ZQ-100型钻杆动力钳背钳设计（全套图纸）

毕业设计 说明书 房屋状态说明书下载罗氏说明书下载焊机说明书下载罗氏说明书下载GGD说明书下载 论文(全套CAD图纸) QQ 36396305 摘 要 在人类的机械创新的不断进步，使机械代替了人。以前在油田修井时或者下油管时，管与管连接时是用管钳来上扣和卸扣，现在使用这种液压钳，就给人类带来很多方便，使工作效率和安全系数提高，也减少了很多井口的工作人员，因此这是油田经常使用的卸管工具。针对修井作业中人力上卸抽油杆螺纹效率低,劳动强度大,又不能保证不同规格抽油杆所要求的上扣扭矩等问题,研制了ZQ-100型液压抽油杆钳,这种抽油杆钳由主钳,手动换向阀,液压马达,底钳,弹簧吊筒和调节弹簧等组成,在设计中省掉了转速换挡机构,同时通过改变制动板上压簧螺栓的结构,解决了制动板减薄时颚板滚子爬坡力量不足这一技术难题，介绍了这种抽油杆钳的工作原理。目前，国外钻杆动力钳的种类很多，而且产品性能及质量都相对稳定，特别是他们产品的体积与输出扭矩不会成比例变化，即使动力钳输出扭矩相当大时，其产品的体积也不会增加多少，因而适用于现场需要。而国内产品还处在研发和改进阶段，产品性能及质量都有待进一步提高，国内产品的体积和重量都随输出扭矩的增大而增大，从而导致无法适用于某些大型钻管。近10年来，中国国内生产动力钳有所增长，但相比国外我国动力钳结构复杂不方便使用与维护，使用期短等缺点，所以我国正大力发展动力钳设计改造，达到世界水平。 关键词：石油；机械创新；性能；转杆动力钳；研发改进；设计 Abstract In recent years, with continued rapid growth of our national economy, petroleum volume of consumption of our country increase year by year. The rank has already exceeded Japan, has become the second largest petroleum following U.S.A. and consumed the country. On being pole required to pump oil, pump the oil pole pincers after developing the hydraulic pressure of Model ZQ-100, this kind pumps the oil pole pincers by the main pincers , the manual reversing valve, hydraulic motor, bottom pincers , the spring hangs tube and regulates spring ,etc. to make up , save rotational speed shift gears organization , at the same time through change , apply the brake board pigeonhole reed structure of bolt in design, solve , apply the brake board jaw board roll sub climbing strength insufficient technological difficult problem this reduce thin ,, recommend this kind pump oil pole operation principle of pincers! Main technical parameter and experimental situation in the room, employ the result to indicate live, adopt Model ZQ-100 hydraulic pressure pump oil pole pincers can reduce , release oil pole take off number of times of spiking greatly, improve and build the quality of the well and build the pace of the well. Let out difficult to avoid and fluid have a sure one but compression, so, transmission than unable and invariable, suitable for transmission than requiring strict occasion. Energy caused to leak lose, hydraulic transmission main energy is lost, in addition resistance and machinery that fluid receive among pipeline rub etc., cause sure energy to lose, cause the efficiency of hydraulic transmission to be relatively low. The viscosity of the fluid changes with temperature, as the warm change of oil, will influence the working performance of the actuator directly. In addition, have greater difficulties to adopt hydraulic transmission under the low-temperature condition or high-temperature condition. Fluid through air, will produce noise is apt to cause vibration, the ones that influenced transmission are steady. It is relatively difficult to maintain, the work load is large. At the trouble of producing, trouble reason difficult to look for, get rid of getting difficult through design, optimize, reduce, shoulder, influence as hydraulic system. At present, the kind of the motive force pincers of foreign drilling rod is numerous, and properties of product and quality are all relatively stable, especially they the products one volume and output torsion can changes proportional, even if power, when pincers quite heavy to export torsion, volume of product its how much does it increase either, suitable for needing at the scene. The domestic products are still at the stage of researching and developing and improving, properties of product and quality all remain to further improve, volume and weight of the domestic products all export the increase of the torsion to increase at the same time, thus it is unable to be suitable for some to cause and bore managing large-scaly. The past 10 years, produce power pincers increase to some extent, compare foreign of our country power pincers structure complicated to use and maintain while being inconvenient in China, the shortcoming such as being short of service time, so our country is developing the motive force pincers to design and transform in a more cost-effective manner, reach the world standard. Transfer to ZQ100 type to pole power pincers carry pincers go on, design , realize, it is safe to apply the brake, it is reliable and durable. Make the hydraulic pressure control and drive the rack to clamp the steel tube effectively. Key words: Petroleum; Machinery innovates; Performance ; Transfer to the pole motive force pincers ; Research and develop and improve; Design 目 录 11 绪 论 11.1 液压动力钳概述 11.1.1 液压动力钳的发展状况 21.1.2 液压动力钳的应用 31.2 液压动力钳的结构及工作原理 31.2.1 液压动力钳的结构及特点 41.2.2 液压动力钳的工作原理 51.3 液压动力钳技术参数及特点 51.3.1 ZQ-100型液压动力钳的技术参数 51.3.2 液压动力钳的技术特点 61.4 液压动力钳的的操作说明 61.4.1 液压动力钳的的安装 71.4.2 液压动力钳的操作 71.4.3 液压动力钳的维护与润滑 81.4.4 液压动力钳的常见故障及排除 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 92 ZQ-100型钻杆动力钳的背钳总体设计 92.1 ZQ-100型钻杆动力钳的背钳概述 92.2 ZQ-100型钻杆动力钳的背钳结构设计 102.3 背钳结构设计中的问题 123 ZQ-100型钻杆动力钳的背钳液压缸设计 123.1 液压缸的类型和结构形式选择 123.2 液压缸基本参数确定 133.2.1 液压缸工作负载及工作压力 133.2.2 缸筒内径及柱塞杆直径 163.2.3 液压缸最大工作行程和最小导向长度 173.3 液压缸的强度及刚度校核 173.3.1 缸筒壁厚的校核及外径计算 183.3.2 液压缸柱塞杆强度验算 183.4 液压缸稳定性验算 193.5 液压缸的安装试验与维护 214 ZQ-100型杆动力钳的背钳传动设计 214.1 背钳传动概述 214.2 背钳传动设计 234.3 轴的设计 234.3.1 轴的结构设计 234.3.2 轴的强度计算 234.3.3 轴的刚度计算 274.3.4 轴的稳定性 274.4 齿轮系的设计 284.4.1 齿轮系的传动比 284.4.2 齿轮的强度计算 455 结论 6 技术经济分析 44 47致 谢 48参考文献 50附录A译文 56附录B英文文献 1 绪 论 在人类的机械创新的不断进步，使机械代替了人。以前在油田修井时或者下油管时，管与管连接时是用管钳来上扣和卸扣，现在使用这种液压钳，就给人类带来很多方便，使工作效率和安全系数提高，也减少了很多井口的工作人员，因此这是油田经常使用的卸管工具。 针对修井作业中人力上卸抽油杆螺纹效率低,劳动强度大,又不能保证不同规格抽油杆所要求的上扣扭矩等问题。ZQ-100型液压抽油杆钳。这种抽油杆钳由主钳、手动换向阀、液压马达、背钳、弹簧吊筒和调节弹簧等组成。在设计中省掉了钻速换挡机构,同时通过改变制动板上压簧螺栓的结构,解决了制动板减薄时腭板滚子爬坡力量不足这一技术难题，介绍了这种抽油杆钳的工作原理!主要技术参数和室内试验情况，结果表明采用ZQ-100型液压抽油杆钳可大大减少抽油杆脱扣次数,提高修井质量和修井速度。 1.1 液压动力钳概述 1.1.1 液压动力钳的发展状况 近年来，随着我国国民经济的持续快速发展，我国的石油消费量逐年增加。2002年达到2．457亿吨，排名已超过日本，成为继美国之后的第二大石油消费国。相比之下，我国石油机械制造生产增长比较缓慢，供需矛盾日益突出。而现在人类的机械创新的不断进步，使机械代替了人。以前在油田修井时或者下油管时，管与管连接时是用管钳来上扣和卸扣，现在使用这种液压钳，就给人类带来很多方便，使工作效率和安全系数提高，也减少了很多井口的工作人员，因此这是油田经常使用的卸管工具。目前，国外杆动力钳的种类很多，而且产品性能及质量都相对稳定，特别是他们产品的体积与输出扭矩不会成比例变化，即使动力钳输出扭矩相当大时，其产品的体积也不会增加多少，因而适用于现场需要。而国内产品还处在研发和改进阶段，产品性能及质量都有待进一步提高，国内产品的体积和重量都随输出扭矩的增大而增大，从而导致无法适用于某些大型管。近10年来，中国国内生产动力钳有所增长，但相比国外我国动力钳结构复杂不方便使用与维护，使用期短等缺点，所以我国正大力发展动力钳设计改造，达到世界水平。针对修井作业中人力上卸抽油杆螺纹效率低,劳动强度大,又不能保证不同规格抽油杆所要求的上扣扭矩等问题, ZQ-100型液压抽油杆钳,这种抽油杆钳由主钳、手动换向阀、液压马达、背钳、弹簧吊筒和调节弹簧等组成,在设计中省掉了钻速换挡机构,同时通过改变制动板上压簧螺栓的结构,解决了制动板减薄时颚板滚子爬坡力量不足这一技术难题，介绍了这种抽油杆钳的工作原理，主要技术参数和室内试验情况，结果表明ZQ-100型液压抽油杆钳可大大减少抽油杆脱扣次数,提高修井质量和修井速度。（如图1-1） 图1-1 液压动力钳 Figure 1-1 Hydraulic pressure power pliers 1.1.2 液压动力钳的应用 油田修井作业时,要把油管从油井中一根根取出,然后再一根根下到油井中。油管上卸丝扣用的是一种专用钳。多年来,这种被修井架修井钳是靠人工用手操作,不但劳动强度大,而且不够安全,易发生工伤事故,工作效率较低使得修井作业时间较长,影响原油产量。为解决上述存在的问题,我们根据油田修井作业现场操作实际情况,本着减轻劳动强度和有利安全生产的宗旨,研制了油田修井液压钳操作装置,经过实践应用,有较好的操作功能和保障操作者安全的特点,并能提高修井工作效率。 1.2液压动力钳的结构及工作原理 1.2.1 液压动力钳的结构及特点 液压动力钳是由背钳、主钳、操作手柄、弹簧吊筒、液压马达、手动换向阀、调节弹簧组成（图1-2）悬吊主钳时，背钳浮动于主钳之下，主钳通过前导杆总成及后导杆总成联为一体，主钳可单独使用，也可以主背钳组合使用。 主钳由颚板、颚板架、开口大齿轮和惰轮等组成,在工作过程中起传动和上卸扣作用。手动换向阀由阀体和操作手柄组成,其作用是操纵钳子复位和上卸扣。液压马达是一种内啮合摆线齿轮式的小型低速大扭矩马达,经两级齿轮减速将动力传给主钳。背钳钳头中装有方补心,通过更换方补心,可上卸不同规格的抽油杆螺纹,满足利用同一底钳卡紧不同规格抽油杆扳方的要求。背钳与主钳配合完成上卸扣动作，弹簧吊筒是将钳子吊起来的装置,其内装有压缩弹簧,以满足上卸扣时钳子上下浮动的要求。调节弹簧设在底钳下面,可使背钳随上下接头扳方的距离变化而上下移动。 图1-2 液压动力钳结构简图 Figure 1-2 Hydraulic pressure power pliers diagram of mechanism 1)背钳;2)主钳;3)操作手柄;4)弹簧吊筒; 5)液压马达;6)手动换向阀;7)调节弹簧 1.2.2 液压动力钳的工作原理 液压动力钳采用低速大扭矩液压马达驱动,手动换向阀控制主钳钻向和速度,动力由现场使用的油管动力钳的动力源提供,其工作原理与液压油管钳相似与油管螺纹相比,抽油杆螺纹数较少上卸扣所需的时间也就短,因此设计时省掉了钻速换挡机构。另外对主钳中开口大齿轮的爬坡弧度与制动板的制动力进行了理论计算和试验,同时还改变了制动板上压簧螺栓的结构,以便在制动板被磨损减薄时,可不断调整压簧螺栓,使颚板滚子有足够的爬坡力量,从而有效地解决了制动板减速时颚板滚子爬坡力量不足这一技术难题。液压动力钳工作原理简图。工作时,一定压力的液压油经手动换向阀进入液压马达,驱动液压马达钻动,液压马达主轴上装有主动齿轮,经两级齿轮减速,将动力传给开口大齿轮，开口大齿轮内侧有由不同弧面组成的工作曲面,当开口大齿轮开始钻动时,其中的颚板架在制动板的制动作用下,先不钻动,使开口大齿轮与颚板架之间有相对运动过程。此时,处在开口大齿轮中位的颚板开始在工作曲面内爬坡, 颚板架中的颚板不断向抽油杆中心移动,直至抱住上面抽油杆板方,并与开口大齿轮一起带动抽油杆钻动,执行上卸扣动作，在主钳工作的同时,下面抽油杆扳方则由装在底钳中的方补心卡住,完成上卸扣动作。背钳只卡住抽油杆扳方,并不钻动，上卸扣完毕后,操作手动换向阀,使开口大齿轮反钻, 颚板在片簧的作用下,松开抽油杆扳方,同时随颚板架退回到大齿轮中位, 颚板架缺口与钳头缺口对齐复位，整个上扣或卸扣动作至此即可完成。 图1-3 液压动力钳工作原理简图 Figure 1-3 Hydraulic pressure power pliers principle of work diagram 1)液压站;2)主动齿轮;3)惰轮; 4)开口大齿轮;5)液压马达;6)手动换向阀 1.3 液压动力钳技术参数及特点 1.3.1 ZQ-100型液压动力钳的技术参数 ZQ-100型液压抽油杆钳主钳适用于Φ15.9、Φ19.1、Φ21.2、Φ22.2和Φ25.4mm的抽油杆上卸扣，其主要技术参数为:额定扭矩100N*m,最大扭矩1200N*m,额定钻速60r/min,最高钻速77r/min液压系统额定压力10MPa,液压系统最大压力1215MPa,额定钻速的供油量60L/min,移运质量120kg,外形尺寸(长×宽×高)475mm×320mm×610mm。 ZQ-100型液压抽油杆钳背钳适用于Φ15.9、Φ19.1、Φ21.2、Φ22.2和Φ25.4mm的抽油杆上卸扣，其主要技术参数为:额定扭矩100N*m,开口尺寸120mm，移运质量40kg，外形尺寸(长×宽×高)475mm×320mm×610mm。 1.3.2 液压动力钳的技术特点 1.主钳、背钳钳头采用颚板凸轮夹紧机构，不需要更换颚板及牙板，既能夹紧各种不同规格的管柱，并在夹紧任意管径时能保持良好的夹紧性能。 2.背钳浮动于主钳之下，通过高压输油胶管与主钳联接。主钳、背钳均由同一只手动换向阀控制钻向，操作灵活、可靠。主钳也可单独使用。主钳与背钳之间距离可随意调节，以免损伤油管。 3.钳头制动机构在钳头上部，结构简单、调整维修方便、制动安全、可靠耐用。 4.配备扭矩控制仪，扭矩控制仪具有换向及扭矩控制双重功能。换向功能用于控制主、背钳运钻。扭矩控制用于调整系统压力，从而调整控制钳头输出扭矩，并使动力钳附有过载保护功能。 5.可配备液压升降系统，既液压弹簧悬吊器。适用于配合井口卡盘起下管柱作业或液压动力钳与井口高度。操作手动升降即可调整液压动力钳高度，使背钳准确夹紧油管接箍。 6.液压动力钳可更换特种牙板，夹持不同规格的抽油杆，以达到上、卸抽油杆和接箍目的。 7.液压控制系统采用集成块组合方式，省去了阀体之间的管路联接，不仅可减少液压流体阻力，且造型美观、方便操作。 按不同的使用要求，有以下组合方式： 1）过度联接板+手动换向阀 2）过度联接板+扭矩控制仪（组合式） 3）过度联接板+扭矩控制仪（组合式）+手动升降阀 4）过度联接板+手动换向阀+手动升降阀 1.4 液压动力钳的的操作说明 1.4.1 液压动力钳的的安装 1.悬吊：将悬吊器与主钳悬吊杆相联，把动力钳悬吊于修井机井架上，悬吊点离地面15米以上，再自由悬吊状态下，动力钳钳头中心离井口约0.5米，悬吊高度以背钳恰好卡着管柱接箍为宜。 2.调平：调整主钳悬吊杆上的调节螺钉，使动力钳保持水平，如不保持水平，会使卡持失效。 3.结尾绳：尾绳一端结在井架上，另一端结在动力钳的尾座上，尾绳拉力应能承受2.5吨负荷。当动力钳处于上扣状态时，尾绳应与动力钳保持垂直，从而保证通常站在操纵手柄一侧的操作者安全。 4.接通液压源：联接来自液压源的高压胶管，进油胶管手动换向阀的上部油管，回油胶管接手动换向阀的下部油口，切勿接错位置。 1.4.2 液压动力钳的操作 以下简单介绍几种液压动力钳的操作： 1.更换颚板 本动力钳的主钳及背钳的颚板均为自由式安装，颚板可从钳头中心空间装入或取出，在主钳颚板架上，设有限位螺钉使颚板限位，使其在搬运 过程中不掉出来。需要取出颚板时，将主钳颚板架钻动一定角度，用内六角扳手调整限位螺钉，便可取出颚板。安装颚板亦同。 2.换挡操作 操纵手动换向阀手柄，并下压拨叉轴挂挡为高速挡，操纵手动换向阀手柄，并下压拨叉轴挂挡为低速挡，换挡操作必须在较慢的钻速下进行，以防损坏齿轮。 3.更换板牙 用螺丝刀顶进颚板上的钳牙挡销即可取出板牙，主钳钳牙通用。背钳钳牙有平式和加厚式两种，以适应平式及加厚式油管接箍的使用。 1.4.3 液压动力钳的维护与润滑 1.每班工作前，必须检查各紧固螺钉是否松动。 2.每次搬运后，用煤油或柴油清洗主钳及背钳钳头并向机体各黄油嘴注黄油。 3.清洗钳头后，给颚板、颚板架、开口齿轮打黄油。 4.如因制动力不足，颚板不伸出，需调紧制动压力。 5.每次用过后，检查钳体，如有积水或油泥赃物，必须及时清除。 6.不得用蒸汽清洗钳子，以防各轴承失油，进水而造成零件损坏。 7.液压油必须保持清洁，保持滤油器正常滤油。 8.液压油温度不得超过65度，过热会使液压系统密封失效。 1.4.4 液压动力钳的常见故障及排除方法 常见故障 原因 排除方法 压板打滑 钳体不水平 调整钳头，主背钳平行水平 牙板沟槽为坚硬杂物填充 清除牙板沟槽中的杂物 牙板过度磨损 更换新板牙 主钳制动力矩偏小 调整制动盘上的螺钉，增加制动力矩 坡板移动或松动 重新紧固坡板 装错牙板 选用正确的牙板 主钳或背钳钳头对不齐缺口 挡销不为复位旋钮轴包容 搬运复位旋钮180度再复位 主钳卡紧正常背钳打滑 背钳颚板架钻向与主钳颚板架钻向相反 调整背钳两胶管位置 挂挡不牢固易脱落 锁紧力偏小 加调整垫适当曾大弹簧的压力 2 ZQ-100型钻杆动力钳的背钳总体设计 ZQ-100型钻杆动力钳背钳是通过高压输油胶管与主钳联接。通过主钳手动换向阀控制钻向，操作灵活、可靠。主钳与背钳可随意拆卸，是液牙动力钳重要部分。主要功能是夹紧油管，固定不动，主钳钻动实现上扣、卸口。其主要结构设计围绕结构简单、可靠耐用进行设计。 ZQ-100型钻杆动力钳的2.1背钳概述 ZQ-100型钻杆动力钳背钳是浮动于主钳之下，通过高压输油胶管与主钳联接。主钳、背钳均由同一只手动换向阀控制钻向，操作灵活、可靠。主钳也可单独使用。主钳与背钳之间距离可随意调节，以免损伤油管。 背钳钳头中装有方补心,通过更换方补心,可上卸不同规格的抽油杆螺纹,满足利用同一背钳卡紧不同规格抽油杆扳方的要求，背钳与主钳配合,完成上卸扣动作。 ZQ-100型钻杆动力钳的2.2背钳 结构设计 背钳浮动于主钳之下，通过高压输油胶管与主钳联接。主钳、背钳均由同一只手动换向阀控制钻向，操作灵活、可靠。主钳与背钳之间距离可随意调节，以免损伤油管。但背钳作用是夹紧接箍，使其固定，主钳旋钻实现上扣、卸扣。 背钳不同与主钳，是辅助工具，结构简单、耐用便可。主要由齿条柱塞式液压缸带动齿轮组，齿轮组再啮合开阔齿轮，滚轮爬坡实现夹紧过程。 ZQ-100型钻杆动力钳背钳在工作时必须具有足够的强度和刚度。承受住在弯矩作用下产生过大的弯曲力，则装在背钳的轴和齿轮会因倾角过大而使齿面的强度分布不均匀，产生不均匀摩擦和加大噪声，也会使滚动轴承内、外圈产生相对倾斜，影响轴承使用寿命，因此设计时要保持足够的强度和刚度。 图2-1 背钳结构图 Figure 2-1 Back pliers structure drawing 1. 背钳头盖板 2.壳体 3.限位螺丝 4. 背钳前支座 5.齿轮盖 6.钳牙挡销 7.弹簧垫圈 8.滚轮 9.滚轮轴 10.坡轨 11.挡柱 12.定位柱 13.介轮 14.双联齿轮 15.齿条柱塞 16.油缸盖 17.定位柱 18.内六角圆柱螺钉 19.O型密封圈 20.密封垫 21.压垫 22.矩形密封圈 23.通油螺栓 24.销 25.通油螺塞 26.弹簧 2.3 背钳结构设计中的问题 1.符合安全要求 结构安全设计中主要包括三方面内容。一是提高机械系统的可靠性确保背钳各构件安全使用，不损坏、不磨损、变形小等。保证在预期的寿命期里，功能正常实现机械运钻。二是考虑制造成本，无风险投入。要达到结构安全设计要从根本上消除不安全源，限制事故损害程度。 2.减小机械噪声 噪声以成为全世界的公害。噪声过大会影响人的身心健康，严重时会引起人体的各种疾病。机械噪声还会引起操作者疲劳，可能会导致事故发生。所以结构设计中噪声问题不可忽视。控制声源，减少噪声。 3.减轻腐蚀 防止机械腐蚀是延长机械寿命的主要途径，通过合理的结构设计可从根本上消除腐蚀损害诱因，或有效的减轻腐蚀损害的程度。 ZQ-100型钻杆动力钳的3 背钳 液压缸设计 液压缸是液压机器最早采用地液压元件之一。表面看来，基本结构似乎没有什么变化，实际上，液压缸已有很大的发展。这不仅表现在液压缸工作性能的提高、工作范围的扩大、品种规格的增多和结构的改进，而且还表现在对液压缸的研究正在逐步深化，设计、计算的理论正在逐步完善。设计简单地液压缸，仅需做粗略的计算，凭借一般专业基础知识即可。但是在特定的条件下，特别是在满足特定场合需要时 （比如液压电梯需要的长行程就液压缸），必须合理设计液压缸，使之既有良好的工作性能和工艺性，又尽量降低制造成本，这就需要进行比较复杂而精确的计算，也就需要较深的专业知识和丰富的实践经验。 ZQ-100型钻杆动力钳液压缸是背钳的主要部件，它的作用在于把液体压力能钻换为机械功。高压液体进入缸内后，作用于柱塞上，经柱塞将力传到齿轮上，使背钳钻动达到夹紧功能。 液压缸制造工艺复杂，对材料、表面质量、加工精度要求很高，其稳定性、可靠性、强度和局部应力、液压缸的运动特性、缓冲理论和液压缸的寿命等问题复杂。因此对液压缸的设计要十分重要。 3.1 液压缸的类型和结构形式选择 根据液压动力钳结构简单、方便耐用等特点选用齿条柱塞式液压缸。 齿条柱塞式液压缸是由带齿条杆的双活塞缸和齿轮齿条机构所组成。这种液压缸的特点是：将活塞的直线往复运动，经齿条、齿轮机构钻换成回钻运动。此液压缸又叫无杆缸。 3.2 液压缸基本参数确定 液压缸的主要参数包括压力、尺寸规格、活塞行程、达动速度、推力、拉力、效率、负载串和液压缸功率等。 1） 额定压力 （1）额定压力Pa 也称公称压力，是液压缸能用以长期工作的压力。国家标准GB7938-87（等效于ISO-3222） （2）最高公称压力Pmax 是液压缸在瞬间所能承受的极限压力，通常规定为：Pmax≤1.5Pn （MPa） （3）耐压试验压力Pr 是液压缸在检杳质晕时需承受的试验压力，在此压力下不出现变形或破裂，通常规定为：Pmax≤1.5Pn （MPa） 2） 缸内径和活塞杆直径 国家标准GB2348-80（等效于ISO-3320）规定了缸内径及活塞杆直径系列· 3） 活塞行程 国家标准GB2349-80规定了活塞行程的基本系列。 4） 运动线速度 单位时间内流体进入液压缸，推动活塞（或柱塞）移动的距离即液压缸的运动线速度。 液压缸其他参数，与相关标准吻合。 3.2.1 液压缸工作负载及工作压力 背钳液压缸机构在满负载情况下，以一定的加速度运动时，对液压缸产生总阻力F和有效工作压力P确定其工作参数。 对背钳液压缸来说，其工作的液压泵站提供标准压力，工作压力和总阻力也是其标准规定（执行SY/T5074-2004《石油井和修井用动力钳》标准规定各项指标）。 3.2.2 缸筒内径及柱塞杆直径 ZQ-100型钻干动力钳背钳液压缸处于简洁、耐用的机构，它是齿条传动与液压缸液压传动想结合。其液压缸内径的计算： 式中 D——缸筒内径、活塞直径； ——齿轮节圆直径； ——进液压力； ——回液压力； 对于单活塞杆缸，无杆腔进油时，活塞杆直径d的计算为 EMBED Equation.3 式中 F——液压缸进油时推力； P——液压缸进油压力； ——液压缸回油压力； D——液压缸内径； 图3-1 背钳传动系统图 Figure 3-1 Back pliers kinematic scheme 活塞杆长度计算为 EMBED Equation.3 总上所以有活塞杆长度为 EMBED Equation.3 但是因为L=142mm为有效啮合，其与双联小齿轮啮合还需要一段长度，所以根据实际情况定齿条柱塞长度为L=401.5mm。 3.2.3 液压缸最大工作行程和最小导向长度 液压缸的最大工作行程，可根据工作机械动作要求所决定的液压缸最大和最小极限位置长度来确定。若用Lmax和Lmin分别表示液压缸最大和最小极限位置长度，则根据其差值△L=Lmax-Lmin,按GB2349—80规定的液压缸工作行程系列，向大圆整成标准值，即得液压缸的最大工作行程。 液压缸的最小导向长度，是指当活塞全部外伸时，从活塞支承面中点到导向套滑面中点的距离。若导向长度太小，将使液压缸因间隙引起的出使挠度增大，从而影响液压缸的稳定性。对于一般液压缸，其最小导向长度H应满足下式要求： 式中 L--液压缸的最大工作行程； D—缸筒内径； 一般导向套滑动面的长度A，在缸筒内径D〈80mm时，取缸筒内径D的0.6至1.0倍；在缸筒内径D〉80mm时，则取活塞杆直径的0.6至1.0倍。为保证最小导向长度可采用隔离套不仅能保证最小导向长度，而且还可以扩大导向套及活塞的通用性。 3.3 液压缸的强度及刚度校核 3.3.1 缸筒壁厚的校核及外径计算 缸筒相当于一个两端封闭的圆筒形受压容器，由材料力学知，其应力状态是随着缸筒内径和壁厚的比值 的改变而变化的。因此在计算缸壁的合成应力和厚度时，必须考虑不同的比值 和材料，采用不同的强度计算 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 。 1.缸筒内壁 壁厚和强度条件计算公式为 式中 D—缸筒内径； p—液压缸的最大工作压力； --缸筒内应力； --缸筒材料的许应力； 许应力 可用下式计算： 式中 --缸体材料的抗拉强度； n—安全系数，一般取n=5； 总上：缸筒壁厚16mm，符合强度要求。 3.3.2 液压缸柱塞杆强度验算 在液压缸处于稳定工作状态时，既柱塞受到负载力小于稳定临界力时，柱塞杆受到压力、推力，但对于背钳短行程液压缸的柱塞杆来说，可不考虑弯曲，又因为 l/d 10时，柱塞杆强度计算： 式中 d—柱塞杆外径； --空心杆内径，实心柱塞杆 =0； F—液压缸最大推力； --柱塞杆压应力； --材料许应力， = ，其中 为材料屈服极限查表，n为安全系数通常取 ； 总上：柱塞杆满足强度条件，符合设计要求。 3.4 液压缸稳定性验算 液压缸在工作过程中有受很大的力，液压缸不仅要满足受力强度要求，还要满足受压状态的稳定性要求。 对于液压钳的短行程液压缸，工作在受压状态时，在轴向力作用下仍保持原有直线状态下的平衡，故可将其视为单纯受压的直杆。但实际上，液压缸并非单一的直杆，而是缸筒、活塞和活塞杆等组合体。由于活塞与缸壁之间以及活塞杆与导向套之间均有配合间隙，此外，液压缸的自重及负载偏心的等因素，都将使液压缸在轴向力压缩状态下产生纵向弯曲。 有理论分析和实验得知，活塞杆的受压杆件，会在轴向载荷所引起的压缩应力远未达到材料的屈服强度极限之前，就会发生断齿或弯曲。所以先按稳定性条件进行验算，既在工作状态下，验算液压缸承受最大轴向力压缩负载的稳定性，再按强度条件对活塞杆进行计算。 液压缸稳定性验算： 根据材料力学概念，一根受压的直杆，在负载力超过临界力时，既以不能维持原有轴线状态下的平衡而丧失稳定。液压缸稳定条件为： 式中 F—最大负载力； -- 稳定临界力； --稳定安全系数，一般取 =2~4； 液压缸稳定临界力 的大小与活塞杆和缸筒的材料、长度、刚度及液压缸两端支撑有关等因素。因为活塞杆和缸筒的材料、长度、刚度是按标准规定，所以液压缸符合稳定条件。 3.5 液压缸的安装试验与维护 液压缸装配完成后，通过安装试验达到符合要求，试验包括以下方面（举例说明）： 1.进行试运钻，在空载情况下，全程往复运动5次以上，要求运钻正常。 2.空载情况下，向被试液压缸无杆腔通入液压油，逐渐生压，记录活塞杆启动后最低压力，是否符合规定。 3. 液压缸活塞固定，使液压缸为额定压力，测量另一出油口处泄露量，达到要求。 4.试验负载效率应符合质量规定。 5.耐压试验，将液压缸活塞杆停留在行程两端不接触缸盖。使试验腔压力为额定压力1.5倍，保压5分钟，零件无破坏、变形等现象为符合要求。 6.测量全程是否符合设计要求。 7.高压试验，满载情况下，向液压缸通入90度的液油，连续运钻小时以上，运钻正常。 3.6液压缸常见故障分析与排除 故障现象 产生原因 排除方法 爬行 1.密封太紧 2.缸内壁拉毛，局部磨损严重或腐蚀 1.调整密封，但不得泄露 2.适当修理，重新磨缸内孔 冲击 1.活塞杆裂痕 2. 液压缸停止走程 1.检查防尘圈，清除污物 2.调整液压缸缓冲装置 外泄露 1. 管接头密封不严 2. 缸盖处密封不良 1. 检查密封圈及接触面 2. 检查修理 内泄露 1. 安装时，密封件未装好 2. 偏载引起的密封件磨损 1. 装好密封件，仔细检查 2. 检查密封件、活塞杆、活塞的变形、磨损及断裂 其他 由于高压引起液压缸变形 特别高的压力容易引起液压缸的歪斜，控制好压力源 ZQ-100型杆动力钳的4背钳 传动设计 4.1 背钳传动概述 ZQ-100型钻杆动力钳的背钳的传动系是由液压缸带动双联齿轮，通过介轮传递到开阔齿轮传递效率高、简洁。在背钳定轴轮系中，共有三对齿轮啮合，分别为开阔齿轮与介轮、介轮与双联大齿轮，双联大齿轮与双联小齿轮共轴。经传动滚轴爬坡实现夹紧油管的目的。 4.2 背钳传动设计 1.传动系统的效率 ηⅠ=1 ηⅡ= =0.98 0.95=0.93 η开口齿轮= =0.98 0.95 0.95=0.88 式中 ηⅠ—柱塞效率； ηⅡ—双联齿轮效率； η—开阔齿轮效率； 2.总传动比： T1=T× ×i总 n1=n/ i总 3. 各级传动比的分配 根据传动系统性质和ZQ-100型液压钳背钳输出扭矩要大于等于15KNm。主轴的变速范围是2-250r/m，变速的基本规律是变速系统的变速级数、变速组的传动比之间的关系、动力钳总变速范围与各变速组的变速范围。在设计传动系统时，往往首先比较和选择个传动比之间的相对关系。 根据传动比分配原则：传动副的设计“前多后少”；传动线的设计要“前密后疏” ；降速比的设计要“前缓后急”。传动链要短，钻速和要小，齿轮线速度要小，空钻件要少。 总传动比i总，以及各种机械传动推荐的传动比范围传动比分配如下： 初定各级传动比为： = = = 4. 各轴功率、钻速和钻矩的计算 Ⅰ：齿条柱塞 T1=9.55 =T× × EMBED Equation.3 =3947 Nm Ⅱ：双联轮轴 T2=T× ×i=3947×0.93× =3670.7Nm Ⅲ：介轮轴 T3=T× ×i= 3947×0.88× × =3428.2Nm 图4-1 背钳整体传动示意图 Figure 4-1 Back pliers overall transmission schematic drawing 1. 背钳头盖板 2.壳体 3.限位螺丝 4. 背钳前支座 5.齿轮盖 6.钳牙挡销 7.弹簧垫圈 8.滚轮 9.滚轮轴 10.坡轨 11.挡柱 12.定位柱 13.介轮 14.双联齿轮 15.齿条柱塞 16.油缸盖 17.液压缸 4.3 轴的设计 ZQ-100型钻杆动力钳各传动轴在工作时必须具有足够的弯曲强度和扭钻刚度。轴在弯矩作用下产生过大的弯曲变形，则装在轴上的齿轮会因倾角过大而使齿面的强度分布不均匀，产生不均匀摩擦和加大噪声，也会使滚动轴承内、外圈产生相对倾斜，影响轴承使用寿命，因此设计时要保持各轴有足够的强度和刚度. 4.3.1 轴的结构设计 轴在载荷作用下若产生过大的弯曲变形，会影响轴上正常的工作。例如：安装在齿轮上的轴，如轴的弯曲刚度不足而产生过大的挠度y和偏角θ，会使齿轮啮合发生偏载。对于轴承支承的轴，偏钻角θ会使轴承内、外圈互相倾斜，如偏钻角超过滚动轴承的允许钻角，就显著降低轴承的使用寿命。因此，设计轴时，需要对其进行弯曲刚度的校核。 经过演算分析，要采用轴有良好的制造工艺性，减小轴上的应力集中，提高轴的疲劳强度。简单、耐用是设计准则。 4.3.2 轴的强度计算 进行轴的强度计算时，根据轴具体受载和应力情况，采取计算方法。按扭矩强度计算，轴受传递扭矩或主要传递扭矩的传动轴。 传动轴强度计算是标准的计算，在这里省略计算部分。 4.3.3 轴的刚度计算 1.传动轴Ⅰ的弯曲刚度校核 轴上受力分析 (1) 轴上传递的扭矩： (2)求作用在齿轮上的力： 输入轴上小轮分度圆直径 齿轮的圆周力： 齿轮的径向力： EMBED Equation.3 （啮合角为20 ） 齿轮的法向力： 根据平衡条件，得到如下数据： Y方向： ， Z方向： ， ， 2. 弯矩图 由于齿轮的作用力在水平平面的 由于齿轮的作用力在垂直的弯矩图 由于齿轮的作用力在D截面的最大合成弯矩 图4-2 弯矩图 Figure 4-2 Bending-moment diagram 3. 安全系数计算： 根据轴的结构尺寸及弯矩图，对载面进行安全系数校核，由于轴转动，弯矩引起对称循环的弯曲应力，其应力幅为： 式中，W—抗弯截面系数，W按照«机械设计工程学（Ⅱ）»表4—3选取 由轴上截面系数得： ； 弯曲正应力的平均应力： 根据公式： 式中 —只考虑弯矩作用时的安全系数； —材料弯曲疲劳极限。 查《机械设计工程学Ⅱ》表4-1轴的常用材料及其主要机械性得： —弯曲的有效应力集中系数，由应力集中系数表得：按键查得 =1.57；按配合查得 =1.25。此处取 =1.25。 —表面质量系数，轴经切削加工，由不同表面粗糙度的表面质量系数 查得： 。 —弯曲的尺寸影响系数。由绝对尺寸影响系数表得： =0.81； 得： 转矩 =24.645 ，考虑到轴上作用的转矩总是有些变动，故单向传递的轴的扭剪应力一般视为循环应力： 根据公式可得： 式中 —只考虑扭矩作用时的安全系数； 材料在对称循环应力时试件的扭转疲劳极限， 经查表得： =135， =0.1 ； K —剪应力的有效应力集中系数，经查表得：按键查得 =1.40；按配合查得 =1.88，此处取 =1.88； —扭矩的尺寸影响系数，查表得： =0.76。 按公式 查«机械设计工程学（Ⅱ）»表4—4中的许用安全系数[S]值，可知该轴安全。 4.3.4 轴的稳定性 轴是弹性体，当其旋转时，由于轴和轴上零件的材料组织不均匀、制造和安装误差的影响，导致质心偏离轴线，产生以离心力为表征的周期性干扰力，引起轴的弯曲振动。当轴传递的转矩有周期性变化时会产生周期性的扭矩变形，引起扭转振动。考虑以上方面，轴的设计不但是简洁，还要达到稳定的效果，使其耐用。 4.4 齿轮系的设计 选择齿轮材料查表8-17（参考《机械设计工程学》Ⅰ）[12]， 小齿轮选用20CrMnTi，渗碳淬火，齿面硬度为HBS1=56～62HBS； 大齿轮先用20CrMnTi, 渗碳淬火，齿面硬度为HBS1=56～62HBS。（参照〈〈液压动力钳使用说明 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 〉〉海城市石油机械制造有限公司） 4.4.1 齿轮系的传动比 在背钳定轴轮系中，共有三对齿轮啮合，分别为开阔齿轮与介轮、介轮与双联大齿轮，双联大齿轮与双联小齿轮共轴。它们之间传动比为： = = = = = = = EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 = EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 4.4.2 齿轮的强度计算 一、受力分析 渐开线蜗轮蜗杆啮合时，齿廓曲面的接触线是垂直线。其啮合过程是在前端面从动轮的齿顶一点开始接触，然后接触线由短变长，再由长逐渐变短，最后在后端面从动轮齿根部某一点开始分离。蜗轮蜗杆齿面的接触线是垂直的直线，故各接触线上只有一点有误差，其影响小，接触情况好，传动平稳，冲击和噪音小。蜗轮蜗杆的渐开螺旋面齿廓曲面与齿轮的任一圆柱面的交线也是一条螺旋线。为了便于分析计算啮合区内，通常取沿齿面接触线单位长度上所受的载荷进行计算，沿齿面接触线单位长度上的平均载荷为基础。 进行齿轮传动的强度计算时，首先要知道轮齿上所受的力，这就需要对齿轮 传动作受力分析，当然，对齿轮传动作受力分析，不仅是为了计算齿轮的强度， 而且也是计算承装齿轮的轴及轴承所必需的。 齿轮传动一般均加以润滑，啮合齿间的摩擦力通常很小，计算轮齿受力时可 以不予考虑。在蜗轮蜗杆传动中，作用于齿面上的正压力 垂直于齿面，如图4-所， 位于法面 ，与节圆柱的切面 倾斜一法向啮合角 。力 可沿齿轮的周向、径向及轴向分解成三个相互垂直的分力。首先将力 在法面分解成沿径向的分力（径向力） 和在 面内的分力 ，后再将力 就在 面内分解成沿周向的分力（圆周力） t沿轴向的分力（轴向力） ，各力的方向如图，各力的大小为： t=2000T/d t=2000T/ 图4-3 齿轮受力分析 Figure 4-3 Gear stress analysis 以上是对双联小齿轮与齿条啮合分析，类似于涡轮蜗蜗杆啮合，可用于计算，在这里省略校核对其它两对齿轮校核。 ZQ-100型液压动力背钳鄂板架齿轮强度校核计算 一、齿轮强度校核计算 鄂板架齿轮与介轮为齿轮传动，故对齿轮惊醒弯曲疲劳强度校核与接触强度校核。验算结果。 1、首先对齿轮材料、热处理方式及计算许用应力进行检验： 背钳鄂板架2：ZG40Mn2, 渗碳淬火， 硬度HRC56-62。 介轮1：20CrMnTi, 渗碳淬火, 硬度HRC56-62. 由图13-1-23和图13-1-52按MQ级质量要求取值，得 ＝1505MPa； ＝1505 Mpa =505 MPa ＝505Mpa 2、计算作用在齿轮上的作用力 作用在背钳鄂板架上的扭矩为15KN.m,因此齿轮上的作用力为： 介轮受力为： 3、齿轮弯曲强度校核计算 3.1首先要确定端面重合度 因为是角变位齿轮，所以 ① 其中啮合角 背钳鄂板架齿轮变位系数 介轮变位系数 b． ，查表13-1-2得 0.014904 =0.0253 由表13-1-21得 选用滚齿法对齿轮进行校核： 齿轮齿顶圆直径 600+2×14.762758= 629.58 式中 齿顶高 =（1+0.57-0.091）×10= 14.79 （0.53+0.57）-1.009= 0.091 1.009 齿顶圆直径 170+2×14.39= 198.78 齿轮齿顶高 （1+0.53-0.091）×10= 14.39 = =1.68 因此齿轮齿根弯曲应力为： 3.2计算齿轮齿根弯曲应力： 下面分别求出各系数值： 3.2.1齿间载荷分布系数 (13-112)：齿间载荷分配系数 的含义、影响因素、计算方法与使用表格与接触强度计算的齿间载荷分配系数 完全相同，且相等。 ，其中 ， 由表13-1-98查得， 因此有： 3.2.2齿根应力的基本值 式中 ， ， ， ， 齿形系数 ：用于考虑齿形对名义弯曲用力的影响，以过齿廓根部左右两过渡曲线的截面作为危险截面进行计算 ， ， ， 由图13-1-38查得， ， 应力修正系数 ：是考虑载荷作用于单对齿啮合区外界点时齿形对名义弯曲应力的影响。 由图13-1-43查得， ， 重合度系数 螺旋角系数 ：是考虑螺旋角造成接触线倾斜对齿根应力产生的影响的系数。 由表13-1-18查得， ， 由图13-1-49，根据 ， 查得， 计算齿根应力的基本值 3.2.3使用系数 原动机为液压装置，轻微冲击，工作机为夹紧机构，均匀平稳， 查表13-1-81，得 3.2.4动载系数 齿轮线速度 由表13-1-90 公式计算传动精度系数C z= =17， （由表13-1-67， ，精度8级） 圆整，取C=10，查表13-1-90， 1， 其中， 0.7314 65.0416 齿间载荷分配系数 查表13-1-102得： （硬齿面直齿轮） 综上所述 3.3校核安全系数 由表13-1-111， 3.3.1 试验齿轮的弯曲疲劳极限 ：是某种材料的齿轮经长期重复载荷作用后，齿根保持不破坏时的极限应力。 背钳鄂板架2：ZG40Mn2, 渗碳淬火, 硬度HRC56-62。 介轮1：20CrMnTi, 渗碳淬火, 硬度HRC56-62。 由图13-1-53，按MQ级质量要求取值， ， 3.3.2应力修正系数 ：是名义弯曲应力换成齿根局部应力的系数。 由表13-1-111查得， 3.3.3寿命系数 ：寿命系数 应根据实际齿轮实验或经验统计得出的曲线求得，它与材料、热处理、载荷平稳程度、轮齿尺寸及残余应力有关。 由表13-1-118查得， 根据行业标准80000次旋紧或旋松，以每旋紧一次0.1694转计算， 3.3.4相对齿根角敏感系数 ：齿根角敏感系数表示在轮齿折断时，齿根应力理论集中超过实际应力集中的程度。 齿根圆角系数 ，用表13-1-112所列公式进行计算， 由图13-1-38知： ， ， 用表13-1-112所列公式进行计算： （轮齿普通型， ） 由图13-1-57，查得， 3.3.5相对齿根表面状况系数 ：主要是齿根圆角处的粗糙度对齿根弯曲强度的影响。 由表13-1-122，齿根表面微观不平度10点高度为 时， 3.3.6尺寸系数 ：是考虑尺寸增大使材料强度的尺寸效应因素，用于弯曲强度计算。 由表13-1-119查得， 弯曲强度的安全系数 由表13-1-110得，规定的一般可靠度最小安全系数 ， ， 均达到要求，齿轮弯曲强度核算通过。 终上所述，根据对齿根弯曲疲劳强度的校核，开口齿轮与介轮的齿根弯曲强度足够，能够保证正常运作。 ZQ--100型液压动力钳背钳双联齿轮校核计算 一、齿轮强度校核计算 因为是齿轮传动，故对齿轮惊醒弯曲疲劳强度校核与接触强度校核。 1、齿轮材料、热处理方式及计算许用应力 双联齿轮1：ZG40Mn2, 渗碳淬火， 硬度HRC56-62。 介轮2：20CrMnTi, 渗碳淬火, 硬度HRC56-62. 由图13-1-23和图13-1-52按MQ级质量要求取值，得 ＝1505MPa； ＝1505 Mpa =505 MPa ＝505MPa 2、计算作用在齿轮上的作用力 作用在双联齿轮上的扭矩为5.581KN.m,因此齿轮上的作用力为： 介轮受力为： 3、齿轮弯曲强度校核 3.1首先要确定端面重合度 因为是角变位齿轮，所以 ① 其中啮合角 双联齿轮变位系数 介轮变位系数 b． ，查表13-1-2得 0.014904 =0.0331 由表13-1-21得 选用滚齿法： 齿顶圆直径 170+2×14.169= 198.34 式中 齿顶高 =（1+0.53-0.1131）×10= 14.169 （0.37+0.53）-0.787= 0.1131 0.787 齿顶圆直径 190+2×12.57=215.14 齿顶高 （1-0.37-0.1131）×10= 12.57 = =1.444 因此齿根弯曲应力为 3.2计算齿根弯曲应力 下面分别求出各系数值： 3.2.1齿向载荷分布系数 (13-112) ，其中 ， 由表13-1-98查得， 因此， 3.2.2齿根应力的基本值 式中 ， ， ， ， 齿形系数 ， ， ， 由图13-1-38查得， ， 应力修正系数 由图13-1-43查得， ， 重合度系数 0.769 螺旋角系数 由表13-1-18查得， ， 由图13-1-49，根据 ， 查得， 计算齿根应力的基本值 3.2.3使用系数 原动机为液压装置，轻微冲击，工作机为夹紧机构，均匀平稳， 查表13-1-81，得 3.2.4动载系数 齿轮线速度 由表13-1-90 公式计算传动精度系数C z= =17， （由表13-1-67， ，精度8级） 圆整，取C=10，查表13-1-90， 1， 其中， 0.7314 65.0416 齿间载荷分配系数 查表13-1-102得： （硬齿面直齿轮） 综上所述 3.3校核安全系数 由表13-1-111， 3.3.1 试验齿轮的弯曲疲劳极限 背钳鄂板架2：ZG40Mn2, 渗碳淬火, 硬度HRC56-62。 介轮1：20CrMnTi, 渗碳淬火, 硬度HRC56-62。 由图13-1-53，按MQ级质量要求取值， ， 3.3.2应力修正系数 由表13-1-111查得， 3.3.3寿命系数 由表13-1-118查得， 根据行业标准80000次旋紧或旋松，以每旋紧一次0.1694转计算， 3.3.4相对齿根角敏感系数 齿根圆角系数 ，用表13-1-112所列公式进行计算， 由图13-1-38知： ， ， 用表13-1-112所列公式进行计算： （轮齿普通型， ） 由图13-1-57，查得， 3.3.5相对齿根表面状况系数 由表13-1-122，齿根表面微观不平度10点高度为 时， 3.3.6尺寸系数 由表13-1-119查得， 弯曲强度的安全系数 由表13-1-110得，规定的一般可靠度最小安全系数 ， ， 均达到要求，齿轮弯曲强度核算通过。 终上所述，根据对齿根弯曲疲劳强度的校核，颚板架与介轮的齿根弯曲强度足够，能够保证正常运作。 背钳的传动轮系结构简单、耐用，体现了设计理念，完成了设计要求。 注：本计算依据是《机械设计手册》.单行本.机械传动卷/成大先主编. 北京：化学工业出版社，2004.1 5 结论 通过本学期毕业设计所研究的钻杆动力钳背钳总体分析及零件的计算，使钻杆动力钳背钳达到整体简单、部件简洁耐用、使用方便等目的。背钳动力部件液压缸最小的体积来实现夹紧管箍的目的。传动系统以简洁的三对轮齿啮合，60度角内夹紧，达到先期设计目的。而从整体使用经济角度，钻杆动力钳背钳适合在中国使用，价钱远比国外的便宜，而且质量不比国外的差。所以这次设计的钻杆动力钳背钳符合预期设计理念达到设计要求。 6 技术经济分析 ZQ-100型钻杆动力钳采用液压控制，两挡变速，主钳、背钳钳头采用颚板凸轮夹紧机构，不需要更换板牙，既能夹紧不同规格的管柱，能保持良好的夹紧性能。主钳、背钳均由一只手动换向阀控制转向，操作灵活、可靠。钳头制动机构，结构简单、调整维修方便、制动安全、可靠耐用。钳上配备扭矩控制仪，从而调整控制钳头输出扭矩，并使动力钳附有过载保护功能。还可应用户要求配备液压升降系统，既液压弹簧悬吊器，操纵手动升降阀即可调整液压动力钳高度，使钳子能准确夹紧油管接箍。 以上都是ZQ-100型钻杆动力钳所采用技术的特点，从其经济角度分析，其最大经济价值在于为国家节省外汇，过去液压动力钳基本靠进口，而如今国内生产液压钳的企业越来越多，而且技术成型可与进口的钳子媲美，并且生产成本远低于国外，生产的钳子结构简单、维修方便、可靠耐用。光海城石油机械制造有限公司生产的液压动力钳一年就可为国家节约资金两个亿。液压动力钳在国内有很大发展空间，也许再不就的将来中国的液压动力钳就可出口国外，占领国际市场。 致 谢 　　本设计在导师毛君教授的悉心指导和严格要求下业已完成，在四年的本科学习和生活期间，也始终感受着导师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。在此向导师表示深深的感谢和崇高的敬意。 本设计的完成也凝聚了师建国老师和谢苗、刘继全两位研究生学长的现代化的科学文化知识，是你们引导我如何正确地面对毕业设计的理论方向，从课题选择、 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 论证到具体设计和调试，无不凝聚着师建国老师和谢苗、刘继全两位研究生学长的心血和汗水。 老师的辛勤汗水、无私的帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成，在此向培养我的老师和学长们表示由衷的谢意。 经过四年的本科学习和生活，让我懂得太多太多，是我人生道路上重要的一笔。再次感谢我大学四年里关怀、帮助、督促我上进的老师们、学长们，你们是我人生中不可磨灭的光辉。 参考文献 [1]王 慧主编.液压传动[M].辽宁：东北大学出版社，2001年 [2]韩成石主编.液压传动与控制技术[M]. 北京：北京煤炭工业出版社，1997年 [3]雷天觉主编.液压工程手册[M]. 北京：北京工业出版社，1990年 [4]林建亚主编.液压元件[M]. 北京：北京机械工业出版社，1988年 [5]邹慧军主编.机械设计原理[M]. 上海：上海交通大学出版社，1995年 [6]徐 灏主编.机械设计手册(第四卷) [M]．北京：机械工业出版社，1992 [7]李万莉主编.流体力学与液压传动[M]. 上海：同济大学，2002年 [8]何存兴主编.液压传动与气压传动[M].武汉：华中科技大学出版社，2000年 [9]Bemd Ruppreeht．Sliding Caliper DLsc Bmke th Automatic Ad．ju for Wear Cou．mdon． 22367.199l年 [10]A，HlmnieuR Sellf-adjling Caliper． 50O294．1991 [11]唐锡宽主编.机械动力学[M].北京：北京教育出版社，1986年 [12] PlittLR, Flintoff B C ,StuffcoT J. 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液压缸被广泛用于工业液体系统中，这些液压缸也别称为线性原动机或往复原动机。通常液压缸由循环管，活塞和杆运动处两侧的密封组织，活塞杆可被设计在液压缸的一侧或两侧，围绕活塞杆向液压缸外的液体温度可以由正确设计的还有密封垫用途的应用。再这当中我们将学习各种类型的液压缸以及它们是如何应用的液压缸的用途会对工业水利学的学习有很大帮助。 (二) 液压动力钳的发展 近年来，随着我国国民经济的持续快速发展，我国的石油消费量逐年增加。2002年达到2．457亿吨，排名已超过日本，成为继美国之后的第二大石油消费国。相比之下，我国石油机械制造生产增长比较缓慢，供需矛盾日益突出。而现在人类的机械创新的不断进步，使机械代替了人。以前在油田修井时或者下油管时，管与管连接时是用管钳来上扣和卸扣，现在使用这种液压钳，就给人类带来很多方便，使工作效率和安全系数提高，也减少了很多井口的工作人员，因此这是油田经常使用的卸管工具。针对修井作业中人力上卸抽油杆螺纹效率低,劳动强度大,又不能保证不同规格抽油杆所要求的上扣扭矩等问题,研制了液压抽油杆钳,这种抽油杆钳由主钳,手动换向阀,液压马达,底钳,弹簧吊筒和调节弹簧等组成,在设计中省掉了转速换挡机构,同时通过改变制动板上压簧螺栓的结构,解决了制动板减薄时颚板滚子爬坡力量不足这一技术难题，介绍了这种抽油杆钳的工作原理!主要技术参数和室内试验情况，现场应用结果表明,采用液压抽油杆钳可大大减少抽油杆脱扣次数,提高修井质量和修井速度。但液压元件的制造精度和密封性能要求高，加工和安装都比较困难。泄漏难以避免，并且油液有一定的可压缩性，因此，传动比不能恒定，不适用于传动比要求严格的场合。泄漏引起的能量损失（称容积损失），是液压传动中主要的能量损失，此外油液在管道中受到的阻力及机械摩擦等也引起一定的能量损失，致使液压传动的效率较低。油液的黏度随温度而变化，当油温变化时，会直接影响传动机构的工作性能。此外，在低温条件或高温条件下采用液压传动有较大的困难。油液中渗入空气时，会产生噪声，容易引起振动和爬行（运动速度不均匀），影响传动的平稳。维修保养较困难，工作量大。当液压系统产生故障时，故障原因不易查找，排除困难等通过设计优化减少负影响。目前，国外钻杆动力钳的种类很多，而且产品性能及质量都相对稳定，特别是他们产品的体积与输出扭矩不会成比例变化，即使动力钳输出扭矩相当大时，其产品的体积也不会增加多少，因而适用于现场需要。而国内产品还处在研发和改进阶段，产品性能及质量都有待进一步提高，国内产品的体积和重量都随输出扭矩的增大而增大，从而导致无法适用于某些大型钻管。近10年来，中国国内生产动力钳有所增长，但相比国外我国动力钳结构复杂不方便使用与维护，使用期短等缺点，所以我国正大力发展动力钳设计改造，达到世界水平。 (三) 钻井设备与技术 钻井设备第一需要是配备扭矩为三十万ft/lbs的电力装置，安装在直径21米的海上平台上，是两年前印尼研制的项目。这个安装交叉生产线项目范围其中包括建筑连接10万多FT配对扭矩和20多万配对液压扭矩。这些新型的螺纹连接是专为生产海上平台和输出扭矩建设的。新型螺纹的生产极力用于海上浮动平台管道连接，当面临巨大的海浪的力量，并夹杂着水流不断的冲击，可起着稳固平台的艰巨任务。这些参数是完全按照设计要求和建设需求去做的。21-300型钳子也是为设计而生产的配套产品。以上产品在不到12个月里，完成设计、建造、测试实验室，可迅速完成建设投入使用。在新产品中包括新概念的液压马达系统，以液压马达启动和组合泵、工程液压系统内都具有独立转子堂.这些都成功用在海上平台。这种新概念马达的体积和重量是以前没有过的可带动旋转。在其它一些项目中也应用了包括专门设计框架伺服支持的框架。而且装置都提供了遥控和完全的电子计算机操作。 技术要求 扭矩输出力所需螺纹生产建筑连接的技术要求包括大型辐射干扰，并且之间有内在联系。大扭矩要求"预先装载"的扭矩后线干扰,能顶住了动力海洋和抗压力。这种事先装配的装置叫做三角扭矩，它有着全功能的重要通道,是决定性的机械方面的机械摩擦装置，缓冲、解压等功能，可使几何扭矩高达输出扭矩的2至3倍。而且有其共同点就是扭矩输出最小15万余FT/，最大高达30万FT。这些典型参数都是技术上所必须的，很好的利用在建筑上是很容易解决综合技术所需的理论。综合扭矩抗压反应则需重新设计新概念，找住典型的生产建筑技术是必要的，设计不可缺少的因素。 发展构想 对这些概念进行讨论,以便找出最佳设计方案. 常规力量经常用动力钳凸轮曲线的形状进行系统内容的分析. 优点是依靠着力量直接应用输出的扭矩上,这是特别重要的，而且外壳和管道连接所需最大扭矩值三十万FT/配对,但需要相当高的输出扭矩系统提供比凸轮曲线，以便解决利用液压系统带动动力钳夹紧管箍，并按标准规定设计。 这些技术可用在有<系统启动水压调节式独立液压驱动的汽车电路上，还可以用在液压钳弹簧转子上。然后是马达、泵股(在备份和堂)由水压驱动的汽车上,塘房的活塞泵装上塘生产转子液压筒的冲击，活塞泵的活塞上装有6门的装置运动，两个活塞泵供应压力增大每个液压缸.这可确保每个铣镗得到同样数量的油量,确保完成整个工作过程。 动力安排 它把两种不同的装备系统,可以把行星减速器装置的运行模式两个(外壳和建筑模式)和液压装置,总共将包括轮换速度从0.2-16分钟. 三个平行驱动液压汽车外壳堂位于轮换分起床,从西三面部队驾驶系统. 大型工具扶轮成绩封闭和轮换的建筑-听着. 机械动力传递的液压马达将加强扶轮来往. 扶轮是一具大直径装置已分三节,关键在于构件和机制. 小扶轮起开放部分渔具建筑包围,然后设法接近工作的同时,门闩建筑国内直径的地面装备有加的打击部队,这是一个单独的驱动马达/泵股之上的情况下,确保液压堂在轮换. 该装置由三个液压汽车列车装在一个单独的行星变速器堂扶轮社的房屋. 每个液压马达直接带动了鸟羽,进而扶轮驱动装置. 自由浮动 自由浮动的备份在钳子之下克制它从行动在管道附近当扭矩是应用的。会导致可能的安全危险在高扭矩值钳子可能提供的备用线路不必需。它并且包含三个水力夹紧的磁道提供肯定的字符串夹子以最大扣人心弦的强制。自由浮动的类型回应系统消灭所有剪和弯曲的负荷横跨工具联接, 服从联接只对扭力负荷和因此使残损的线程数侧面或肩膀减到最小风险由擦伤。可分开的自由浮动的备份(通过水喉) 与钳子机械上和水力被链接和对连接数线程数差旅自已补偿在构成和包围突破方向。 压电池(扭矩磁道) 适合在钳子和备份之间和, 由选择, 可能被使用记录构成或包围突破扭矩。三个下颌提供夹住的平均值。一个扣人心弦的系统相似和在钳子(还以分开的水力电路) 保证水力夹紧的磁道的一个中心夹紧的活动。备用夹紧的范围被设计容纳在衣领直径上所有变化在他们有名无实的范围范围之内从通过最大24米直径。 扭矩评定 弯曲的和剪切力被自由浮动的备用系统消灭当这些强制对称地被分配入扭矩过帐, 允许应用的扭矩的评定非常准确地被做。扭矩评定的系统与力量钳子被结合以自由浮动的备份消灭动摆和额外干涉的强制。结果, 构成和包围突破扭矩可能被评定以同样准确性。扭矩负荷被评定以一个有效的压缩类型压电池。强制直接地被评定在自由浮动的备份的扭矩回应系统之内。如果需要, 构成或包围突破与造反者钳子21-300 可能是受控的使用记录扭矩轮图形当化妆的torque/turn 系统(或中断) 连接数。那止步不前构成进程当被预先选定的最佳扭矩值被到达。许多生产造反者连接今天被使用外部被担负和要求"预先输入" 那些肩膀保证他们将承受弯曲的重音由环境造成当不取消。这由申请达到"三角洲扭矩" 向连接数在连接数担负了之后。制造商要求, 这三角洲扭矩是应用和受控的在非常紧的容差之内。新建私有的软件被设计分析连接数torque/turn 数据在实时, 然后运用被预先决定的相当数量三角洲扭矩或三角洲轮向连接数为最终构成。 钳子操纵 造液压钳子21-300型被设计了以各种各样的类型船具在头脑里。钳子可能或者被暂停从推力磁道和被操作到/从好的中心以Weatherford 力量范围, 或另一选项将集成造反者钳子21-300 Weatherford 轨行力量框架和伺服框架系统。取决于申请, 所有钳子的功能可能被控制或直接地从水力控制面板在钳子的边或通过一个遥控盘区。遥控可能是成功的通过航空在水力控制或电子与钳子是电子控制系统的整体部分。在这种情况下, 钳子和钳子承运人设备可能被连接到船的区域管理系统防止碰撞在不同的设备譬如力量框架, 顶层驱动器, 或管道操作系统之间。 案件历史记录 一、21-300型钳子被传送了为西方Seno 紧张行程平台(TLP) 由管理在海峡在印度尼西亚。挑战被存在对Weatherford 将运行大3,000 ft 13 3/8钢框(在泥线路之下), 钛逐渐变细的重音联接(天桥联接), 和大约3,000 ft 生产造反者(在泥线路之上) 如同一个字符串在一个严重地偏离的未结漏洞。生产者包括了联接以焊接在连接在要求得超过的高重音面积100,000 ft/lbs 做输出扭矩, 并且专门研究穿线的和耦合的连接为字符串的余数在泥之上排行。由于疲劳关心, 处理生产造反者的需求是最小的标号对造反者的OD 。结果, 微夹子滑动被开发了为项目和被使用了在一只500 吨输出与一块远程地被管理的可撤回的基本的板材。滑动没有击穿入管道机体并且蜘蛛远程地和安全地被缩回从好的中心容纳所有大OD 制造者字符串要素。二把钳子被装配同时在彼此对面在船具楼层上处理穿线的和耦合的造反者的非标号需求和高扭矩需求焊接在造反者连接数。由于未结漏洞适应, 它是必要减少时刻在滑动为管道字符串避免陷进的管道。一把24-80钳子与pneumatic/hydraulic扣人心弦的设备和铝插入未被使用组成穿线的和耦合的，离开渗透成管道机体墙壁。这把钳子断断续续被安置了管道远程地与水力推进重要资料, 并且钳子门是远程地开动。 21-300型钳子被使用组成所有焊接在专业连接数和断断续续被安置了管道以力量范围。钳子门是远程地并且开动。总产量造反者和框被安装了没有人的井架。井架登上的刺重要资料被使用垂直排列所有联接在构成期间。所有设备由Weatherford 制造了; 实验室测试了和传送了对印度尼西亚在12 个月内从设计开球会议对最终验收试验, 和成功执行了第一批套生产造反者。当Weatherford 被授予了工作, 同时设计、制造、培训。由于成功的21-300型钳子在印度尼西亚, 2004 年两个项目在墨西哥湾被授予安装生产者。这些项目要求四把额外21-300 把钳子被编译。领先者发展项目为墨菲探险并且要求了能生产很好200,000 ft/lbs 的一把钳子。西部项目中的这个项目并且有生产者与焊接在和穿线的和耦合的连接数一个混杂的字符串。以这个项目, 只一把钳子必需运行所有13 个3/8外面造反者和9 个7/8 in. 内在造反者没有渗透入管道机体墙壁。21- 300 成功被使用了为所有申请。机械化的钳子和力量范围远程地运行了从控制面板。21-300型钳子获得成功。 附录B英文文献 (One) Cylinders, Jacks and Rams The terms cylinder, jack and ram can be considered synonymous, the first being the general description. The description “jack” is commonly used for cylinders employed as lifting devices, and also on specific industries where the most common application of a linear actuator is to provide a “jacking” action. The description “ram” is often applied to large, heavy-duty cylinder with high output forces. Other authorities may designate a “ram” as a cylinder in which the piston and rod are of the same diameter, although this is more correctly called a plunger-type cylinder, or displacement cylinder. Such types are usually single-acting and have relatively limited application. Cylinders may be single-acting or double-acting. In the case of single-acting cylinders, motion is accomplished by the pressure when the piston as moved back to its original position by a spring or some external force, or gravity. In the case or spring return, the output force available hydraulic pressure is modified by the resistance of the spring. Double-acting cylinders are by far the more common choice for general application. Fluid ports are fitted to each end, to function alternately as inlet and outlet ports, switched by a selector. The maximum outup available is slightly less than that obtainable from a single-acting cylinder, since, when the fluid pressure is applied to the full piston area, some back pressure will be generated on the outlet side, also a rod seal will be required to prevent leakage when the piston is proess in the reverse direction, with consequently increased frictional resistance to motion. In the reverse direction of motion, the force available will be lower since the effective piston area is reduced to that of the difference between the piston and rod areas. Back pressure effects will, of vours, also be present. Such performance losses may be small, but can appreciably modify the theoretical performance in practive and it is usually on theoretical performance that cylinders are sized, with a nominal allowance for frictional losses. Most cylinders are of single-rod type. A through rod may be see where extra rigidity is required. In the case of a double-acting cylinder, thrust will then be the same when extending and retracting. There will be an appreciable loss of extending thrust compared with a single-rid cylinder of the same diameter due to the blanking effect of the rod. Frictional forces will also be higher since a rod seal and bearing seal are required at each end. Hydraulic cylinders are widely used in industrial hydraulic systems. These cylinders are called linear motors and reciprocating motors. The usual hydraulic cylinder cost of tube, sealed at both ends, in which a piston and its rod move. The piston rod projects through either or both ends of the cylinder. Leakage of the cylinder around the piston rod is controlled by suitably designed seal usually containing packing. A hydraulic cylinder transforms the flow of pressurized fluid into a push or pull of the piston rod. Hydraulic cylinders are designed for a variety of services. In this chapter we shall study types of cylinders and how they are used. A knowledge of cylinder is a great help in your study of the uses of industrial hydraulics. (Tow) Hydraulic pressure power pliers development In recent years, continued along with our country national economy fast to develop, our country petroleum consumption quantity added year by year. In 2002 achieved 245.7 million tons, the place have surpassed Japan, after becomes continues American second big petroleum expense country. In comparison, our country petroleum machine manufacture produces grows quite slowly, the supply and demand contradictory is day by day prominent. But the present humanity's machinery innovation unceasing progress, caused the machinery to replace the person. Before when oil field repair of wells now and then under drill tubing, tube with me when is comes with the pipe spanner , now uses this kind of hydraulic pressure pliers, brings very many convenient to the humanity, causes the working efficiency and the safety coefficient enhances, also reduced the very many well heads staff, therefore this is the oil field frequently uses unloads the tube tool. In the manpower unloads the oil extraction rod thread efficiency in view of the rework operation in lowly, the labor intensity is big, also cannot guarantee the different specification oil extraction rod requires and so on the question, has developed the hydraulic pressure oil extraction rod pliers, this kind of oil extraction rod pliers by the host pliers, the manual cross valve, the oil motor, the bottom pliers, the spring hang the tube and the adjusting spring and so on are composed, saved the rotational speed in the design to shift gears the organization, simultaneously on pressed the spring bolt through the change the structure, has solved attenuated when the roller hill climbing lack of strength this technology difficult problem, introduced this kind of oil extraction rod pliers principle of work! In the main technical parameter and the room the experimental situation, the field application result indicated that, uses the hydraulic pressure oil extraction rod pliers to be possible greatly to reduce the oil extraction rod number of times, improves the repair of wells quality and the repair of wells speed. But the hydraulic pressure part manufacture precision harmoniously seals the performance requirement high, the processing and the installment quite is all difficult. Divulges avoids with difficulty, and the fat liquor has certainly certain may the compression, therefore, the velocity ratio cannot be constant, ill uses in the velocity ratio requirement strict situation. Divulges the energy which causes to lose (called volume loss), is in the hydraulic transmission the main energy loss, in addition the fat liquor the resistance and the mechanical friction which receives in the pipeline and so on also causes the certain energy loss, causes the hydraulic transmission the efficiency to be lower. The fat liquor viscosity changes along with the temperature, when oil temperature change, can directly affect the transmission system the operating performance. In addition, uses the hydraulic transmission under the low temperature condition or the hot conditions to have the comparatively major difficulty. In when the fat liquor permeates the air, can have the noise, is easy to cause the vibration and crawling (velocity of movement non-uniformity), affect the transmission steadiness. Service maintenance more difficult, the work load is big. When the hydraulic system has the breakdown, the breakdown reason is not easy to search, breaks a way and so on to reduce the negative influence through the design optimization. At present, overseas drill rod power pliers type very many, moreover product performance and quality all relatively stable, specially their product volume AND output torque cannot become the proportion change, even if the power pliers output torque is quite big time, its product volume cannot add how many, thus is suitable for the scene need. But the domestic product also occupies the research and development and the improvement phase, the product performance and the quality all waits for further enhances, the domestic product volume and the weight all increase along with the output torque increases, thus causes to be unable to be suitable for certain large-scale drill pipes. In the recent 10 years, the China home production power pliers have the growth, but compares the overseas our country power pliers structure complex not conveniently to use and to safeguard, the lifetime is short and so on the flaw, therefore our country vigorously is developing the power pliers design transformation, achieves the world level. (Three) DRILLING EQUIPMENT AND TECHNOLOGY The first demand for a power tong that can deliver a torque value of 300,000 ft/lbs at 21 in diameter came from the Unocal West Seno tension-leg platform (TLP) deepwater development project in Indonesia two years ago. The scope of this project was to install 24 “hybrid” production riser strings which included production riser connections that required more than 100,000 ft/lbs make-up torque and more than 200,000 ft/lbs break-out torque. These new types of threaded production riser connections were designed especially for spars, TLP, and semi submersible production platforms that require torque values never before seen. Threaded production risers are used to extend the sub sea wellhead from the seabed to the floating platform and are exposed to tremendous forces and stresses caused by water currents and the motion of the vessel due to the waves. These parameters required Weatherford to design and build a completely new tong concept within a very short time window. The new tong was called the Riser Tong 21-300, and is the first fully rotational tong with integral backups able to generate 300,000 ft/lbs of torque. In less than 12 months, two units were designed, built, lab tested, and delivered to Indonesia in 2002/2003 for the West Seno Project. The new concept includes a hydraulic gripping system that is activated by a hydraulic motor/pump combination and works with an independent hydraulic system inside the tong rotor. With the successful application of the tong on the West Seno Project, 2004 brought a new challenge. Four of the 21-300 tongs were required in a mechanized version in a “hands-free” environment to be operated on offshore floating platforms in the Gulf of Mexico. Never before has a power tong the size and weight of the 21-300 been operated under these conditions. A rail-mounted system consisting of a hydraulically driven frame and a specially designed supporting servo-frame were developed to safely handle the large weight of the tong. Two versions of remote control were delivered, a fully electronic computer- based remote control system and a simpler pneumatic version. TECH REQUIRE MENTS Characteristics that influence the required torque values in threaded production riser connections include large radial interference between the threads that increases the initial make-up of the connection, and large torque shoulders that require “pre-loading” of the shoulders after thread interference to withstand the dynamic forces of the ocean and to resist backing out under stress. This pre-loading is called Delta-Torque and is important to the functionality of the connector and is decisive for the mechanical integrity of the connection. Due to the mechanical friction within the thread and the torque shoulder as well as to the geometry of the thread, the break-out torque values can be as high as 2 to 3 times the make-up torque. These characteristics together lead to required potential make-up torque values of over 150,000 ft/lbs and required break-out torque values of up to 300,000 ft/lbs. The typical tong gripping size of these riser connections is up to 21-in. Due to the required torque-turn curve, a rotational device was preferred compared to a wrenching device, which technically would have been an easier solution. An integrated backup-tong to counteract for the reactive torque was required to be included in the design concept. The gripping area of a typical production riser connection is clearly defined and the distance between the tong and the backup is another important design factor. DEVELOPMENT AND CONCEPT Several concepts were discussed in order to find the optimum design. Conventional power tongs often use a cam curve system to engage the gripping elements. The advantage is that the gripping force directly depends on the torque value applied, which is especially important for thin-wall casing and tubing connections. The required maximum torque value of 300,000 ft/lbs, however, requires a much higher radial gripping force than a cam curve system can deliver. The solution was to utilize a hydraulically activated gripping system that had already been used for smaller tongs. A hydraulically activated gripping system is capable of applying the necessary clamping force of 800 k N (180,000 ft/lbs). To prevent riser damage, a three-jaw gripping system with a six-point gripping arrangement is used. The gripping system is activated hydraulically with adjustable gripping force by a separate hydraulic clamping circuit driven by a motor/pump unit. Three spring-loaded hydraulic clamping cylinders within the rotor force the jaws against the riser connection OD. During make-up or break-out operations, the riser to be rotated is first enclosed in the tong and backup and the tong and backup doors are closed and latched. Then a motor/pump unit (at the tong and backup) consisting of a hydraulically driven motor mounted to the tong housing and a piston pump mounted on the tong rotor produces hydraulic pressure for the clamping cylinders. The piston pump is equipped with six pistons. Two pump pistons supply the pressure for each clamping cylinder. This ensures that each clamping cylinder gets exactly the same amount of oil to provide symmetrical and centric clamping forces for the jaw grip. The rotor then rotates the riser. Finally, the jaws release and back off from the pipe. Changeover between make-up and break-out operation can be accomplished at every rotor position. The size range of jaws is designed to accommodate all variations in riser and casing diameters within their nominal size range from 9-in. through maximum 21-in. diameter. MOTOR ARRANGEMENT With its two different gear shifting systems, a shift able planetary gear reducer for the two operation modes (riser and casing mode) and a hydraulic gear, shifting covers a total rotating speed range from 0.2-16 rpm. Three parallel-driven hydraulic motors located on the tong casing to rotate the riser and to distribute the forces symmetrically from three sides drive the system. A large rotary gear accomplishes closure and rotation of the riser-gripping jaws. Mechanical power is transmitted from the hydraulic motors to turn the rotary gear in either direction. The rotary gear is a large-diameter gear that has been segmented into three sections with pivotal hinges and latching mechanism. The smaller rotary gear segments pivot open to encircle the riser being worked and then close and latch while working the riser. The internal diameter of the gear has an insert surface for the clamping unit, which is driven by a separate motor/pump unit on top of the tong case to secure hydraulic pressure during rotation. The gear train consists of the three hydraulic motors mounted on a planetary gearbox in a separate housing on the tong rotary. Each hydraulic motor drives directly a pinion, which in turn drives the rotary gear. FREE-FLOATING BACK UP The free-floating backup underneath the tong restrains it from moving around the pipe when torque is applied. No backup line is required that would cause a possible safety hazard at the high torque values the tong can deliver. It also contains three hydraulic clamping cylinders to provide sure string grip with maximum gripping forces. The free-floating type of reaction system eliminates any shear and bending loads across the tool joint, thereby subjecting the joint only to torsion loads and minimizing the risk of damaging thread flanks or shoulders by galling. The separable free-floating backup is mechanically and hydraulically (via hoses) linked to the tong and is self-compensating for connection thread travel in both make-up and break-out directions. A load cell (torque cylinder) is fitted between tong and backup and, by selection, can be used to record make-up or break-out torques. Three jaws provide the gripping means. A gripping system in the same manner as in the tong (also with separate hydraulic circuit) ensures a centric clamping action of the hydraulic clamping cylinder. The backup clamping range is designed to accommodate all variations in collar diameters within their nominal size range from 9 -in. through maximum 24-in. diameter. TORQUE MEASUREMENT Bending and shearing forces are eliminated by the free-floating backup system as these forces are symmetrically distributed into the torque posts, allowing measurement of applied torque to be made very accurately. A torque measuring system combined with a power tong with free floating back-up eliminates oscillations and additional interfering forces. Consequently, make-up and breakout torque can be measured with the same accuracy. Torque load is measured with an active compression-type load cell. The force is directly measured within the torque reaction system of the free-floating backup. If desired, a make-up or a break-out with the Riser Tong 21-300 can be controlled using a torque/turn system that records the torque over turn graph while making-up (or breaking-out) the connection. That halts the make-up process when the pre-selected optimum torque value is reached. Many of the production riser connectors used today are externally shouldered and require “pre-loading” of those shoulders to ensure they will withstand the bending stresses caused by the environment while not backing out. This is achieved by applying “delta torque” to the connections after the connection has shouldered. Manufacturers require that this delta torque is applied and controlled within very tight tolerances. New proprietary software was designed to analyze the connection torque/turn data in real time, then applying a predetermined amount of delta torque or delta turns to the connection for final makeup. TONG MANEUVERING The Riser Tong 21-300 was designed with various types of rigs in mind. The tong can either be suspended from a lift cylinder and manipulated to and from well center with the Weatherford Power- Scope, or the other option is to integrate the Riser Tong 21-300 into the Weatherford rail-mounted Power Frame and Servo Frame system. Depending upon the application, all functions of the tong can be controlled either directly from the hydraulic control panel at the side of the tong or via a remote control panel. Remote control can be accomplished through an air-over hydraulic control or electronically with the tong being an integral part of an electronic control system. In this case, the tong and the tong carrier device can be connected to the rig’s zone management system to prevent collisions between different devices such as Power Frame, top drive, or pipe handling systems. CASE HISTORIES Two 21-300 tongs were delivered for the West Seno Tension Leg Platform (TLP) operated by Unocal in the Makassar Strait in Indonesia. The challenge presented to Weatherford was to run approximately 3,000 ft of 13 3/8-in. steel casing (below mud line), titanium tapered stress joint (crossover joint), and approximately 3,000 ft of production risers (above mud line) as one string in a severely deviated open hole. The production risers consisted of joints with weld on connectors in the high stress areas that required more than 100,000 ft/lbs of make-up/breakout torque, and specialized threaded and coupled connectors for the remainder of the string above the mud line. Due to fatigue concerns, the requirements for handling the production risers were minimal marking to the OD of the risers. As a result, Micro Grip slips were developed for the project and used in a 500 ton spider with a remotely operated retractable base plate. The slips did not penetrate into the pipe body and the spider was remotely and safely retracted from well center to accommodate all large OD riser string components. Two tongs were rigged up simultaneously opposite each other on the rig floor to handle the non-marking requirements of the threaded and coupled risers and the high torque requirements of the weld-on riser connections. Due to open hole conditions, it was imperative to reduce time on slips for the pipe string to avoid stuck pipe. A semi-mechanized 24-80 tong with a pneumatic/hydraulic gripping device and aluminum inserts was used to make up the threaded and coupled risers, leaving no penetration into the pipe body wall. This tong was positioned on and off the pipe remotely with the hydraulic Push Master, and the tong doors were actuated remotely open/close. The semi-mechanized 21-300 tong was used to make up all weld-on specialty connections and was positioned on and off the pipe with the Power Scope. The tong doors were also actuated remotely open/close. All production risers and casing was installed with no human stabber in the derrick. The derrick mounted Stab Master was used to vertically align all joints during makeup. All equipment was manufactured by Weatherford; lab tested and delivered to Indonesia within 12 months from the design kick-off meeting to final acceptance test, and successfully performed the first batch set of production risers. When Weatherford was awarded the work, simultaneous design, manufacturing, training, and preparation occurred, including: As a result of the success of the 21-300 in Indonesia, two follow-up projects were awarded in 2004 to install production riser in the Gulf of Mexico. These projects required four additional 21-300 tongs to be built. The Front Runner development project for Murphy Exploration also required a tong that could produce well over 200,000 ft/lbs. As with the Unocal West Seno project, this project also had a mixed string of production risers with weld-on and threaded and coupled connections. With this project, only one tong was required to run all 13 3/8-in. outer risers and the 9 7/8-in. inner risers with no penetration into the pipe body wall. The 21- 300 was used successfully for all applications. The mechanized tongs and Power Scope were run remotely from a pneumatic/hydraulic control panel. The following additional equipment was used. 6 1 _1210429886.unknown _1210860454.unknown _1211240546.unknown _1211301216.unknown _1234567896.unknown _1234567904.unknown _1234567910.unknown _1234567912.unknown _1234567914.unknown _1234567915.unknown _1234567916.unknown _1234567913.unknown _1234567911.unknown _1234567907.unknown _1234567909.unknown _1234567906.unknown _1234567900.unknown _1234567902.unknown _1234567903.unknown _1234567901.unknown _1234567898.unknown _1234567899.unknown _1234567897.unknown _1234567892.unknown _1234567894.unknown _1234567895.unknown _1234567893.unknown _1211633346.unknown _1211633850.unknown _1234567890.unknown _1211633356.unknown _1211633165.unknown _1211633245.unknown _1211303211.unknown _1211632955.unknown _1211303167.unknown _1211240682.unknown _1211240815.unknown _1211240877.unknown _1211240983.unknown _1211297621.unknown _1211299940.unknown _1211300109.unknown _1211298156.unknown _1211298914.unknown _1211298174.unknown _1211298147.unknown 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