陳悅軍，孫漢卿，解文芳，方力平，張　力，胡海明

（1.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海201518；2.上海藍(lán)海科盛石油裝備有限公司，上海 201518；3.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅　蘭州730050）

石油鉆機(jī)起升系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究與開發(fā)

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(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海201518；2.上海藍(lán)?？剖⑹脱b備有限公司，上海 201518；3.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州730050）

模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)是近年來迅速發(fā)展并普遍采用的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。用模塊化設(shè)計(jì)方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉆機(jī)設(shè)計(jì)方法，可實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的快速設(shè)計(jì)。本文以石油鉆機(jī)起升系統(tǒng)為研究對(duì)象，以Window7作為軟件開發(fā)和運(yùn)行的操作系統(tǒng)，基于Visual Basic 6.0可視化編程語言和Access數(shù)據(jù)庫技術(shù)研究開發(fā)了一套計(jì)算機(jī)輔助模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該研究對(duì)于石油企業(yè)加快鉆機(jī)產(chǎn)品開發(fā)速度，提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)成本具有十分重要意義。

鉆機(jī)起升系統(tǒng)；模塊化設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)庫；模塊管理

隨著全球工業(yè)的迅速發(fā)展，石油資源消耗劇增，全世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了石油資源短缺，石油開采難度日益復(fù)雜。為提高石油產(chǎn)量，就必須快速設(shè)計(jì)出滿足實(shí)際需求的石油鉆機(jī)以響應(yīng)市場(chǎng)的需求。石油鉆機(jī)作為石油行業(yè)廣泛使用的大型機(jī)械設(shè)備，具有多種型號(hào)、多種規(guī)格、且生產(chǎn)周期長。傳統(tǒng)的鉆機(jī)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)效率低、設(shè)計(jì)成本高且生產(chǎn)周期長，已不能快速響應(yīng)市場(chǎng)需求［1］。模塊化技術(shù)較好地解決了這一矛盾，利用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，將鉆機(jī)劃分為若干模塊，建立模塊數(shù)據(jù)庫，借助計(jì)算機(jī)輔助管理，研究開發(fā)有效可靠的計(jì)算機(jī)輔助模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)起升系統(tǒng)零部件的快速設(shè)計(jì)、查詢，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)效率，對(duì)企業(yè)實(shí)施模塊化戰(zhàn)略，制造模塊化產(chǎn)品，有十分重要的意義。

1　鉆機(jī)起升系統(tǒng)模塊劃分

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

由鉆機(jī)的生命周期可知，鉆機(jī)的模塊劃分應(yīng)側(cè)重于設(shè)計(jì)、制造、裝配和維修。按產(chǎn)品復(fù)雜程度，鉆機(jī)屬于大型復(fù)雜產(chǎn)品，在進(jìn)行模塊劃分時(shí)，不但要保證模塊的完整性和獨(dú)立性，還要注意模塊的層次，按照鉆機(jī)設(shè)計(jì)的繼承性，所劃分的模塊要保證模塊之間弱耦合，模塊內(nèi)部之間強(qiáng)耦合［4］。最終得到的鉆機(jī)模塊劃分方案如圖2所示，將鉆機(jī)分為傳動(dòng)系統(tǒng)模塊，動(dòng)力系統(tǒng)模塊，起升系統(tǒng)模塊等八大一級(jí)模塊，其中一級(jí)起升系統(tǒng)模塊可分為絞車模塊和游動(dòng)系統(tǒng)模塊的二級(jí)模塊等，最終可將鉆機(jī)起升系統(tǒng)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(jī)模塊劃分

2　起升系統(tǒng)模塊編碼及數(shù)據(jù)庫建立

對(duì)鉆機(jī)起升系統(tǒng)進(jìn)行模塊劃分之后，建起升系統(tǒng)模塊數(shù)據(jù)庫以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)模塊的管理。為了方便計(jì)算機(jī)對(duì)模塊的檢索查詢，需要對(duì)模塊進(jìn)行編碼。利用成組技術(shù)將模塊歸類，采用OPITZ編碼方法對(duì)模塊進(jìn)行編碼［6～7］。編碼包括用于區(qū)分不同模塊的識(shí)別碼和表示模塊特征的信息碼。在區(qū)分不同模塊時(shí)，識(shí)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(jié)構(gòu)參數(shù)和性能特征。鉆機(jī)起升系統(tǒng)各模塊編碼的具體形式見表1，每個(gè)模塊分別對(duì)應(yīng)的特征信息碼見表2～5。

表1　鉆機(jī)起升系統(tǒng)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(kuò)充預(yù)留空間。以ZJ40鉆機(jī)為例，起升系統(tǒng)模塊具體參數(shù)在表6中列出，根據(jù)以上編碼方式，編碼如下：

表6　某鉆機(jī)起升系統(tǒng)模塊參數(shù)和編碼

編碼完成之后，建立鉆機(jī)起升系統(tǒng)模塊數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中應(yīng)包括模塊質(zhì)量，制造廠商，模塊編碼等完整模塊信息，以便后期對(duì)模塊的準(zhǔn)確查詢的檢索。

3　鉆機(jī)起升系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)

以Window7作為軟件開發(fā)和運(yùn)行的操作系統(tǒng)，基于VisualBasic鉆機(jī)起升系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括模塊設(shè)計(jì)、模塊管理、用戶管理三大主要子系統(tǒng)。模塊設(shè)計(jì)是模塊化設(shè)計(jì)思想的主要體現(xiàn)，對(duì)各種設(shè)計(jì)資源的具體操作；模塊管理用于管理各種設(shè)計(jì)資源，實(shí)現(xiàn)模塊的查詢檢索；用戶管理是對(duì)該系統(tǒng)使用者安全使用的權(quán)限設(shè)置。系統(tǒng)展示如下：

3.1系統(tǒng)登錄界面和主界面

系統(tǒng)登錄界面如圖3所示。輸入正確的用戶名的和密碼，進(jìn)入系統(tǒng)主界面（圖4）。主界面包括菜單欄，主窗口和狀態(tài)欄。菜單欄主要顯示系統(tǒng)的功能，主窗口顯示系統(tǒng)名稱，設(shè)計(jì)者，軟件授權(quán)信息等。狀態(tài)欄顯示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，操作用戶等信息。

圖3　系統(tǒng)登陸界面

圖4　系統(tǒng)主界面

3.2模塊設(shè)計(jì)界面

若數(shù)據(jù)庫沒有適合的模塊，需要對(duì)起升系統(tǒng)各部件重新設(shè)計(jì)。圖5為模塊設(shè)計(jì)菜單?！澳K設(shè)計(jì)”子模塊包括參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算、絞車模塊設(shè)計(jì)、天車模塊設(shè)計(jì)、和鋼絲繩選用等。部分設(shè)計(jì)窗口如圖6～9。可利用該子模塊得到各模塊的主要參數(shù)，后期通過CAE分析等方法來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)而將滿足要求的模塊存入數(shù)據(jù)庫，以備下次設(shè)計(jì)選用。

圖5　模塊設(shè)計(jì)菜單欄

圖6　滾筒尺寸參數(shù)初步設(shè)計(jì)窗口

圖7　滾筒軸尺寸參數(shù)初步設(shè)計(jì)窗口

圖8　天車滑輪尺寸參數(shù)初步設(shè)計(jì)窗口

圖9　鋼絲繩斷裂拉力計(jì)算窗口

3.3模塊管理界面

模塊管理子系統(tǒng)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(gè)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(diǎn)擊“添加”按鈕，讀取程序便可在“絞車編號(hào)”文本框按順序自動(dòng)顯示新添加模塊的編號(hào)。如圖11所顯示的“MJC1010”，依次在個(gè)文本框中填入模塊參數(shù)，點(diǎn)擊保存便可以將新模塊添加到絞車模塊數(shù)據(jù)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(dāng)需要?jiǎng)h除某天車模塊信息，在如圖11窗口點(diǎn)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(dāng)已儲(chǔ)存的編號(hào)為MDG4011的大鉤模塊數(shù)據(jù)有誤，需要對(duì)該模塊參數(shù)訂正。在如圖13窗口的 “大鉤編號(hào)”文本框輸入該模塊編號(hào)，“回車”之后便會(huì)自動(dòng)顯示該模塊的各項(xiàng)信息，修改錯(cuò)誤信息點(diǎn)擊保存便可完成該大鉤模塊修改。

以游車模塊為例，通過設(shè)計(jì)界面得到游車模塊的一些具體參數(shù)，需要根據(jù)已得參數(shù)檢索數(shù)據(jù)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(shí)例。

圖13　大鉤模塊修改界面

圖14　游車模塊查詢界面

4　系統(tǒng)合理性驗(yàn)證

以ZJ70DB鉆機(jī)天車滑輪為例，通過天車滑輪設(shè)計(jì)窗口（圖15）輸入相關(guān)參數(shù)計(jì)得到天車滑輪尺寸。

表7給出了該鉆機(jī)天車滑輪設(shè)計(jì)值和實(shí)際值的對(duì)比，可知該系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果能較好吻合，誤差小，說明系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確可靠。

表7　滑輪計(jì)算結(jié)果和實(shí)際值對(duì)比

依據(jù)天車滑輪設(shè)計(jì)窗口求得的滑輪外形參數(shù)及所受載荷，采用實(shí)體建模對(duì)滑輪進(jìn)行有限元分析，加載及求解結(jié)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(yīng)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(yīng)力為65.5MPa。由公式：

材料的屈服極限σS=835MPa，可求得安全系數(shù)n=13，滿足強(qiáng)度要求。從而證明了通過該軟件系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的天車滑輪模塊符合使用要求。驗(yàn)證了系統(tǒng)的合理性。

5　結(jié)論

1）基于模塊化設(shè)計(jì)理論，按照三維維系模塊化劃分原則，對(duì)石油鉆機(jī)進(jìn)行模塊劃分，得到了石油鉆機(jī)的模塊劃分方案，對(duì)鉆機(jī)模塊化設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

2）采用成組技術(shù)及OPITZ編碼方法，對(duì)絞車、天車等模塊進(jìn)行編碼，建立了鉆機(jī)起升系統(tǒng)模塊數(shù)據(jù)庫，最終實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)對(duì)模塊的快速檢索和查詢。

3）基于Visual Basic6.0開發(fā)了一套鉆機(jī)起升系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了模塊的快速設(shè)計(jì)、查詢，并通過實(shí)例驗(yàn)證了該軟件系統(tǒng)的合理性，對(duì)縮短鉆機(jī)設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率有重要意義。

［1］ 馮定，唐海雄.模塊鉆機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.石油機(jī)械，2008，36（9）：143-147.

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