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        新型對(duì)開(kāi)式動(dòng)力吊卡的研制

        2017-01-10 03:07:40牛文杰白永濤余焱群王運(yùn)安徐國(guó)慧
        關(guān)鍵詞:開(kāi)式修井管柱

        牛文杰,白永濤,余焱群,王運(yùn)安,徐國(guó)慧

        (1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266580;2. 山東科瑞石油裝備有限公司,山東 東營(yíng) 257067)

        新型對(duì)開(kāi)式動(dòng)力吊卡的研制

        牛文杰1,白永濤1,余焱群1,王運(yùn)安2,徐國(guó)慧1

        (1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266580;2. 山東科瑞石油裝備有限公司,山東 東營(yíng) 257067)

        為了提高修井作業(yè)的效率以及自動(dòng)化程度,改善現(xiàn)有修井作業(yè)環(huán)境,配合全自動(dòng)智能液壓修井機(jī)的研制,根據(jù)自動(dòng)吊卡的使用環(huán)境及作業(yè)工況設(shè)計(jì)了一種新型對(duì)開(kāi)式動(dòng)力吊卡.通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算確定吊卡關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸.利用ABAQUS有限元分析軟件,對(duì)吊卡在實(shí)際作業(yè)中的載荷狀況進(jìn)行模擬加載及分析計(jì)算.結(jié)果表明,吊卡在力學(xué)強(qiáng)度、疲勞壽命方面滿足使用需求,這為吊卡的實(shí)際使用提供了依據(jù).

        修井作業(yè);動(dòng)力吊卡;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);運(yùn)動(dòng)學(xué);力學(xué)強(qiáng)度;疲勞分析

        隨著人類(lèi)對(duì)能源的需求越來(lái)越多,石油在人類(lèi)的生活中扮演了重要的角色.目前國(guó)內(nèi)大部分油田已經(jīng)進(jìn)入“三高”時(shí)期,修井作業(yè)已成為油田穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的重要措施[1].然而修井作業(yè)設(shè)備發(fā)展比較緩慢.

        為了確保修井設(shè)備作業(yè)的安全可靠性、高效性并提高其自動(dòng)化程度,筆者課題組設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)智能液壓修井機(jī).該修井機(jī)實(shí)現(xiàn)了雙根立式自動(dòng)化排放管柱的作業(yè)模式,并兼容傳統(tǒng)修井作業(yè)模式,實(shí)現(xiàn)了修井作業(yè)的自動(dòng)化.其中,在管柱起升系統(tǒng)中,新型自動(dòng)化吊卡對(duì)于實(shí)現(xiàn)修井作業(yè)自動(dòng)化具有重要的意義.

        現(xiàn)有的吊卡主要分為手動(dòng)吊卡和動(dòng)力吊卡.其中,手動(dòng)吊卡在作業(yè)過(guò)程中需修井作業(yè)人員來(lái)回拆、搬、掛吊卡重復(fù)性機(jī)械式操作,作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、自動(dòng)化程度低,且無(wú)法使用同一個(gè)吊卡完成不同尺寸油桿管的作業(yè),作業(yè)成本高[2].隨著科技的發(fā)展,動(dòng)力吊卡[3]逐漸應(yīng)用于自動(dòng)化修井作業(yè)中,如寶雞石油機(jī)械公司設(shè)計(jì)的側(cè)開(kāi)式動(dòng)力吊卡[4]、大慶油田及大慶石油學(xué)院共同研制的輕便式筒式吊卡[5]及美國(guó)的DEN-CON公司研發(fā)的BX-5產(chǎn)品等.但現(xiàn)有自動(dòng)化動(dòng)力吊卡由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備笨重、成本高等原因,沒(méi)有被廣泛應(yīng)用于油田.為了適應(yīng)自動(dòng)化修井作業(yè)設(shè)備的迅猛發(fā)展,設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、自動(dòng)化程度高的動(dòng)力吊卡顯得尤為重要.

        1 對(duì)開(kāi)式動(dòng)力吊卡工作原理

        本文設(shè)計(jì)了一款新型對(duì)開(kāi)式動(dòng)力吊卡,該裝置用液壓動(dòng)力代替井口人工操作,實(shí)現(xiàn)了升降管柱操作的自動(dòng)化,減少了井口作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度.該吊卡可通過(guò)更換吊卡舌的方式,提升以及下放管徑范圍為19~114 mm的油管與抽油桿,具有適用管徑范圍廣等優(yōu)點(diǎn),在“一卡多用”及自動(dòng)化性能方面取得了新突破.

        1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

        全自動(dòng)智能液壓修井機(jī)定位于小噸位修井機(jī),以油田小修作業(yè)為設(shè)計(jì)目標(biāo),最大作業(yè)井深為3 000 m.該修井機(jī)主要包括:載車(chē)變幅-支撐系統(tǒng)、管柱自動(dòng)提放系統(tǒng)、管柱自動(dòng)運(yùn)移排放系統(tǒng)、自動(dòng)化井口系統(tǒng).為適應(yīng)修井機(jī)的使用需求,參照J(rèn)B/T 6926—93《吊卡》,則吊卡的設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定如表1所示.

        表1 吊卡設(shè)計(jì)參數(shù)表

        1.2 吊卡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        本文設(shè)計(jì)的對(duì)開(kāi)式動(dòng)力吊卡主要適用于油田鉆采作業(yè)過(guò)程,其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示.

        1.3 吊卡工作原理

        吊卡的工作主要分為夾緊管柱和釋放管柱兩個(gè)過(guò)程,其工作原理如圖2所示.

        在吊卡夾緊管柱時(shí),當(dāng)油管接箍進(jìn)入吊卡中心主通徑時(shí),液壓缸推動(dòng)AC桿(主動(dòng)連桿)順時(shí)針旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)CD桿(旋轉(zhuǎn)軸與撥叉)運(yùn)動(dòng),其中CD桿與滑塊(左吊卡舌)通過(guò)滑動(dòng)副連接,撥動(dòng)滑塊向中心運(yùn)動(dòng);當(dāng)AC桿(主動(dòng)連桿)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),帶動(dòng)BF桿(傳動(dòng)連桿),使BF桿(傳動(dòng)連桿)牽引著EF桿(從動(dòng)連桿)逆時(shí)針運(yùn)動(dòng),同時(shí)EF桿帶動(dòng)EG桿(旋轉(zhuǎn)軸與撥叉)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),撥動(dòng)滑塊(右吊卡舌)向中心運(yùn)動(dòng),左右吊卡舌相互協(xié)調(diào)完成管柱的夾緊動(dòng)作.

        1—液壓缸;2—傳動(dòng)連桿;3—主動(dòng)連桿;4—旋轉(zhuǎn)軸;5—吊卡基座;6—左吊卡舌;7—右吊卡舌;8—傳動(dòng)撥叉;9—從動(dòng)連桿;10—轉(zhuǎn)軸圖1 動(dòng)力吊卡結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Composition of elevator structure

        圖2 對(duì)開(kāi)式動(dòng)力吊卡工作原理示意圖Fig.2 The principle of split-type power elevators

        在吊卡放松油管時(shí),其操作與上述動(dòng)作相反.

        由API 5 CT/ISO 11960:2001《套管和油管規(guī)范》可知,當(dāng)前,油田采用的油管有端部臺(tái)階型及錐面型兩種,當(dāng)?shù)蹩ㄌ嵘F面型油管時(shí),油管自重會(huì)對(duì)吊卡舌產(chǎn)生向兩側(cè)的推力,普通的對(duì)開(kāi)式吊卡不能適用于這種工況.為了同時(shí)滿足兩種不同類(lèi)型的油管起升需求,本文將吊卡基座設(shè)計(jì)為斜面,能夠?qū)崿F(xiàn)油管吊卡舌的自鎖.

        2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

        2.1 傳動(dòng)連桿尺寸參數(shù)確定

        為確保吊卡在作業(yè)過(guò)程中左右吊卡舌動(dòng)作同步,現(xiàn)對(duì)吊卡傳動(dòng)系統(tǒng)的四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì).在各個(gè)構(gòu)件中心處建立固定于構(gòu)件中心的局部笛卡爾坐標(biāo)系xi-yi與全局坐標(biāo)系x-y,如圖3所示,其坐標(biāo)原點(diǎn)為O1點(diǎn).

        圖3 吊卡傳動(dòng)系統(tǒng)模型的坐標(biāo)系Fig.3 The coordinate system of elevator drive system model

        根據(jù)構(gòu)件的廣義笛卡爾坐標(biāo)系與固定笛卡爾坐標(biāo)系之間的關(guān)系,確定構(gòu)件的D-H[6]參數(shù)表.吊卡傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)件運(yùn)動(dòng)約束與參數(shù)如表2所示.

        表2 吊卡傳動(dòng)系統(tǒng)的D-H參數(shù)表

        表2中:θ為構(gòu)件局部笛卡爾坐標(biāo)系與固定笛卡爾坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)角,均以逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)為正;x為構(gòu)件局部笛卡爾坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)在固定坐標(biāo)系的橫坐標(biāo);y為構(gòu)件局部笛卡爾坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)在固定坐標(biāo)系的縱坐標(biāo);L為構(gòu)件的長(zhǎng)度.

        依據(jù)構(gòu)件裝配條件,建立吊卡傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)等效約束模型:構(gòu)件1上的Q1點(diǎn)與固定笛卡爾坐標(biāo)系x-y的坐標(biāo)原點(diǎn)O1重合,其代數(shù)約束方程為

        (1)

        同理,根據(jù)構(gòu)件上的鉸接點(diǎn)之間的重合關(guān)系,建立相應(yīng)的代數(shù)約束方程為

        (2)

        (3)

        (4)

        固定桿件長(zhǎng)度的約束方程為

        (5)

        取q=[x1,y1,θ1,x2,y2,θ2,x3,y3,θ3,L2],則組合的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束方程為

        (6)

        式(6)中各個(gè)約束方程是獨(dú)立的[7],系統(tǒng)的自由度為3n-(2p1+ph),其中,n為活動(dòng)構(gòu)件數(shù)目,p1為低副個(gè)數(shù),ph為高副個(gè)數(shù).傳動(dòng)系統(tǒng)具有一個(gè)自由度,需要加以驅(qū)動(dòng)約束.在吊卡作業(yè)過(guò)程中,構(gòu)件1在驅(qū)動(dòng)的作用下以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng),則有驅(qū)動(dòng)約束為

        ΦD(q(t),t)=θ1-ωt

        (7)

        由式(6)和(7)確定吊卡傳遞系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為

        (8)

        在任意瞬時(shí)ti,對(duì)式(8)兩邊關(guān)于時(shí)間微分,得角速度方程[8]為

        (9)

        Φ(q(t),ti)′·q(ti)′=

        (10)

        因左右吊卡舌作業(yè)需要同步,構(gòu)件1的角速度ω1與構(gòu)件3的角速度ω3在誤差允許的范圍內(nèi)始終保持相同,即

        ΦK=ω1-ω3≈0

        (10)

        結(jié)合式(5)、(10)和(11)求解出傳動(dòng)連桿的位姿函數(shù)[9].根據(jù)計(jì)算參數(shù)建立三維模型,并在ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical system)軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,其分析結(jié)果如圖4所示.

        (a) 主動(dòng)、從動(dòng)連桿的角速度

        (b) 左、右吊卡舌速度

        (c) 左、右吊卡舌運(yùn)動(dòng)位移差圖4 吊卡運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)Fig.4 Kinematics parameters of elevator

        由圖4可知,主動(dòng)連桿與從動(dòng)連桿的角速度在作業(yè)過(guò)程中存在差異,致使執(zhí)行機(jī)構(gòu)吊卡舌的運(yùn)移速度出現(xiàn)偏差,但總體上影響較小,使左右吊卡舌產(chǎn)生的最大位移差為1.93 mm,與油管尺寸相比,該位移差可忽略.

        2.2 接觸工作面斜度設(shè)計(jì)

        為使吊卡能適用于錐面型的油管,本文將吊卡基座上的接觸工作面設(shè)計(jì)為斜面,該斜面需要設(shè)計(jì)合適的角度.若斜面角度過(guò)小,則不能實(shí)現(xiàn)吊卡舌的自鎖,無(wú)法安全地卡緊油管;若斜面角度過(guò)大,在打開(kāi)吊卡舌時(shí),操作困難甚至無(wú)法打開(kāi),影響正常作業(yè).為確保吊卡能夠在作業(yè)過(guò)程中安全可靠,需要滿足式(12).

        Gsin(α1-α2)-Gcos(α1-α2)μ=F

        (11)

        式中:G為油管柱重力;α1為油管錐面角度;α2為吊卡基座斜面角度;μ為吊卡舌摩擦因數(shù);F為吊卡舌平衡作用力.

        在設(shè)計(jì)中,由設(shè)定值取G=600 000 N,α1=18°,μ=0.15.為保證吊卡舌在工作狀態(tài)下能夠可靠工作,則需要F≤0,將數(shù)據(jù)代入式(13)中:

        tan(α1-α2)≤μ

        (13)

        通過(guò)計(jì)算可得吊卡基座斜面角度α2=18°.

        3 強(qiáng)度分析

        傳統(tǒng)的強(qiáng)度剛度分析的方法是以力學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ),計(jì)算零件受到的應(yīng)力和產(chǎn)生的應(yīng)變.但是該方法計(jì)算量大,不易模擬零件的真實(shí)工作環(huán)境,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差較大[10].采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行分析,將復(fù)雜零件離散為大量的單元,并且模擬真實(shí)工作環(huán)境,既提高了計(jì)算的速度,也提高了結(jié)果的精度.

        3.1 建模與網(wǎng)格劃分

        在ABAQUS中建立動(dòng)力吊卡結(jié)構(gòu)模型,然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分.因吊卡結(jié)構(gòu)復(fù)雜,采用自由線性的形式對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格形式為C10R8,并對(duì)吊卡上的受力部分網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化,效果如圖5所示.

        圖5 吊卡網(wǎng)格劃分模型Fig.5 The grid model of elevator

        3.2 加載工作載荷

        在吊卡工作過(guò)程中,井下油管的重力主要由吊卡舌的錐面來(lái)承擔(dān),該吊卡的額定/最大鉤載為300/600 kN.為保證吊卡在工作狀態(tài)下能夠安全地作業(yè),以最大鉤載600 kN為設(shè)計(jì)依據(jù),則吊卡舌工作時(shí)承受的壓強(qiáng)(p)為

        (14)

        式中:G為最大鉤載;α1為油管錐面角度;d為油管本體直徑;D油管接箍外徑;H為吊卡舌與油管接觸高度.

        參照API 5 CT/ISO 11960:2001《套管和油管規(guī)范》,設(shè)置d=73 mm,D=89 mm,H=25 mm,α1=18°,故吊卡舌承受的壓強(qiáng)為

        (15)

        在工作中,吊卡吊耳的上截面固定,對(duì)其添加固定約束.吊卡左右吊卡舌上均加載工作載荷29.16 MPa.吊卡及吊卡舌的材料選用高強(qiáng)度鑄鋼[11],楊氏模量E=209 000 MPa,泊松比υ=0.269.定義在左右吊卡舌的沖擊載荷如圖6所示.

        圖6 吊卡沖擊載荷Fig.6 Impact load of the elevator

        3.3 計(jì)算結(jié)果分析

        給吊卡定義相關(guān)接觸后進(jìn)行靜力學(xué)分析,以第四強(qiáng)度理論[12]為基礎(chǔ)求得的等效應(yīng)力如圖7所示.

        (a) 吊卡

        (b) 吊卡舌上圖7 吊卡與吊卡舌的應(yīng)力分布圖Fig.7 Stress distribution of elevator and elevator tongue

        由圖7可以看出,吊卡的最大應(yīng)力發(fā)生在吊卡舌處,最大應(yīng)力為215.8 MPa.吊卡材料的最大屈服強(qiáng)度為355 MPa,在其允許應(yīng)力范圍內(nèi),因此吊卡能夠滿足修井作業(yè)的強(qiáng)度要求.

        4 疲勞載荷分析

        零件在循環(huán)載荷的作用下,材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生細(xì)微變化及裂紋的形成和擴(kuò)展,最終形成疲勞損傷.疲勞損傷是估算變載荷作用下結(jié)構(gòu)和零件有限壽命的重要參考,因此有必要對(duì)吊卡的疲勞載荷進(jìn)行分析.

        當(dāng)材料承受高于疲勞極限應(yīng)力時(shí),每一個(gè)循環(huán)都使材料產(chǎn)生一定的損傷,這種損傷是可以積累的,n次恒載荷所造成的損傷等于其循環(huán)比C=n/N,其中,n為恒載荷作用次數(shù),N為該恒定載荷下的疲勞壽命.則變幅載荷的損傷等于其循環(huán)比之和,即:

        (12)

        式中:l為變幅載荷的應(yīng)力等級(jí);ni為第i級(jí)載荷的循環(huán)次數(shù);Ni為第i級(jí)載荷下的疲勞壽命.當(dāng)損傷積累到臨界值Df時(shí),就發(fā)生了疲勞破壞.吊卡舌的材料選用高強(qiáng)度鑄鋼,其疲勞曲線方程[13]為

        (13)

        式中:m為隨材料和應(yīng)力狀態(tài)而定的指數(shù),對(duì)于鋼的拉彎應(yīng)力中取m=9;N為循環(huán)次數(shù);σrN為材料循環(huán)次數(shù)為N時(shí)的疲勞極限;N0為材料的循環(huán)基數(shù),對(duì)于鑄鋼取N0=107;σr為材料循環(huán)基數(shù)N0所對(duì)應(yīng)的疲勞極限,工程中取σr=0.49σB.吊卡舌的疲勞曲線如圖8所示.

        圖8 吊卡疲勞壽命曲線Fig.8 The fatigue life curve of elevator

        由吊卡的有限元分析可知,在作業(yè)過(guò)程中,吊卡所受最大應(yīng)力為215.8 MPa,在材料的無(wú)限壽命區(qū)域范圍內(nèi),能夠滿足吊卡正常工作的需求.

        5 結(jié) 論

        (1) 按照設(shè)計(jì)參數(shù)額定鉤載/最大鉤載為300/600 kN,完成了一種新型動(dòng)力吊卡的設(shè)計(jì)與分析,該吊卡通過(guò)動(dòng)力油缸代替人工實(shí)現(xiàn)油管的自動(dòng)卡緊與放松,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低等優(yōu)點(diǎn).

        (2) 應(yīng)用ABAQUS對(duì)吊卡進(jìn)行靜力學(xué)分析及疲勞分析,能夠保證吊卡在動(dòng)載荷與沖擊載荷的工況下安全可靠的工作.

        (3) 該吊卡的受力分析結(jié)果顯示其應(yīng)力在材料的允許安全范圍.該吊卡技術(shù)方案可行,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適用管徑范圍廣,自動(dòng)化程度高, 能夠滿足全自動(dòng)智能液壓修井機(jī)對(duì)起升管柱的自動(dòng)化要求.

        [1] 馮定, 楊志遠(yuǎn), 柳進(jìn), 等.液壓修井機(jī)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].石油機(jī)械, 2010, 38(1):69-72.

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        Design of New Split-Type Power Elevators

        NIUWen-jie1,BAIYong-tao1,YUYan-qun1,WANGYun-an2,XUGuo-hui1

        (1. School of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China;2. Shandong Kerui Petroleum Equipment Co. Ltd., Dongying 257067, China)

        In order to improve the efficiency and automation degree of work-over operation,ameliorate the work-over operation environment and cooperate with the development of fully automatic intelligent hydraulic well repairing machine,a new split-type power elevator was designed based on the working environment and working conditions of automatic elevator. The key structure of power elevator was designed according to kinematics calculation. The loading simulation and calculation of elevator load conditions in practical operation were carried out by using ABAQUS finite element analysis software. The analysis results show that the elevator conforms to the usage requirements in the aspect of mechanical strength and fatigue life, which provide the basis for the actual use of elevators.

        work-over operations; power elevator; structure design; kinematics; mechanical strength; fatigue analysis

        1671-0444 (2016)04-0512-06

        2015-12-31

        山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2014EL015)

        牛文杰(1967—),男,甘肅寧縣人,教授,博士,研究方向?yàn)槭豌@采機(jī)械設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué). E-mail: niu_wj67@126.com

        TE 935

        A

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