模塊化設計在鉆井泵組中的應用

□ 張志偉 □ 郝建旭 □ 李永飛

1.寶雞石油機械有限責任公司 陜西寶雞 7210022.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心 陜西寶雞 721002

1 研究背景

鉆井泵組是鉆機的主要部件,基于鉆機的布局具有多種結構形式,因此存在較多的重復設計。對泵組劃分出一些通用性較強的功能模塊,設計時根據鉆機的配置要求對這些模塊進行選擇,可以構成不同配置的泵組,在工業設計應用中已較為普遍[1-3]。鉆井泵組主要由鉆井泵、底座、灌注系統、潤滑油路、噴淋系統、動力裝置等部件組成,這些部件之間的接口一般不變。對于不同的設計人員而言,接口需要逐一核對,尤其是核對不同泵組部件之間借用的情況。

對鉆井泵組進行模塊化設計的目的是減少重復性設計。模塊化設計能夠很好地展現泵組的整體結構布局,避免出現相同或類似結構的重復設計,從而有效縮短泵組產品的設計開發周期,降低生產成本,增強產品宣傳與用戶交流,具有現實意義[4-5]。

2 模塊化設計的應用

2.1 模塊劃分

鉆井泵組的結構如圖1所示,主要包括鉆井泵、底座、灌注系統、潤滑油路、噴淋系統、動力裝置等部件。鉆井泵組設計時,這些部件間的接口一般不發生變化,并且這些部件與鉆井泵組都存在互相對應的接口裝配關系。

▲圖1 鉆井泵組結構

根據模塊化設計理論，將泵組劃分為相對獨立的九個模塊。模塊內部結構根據需要可以進行重新設計,以形成不同的模塊實體[6-9]。鉆井泵組模塊劃分如圖2及表1所示。

▲圖2 鉆井泵組模塊劃分

表1 鉆井泵組模塊劃分

2.2 接口規劃

鉆井泵組模塊接口劃分見表2,在鉆井泵組結構不變的前提下,這些接口不會變化。在接口規劃時,將兩個部件用于連接的接口部分分別設計為針端、孔端形式,然后通過接口實體坐標系的方向設定兩個模塊的安裝方向。鉆井泵組模塊化設計中,規定坐標系Z軸由針端指向孔端。因鉆井泵組部件存在較多的接口,故需要對不同的接口坐標系進行命名。當選擇不同模塊時,可以通過不同的接口信息進行鉆井泵組的自動裝配,并最終形成功能相同但配置不同的鉆井泵組[10]。部分接口實體如圖3所示。

表2 鉆井泵組模塊接口劃分

2.3 骨架建模

鉆井泵組模塊骨架劃分見表3。鉆井泵組各模塊及接口劃分后,由于不同模塊有空間布局的限制,因此根據每個模塊的最大允許空間要求來對各個模塊進行骨架設計。部分骨架實體如圖4所示。各個骨架通過相對應的接口裝配成鉆井泵組模板后,不應存在干涉的情況。

▲圖3 部分接口實體

表3 鉆井泵組模塊骨架劃分

2.4 骨架模型裝配

鉆井泵組各模塊的骨架建模完成后,按照規劃好的接口信息,將各骨架模型通過相應的接口坐標位置關系裝配為鉆井泵組模板,如圖5所示。后期不同的設計人員在設計相應的模塊時,應以骨架的包掠空間為邊界,以骨架上的接口為基礎,對骨架所對應的模塊進行詳細設計。

2.5 泵組模塊實體設計與擴展

鉆井泵組骨架模型裝配完成后,設計人員可以根據需要在模塊骨架及接口的基礎上進行各個模塊的詳細設計,部分模塊實體如圖6所示。由于不同的設計人員在模塊詳細設計時所參照的接口及骨架是不變的,因此各模塊設計完成后通過接口信息就可以裝配成相對應類型的鉆井泵組,并且各個模塊之間不會產生干涉。

▲圖4 部分骨架實體

▲圖5 鉆井泵組模板

▲圖6 部分模塊實體

3 基于軟件平臺的設計

鉆井泵組接口實體、骨架實體、模塊實體統一導入Teamcenter軟件文件庫,并在Rulestream產品配置器中形成可供選擇的各類型鉆井泵組模板。模板選定后,Rulestreem產品配置器自動調用相關的模塊,如圖7所示。模塊選擇完成后,在Rulestreem配置器中可以自動生成鉆井泵組的配置清單,如圖8所示。同時自動啟動Unigraphics NX設計軟件，將所選的模塊自動裝配成相對應的鉆井泵組三維模型,如圖9所示。

▲圖7 模塊調用界面

▲圖8 鉆井泵組配置清單界面

▲圖9 鉆井泵組三維模型界面

4 結束語

筆者研究了模塊化設計在鉆井泵組中的應用。模塊化設計將鉆井泵組部件之間的接口標準化,并通過Rulestream配置器對不同類型的鉆井泵組與相對應的模塊建立裝配關系,縮短了鉆井泵組的設計周期。

通過Rulestream配置器,設計人員可以快速完成滿足需求的新鉆井泵組設計,并且能夠直觀形象地向用戶進行展示。

通過在Rulestream配置器中選擇對應的鉆井泵組模塊,并通過自動調用Unigraphics NX軟件,可以實現新鉆井泵組的快速自動裝配,生成用于指導生產的產品配置單。

由于鉆井泵組各模塊是以不干涉骨架模型及不變接口為基礎進行設計的,因此不同設計人員設計鉆井泵組時,不會出現模塊間的干涉,從而保證了鉆井泵組裝配的正確性。

通過對鉆井泵組模塊進行詳細設計,形成每個模塊的產品結構樹,同時導出相應的配置清單,可用于指導生產。