系列專題之三［J］.石油礦場機械，2004，33（4）：1-8.

［6］ 黃建龍，吳志剛，孫付仲.基于成組技術的數控臥式車床模塊化設計.機床與液壓［J］，2012，7：110-112.

［7］ 吳志剛.基于SolidWorks的數控臥式車床模塊化設計系統的硏究與開發［D］.蘭州：蘭州理工大學，2012.

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