【文章內(nèi)容簡介】 滿足凸輪向上轉(zhuǎn)動時，投撈爪保持原有的收攏鎖緊狀態(tài)；到達(dá)一定位置后，上提投撈器，凸輪向下偏轉(zhuǎn)，投撈爪被釋放。 （ 3）偏心配水器的投撈器的力學(xué)分析。 進(jìn)行必要的計算（比如所需銷釘?shù)臋M截面積、投撈爪開口角度等） ,完善整個投撈器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時進(jìn)行材料的選擇。 3 偏心配水器投撈器總體 設(shè)計 投撈器的投撈過程 本課題設(shè)計的投撈器是與 KPX114 偏心配水器配套使用的提掛式投撈器，配水器的結(jié)構(gòu)如下圖所示： ①結(jié)構(gòu)：見圖 ： 圖 1— 工作筒； 2— 堵塞器 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 10 ②工作原理： 注水：處于正在注水的狀態(tài)時，堵塞器 (圖 33)用靠它的主體 5（見圖 33）的直徑為 22 mm 臺階放置到工作筒主體 5的偏置孔上，凸輪 8卡于偏孔上部的擴(kuò)孔處（因為凸輪 8在打撈桿 1的下端和扭簧 6的作用下，可向上來回轉(zhuǎn)動，因此堵塞器能下入到工作筒，被主體 5的偏孔卡住而不會飛出），堵塞器主體 5 上面有兩組 “ O”型圈來封住偏孔上的出液孔，注入水相繼從堵塞器濾罩 1水嘴 1堵塞器主體 5的出液槽和工作筒主體 5的偏孔，然后進(jìn)入油套環(huán)形空間內(nèi)最后注入地層。 KPX114 偏心配水器 主要技術(shù)參數(shù)如表 ： 表 技術(shù)參數(shù) 總長 最大外徑 最小通徑 偏孔直徑 工作壓力 堵塞器最大外徑 995mm 114mm 46mm 20mm 25MPa 22mm 偏心配水器的工作筒的結(jié)構(gòu)如圖 ： 圖 KPX114 偏心配水器工作筒 1— 上接頭 ； 2— 上連接頭 ； 3— 扶正體 ； 10— 螺釘； 5— 主體； 6— 下連接套； 7— 螺釘 ； 8— 支架； 9— 導(dǎo)向體； 10— 螺釘； 11— “O” 型圈 ； 12— 下接頭 偏心配水器投撈器設(shè)計 11 圖 堵塞器 1— 打撈桿； 2— 壓蓋 ； 12— “ O”型圈； 4— 彈簧 ； 5— 主體； 6— 扭簧； 7— 軸； 8— 凸輪； 11— 水嘴 ； 13— 濾罩 (1)打撈堵塞器。預(yù)先把投撈器的投撈頭接于投撈爪 3（圖 ）的下部。投撈爪是可以繞投撈爪上端的銷軸轉(zhuǎn)動。在下井之前，用凸輪 1（圖 ）將投撈爪收攏并鎖緊。用鋼絲繩將投撈器下放到注水管柱內(nèi)，直到進(jìn)入偏心配水器的工作筒下部2— 3 米后，然后上提投撈器到配水器工作筒上部，投撈器上的凸輪經(jīng)過工作筒時遇到阻礙，從而向下轉(zhuǎn)動，于是解除凸輪對投撈爪的約束，投撈爪在壓簧的推動下，繞軸轉(zhuǎn)動而張開如（圖 ），并且導(dǎo)向爪 3同樣 也被釋放張開。然后再次下放投撈器，導(dǎo)向爪沿偏心配水器工作筒導(dǎo)向主體的螺旋面運(yùn)動，順著開槽向下，當(dāng)下放遇到阻礙時，投撈頭已經(jīng)卡住堵塞器的打撈桿，然后上提打撈器，堵塞器就被成功打撈到地面了。 （ 2）投堵塞器。 將投撈器的投撈頭接于投撈爪 3（圖 ） 的下部。將堵塞器的打撈桿插入投撈器的投撈頭，當(dāng)投撈器和堵塞器連接好后，與打撈堵塞器過程相似，首先把堵塞器下放到配水器的偏置孔內(nèi)，上提投撈器，由于堵塞器的凸輪已經(jīng)卡住在偏置孔上部的擴(kuò)孔，最后銷釘被剪斷，堵塞器的打撈桿和投撈爪相分離，堵塞器被留在了配水器的工作筒內(nèi)，投撈器被起出。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 12 圖 圖 1— 控制凸輪； 2— 投撈爪 1— 控制凸輪； 2— 投撈爪 3— 導(dǎo)向爪 3— 導(dǎo)向爪 投撈器方案的確定 本課題設(shè)計的投撈器是與 KPX114 偏心配水器配套使用的提掛式投撈器，其結(jié)構(gòu)如圖 ： 圖 KPX114 配水器提掛式投撈器裝配圖 偏心配水器投撈器設(shè)計 13 投撈器的整體方案采用導(dǎo)向頭導(dǎo)向和定位，投撈爪對堵塞器進(jìn)行投撈。投撈器本身較長，本身的重力已經(jīng)足夠牽引投撈器下放到井中，加之該投撈器最大外徑比傳統(tǒng)的投撈器的外徑小，在井中遇卡的幾率較低，即使遇卡，也很容易解卡，所以在本設(shè)計中我不設(shè)置加重桿。導(dǎo)向頭和投撈爪的釋放都靠彈簧和凸輪機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，彈簧在投撈爪和導(dǎo)向爪收攏時，處于壓縮狀態(tài)，會 給投撈爪和導(dǎo)向爪一個向外的推力，凸輪在常態(tài)下，能用外輪廓線擋住爪部的上端，使其不能向外彈出。當(dāng)投撈器下入到井下預(yù)定位置時，上提投撈器，凸輪向下偏轉(zhuǎn)，凸輪外輪廓線旋轉(zhuǎn)到不能擋住爪部上端的位置，完成投撈爪和導(dǎo)向爪的釋放。 偏心配水器投撈器的最大外徑的確定 根據(jù)偏心配水器的最小通經(jīng)為 Ф 46mm，投撈器的最大外徑不能超過 Ф 46mm。油田注水時常采用含油污水回注，注水井井下管住很容易結(jié)垢，造成井下管住縮徑，配水器的實際最小通經(jīng)將會有所減小，一般用的投撈器 Ф 44mm 進(jìn)行投勞作業(yè)時易遇阻， 通過對現(xiàn)場遇阻井的分析，由 于部分井管柱內(nèi)部結(jié)垢厚度較厚或結(jié)垢呈顆粒狀分布，直徑在 5mm 左右，為提高投撈器的通過能力需適當(dāng)縮小投撈器外徑為 38 一40mm 。所以為了投撈器在下入過程中，不因為管徑過小而遇卡，我把投撈器的最大外徑定位 Ф 40mm，這樣將大大提高投撈器的通過性。 偏心配水器投撈器總長的確定 由于偏心配水器投撈器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)方案較多，在設(shè)計的前期我還不能確定投撈器的具體的長度，但是可以根據(jù)偏心配水器的結(jié)構(gòu)初步把總長控制在1000mm到 1200mm之間，具體值將會根據(jù)實際結(jié)構(gòu)工藝的需要而確定。 4 偏心配水器投撈器的具體 設(shè)計 裝配關(guān)系的描述 為了便于對各個機(jī)構(gòu)進(jìn)行更好的描述，我給出一些必要零件之間的裝配關(guān)系如圖 所示： 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 14 圖 投撈器部分機(jī)構(gòu)裝配圖 Ⅰ — 凸輪模塊；Ⅱ — 投撈爪模塊；Ⅲ — 投撈接頭模塊 偏心配水器投撈器設(shè)計 15 投撈爪釋放機(jī)構(gòu)的設(shè)計 凸輪與投撈爪的裝配關(guān)系如圖 的Ⅰ模塊 。根據(jù)投撈器的工作原理：投撈器在下入偏心配水器的指定位置后，上提投撈器，就能釋放投撈爪。我剛開始覺得這個功能實實現(xiàn)起來應(yīng)該很簡單，后來當(dāng)我設(shè)計到這一步的時候，就發(fā)現(xiàn)這個很不容易實現(xiàn)的，主要有以下幾大問題： 一、井下空間狹小，給機(jī)構(gòu)的空間有限； 二、只能通過上提來對投撈爪的釋放進(jìn)行控制。 三、觸發(fā)裝置必須靈敏可靠。 面對這些問題，我發(fā)現(xiàn)用凸輪裝置，來實現(xiàn)投撈爪的釋放是比較可行的。釋放裝置由凸輪主體、外螺紋鉸鏈軸和扭簧組成。凸輪的結(jié)構(gòu)和扭簧的安裝是我要設(shè)計的主要內(nèi)容。凸輪主體如圖 所示： 圖 凸輪 當(dāng)投撈器處于下放過程中時，凸輪在上圖最右邊的位置時，會順時針旋轉(zhuǎn)，收攏于投撈器的腔體內(nèi)，投撈爪保持原有狀態(tài)。當(dāng)投撈器下放到指定位置時，凸輪在扭簧的作用下產(chǎn)生你逆時針的扭矩，使得凸輪發(fā)生逆時針轉(zhuǎn)動，凸輪的外伸部分超過投撈器最大外徑 6mm，然后 上提投撈器，凸輪外伸部分被配水器輪廓擋住，凸輪被迫再次發(fā)生逆時針轉(zhuǎn)動。投撈爪的上端原本被凸輪的外輪廓線擋住，凸輪逆時針轉(zhuǎn)動后，凸輪和投撈爪的接觸部分變?yōu)樘涂詹糠郑稉谱κチ藖碜杂谕馆喌氖`，在壓縮彈簧的作用下投撈爪便被釋放了。為了讓讀者更清楚的理解凸輪的結(jié)構(gòu)，其三維模型如圖 所示： 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 16 圖 凸輪三維模型 投撈爪的設(shè)計 投撈爪與凸輪和投撈接頭之間的裝配關(guān)系見圖 的Ⅱ模塊。根據(jù)偏心配水器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以得到投撈器的技術(shù)參數(shù)必須滿足 投撈爪 收攏 鎖緊后，在投撈器 最大 外徑以內(nèi)；張開后旋轉(zhuǎn)直徑大于 80 mm。 投撈爪的總體長度定位，投撈爪在張開時需要繞軸旋轉(zhuǎn)，把軸的的位置定為偏離投撈器中心線 11mm 處，距離投撈爪最左端 ，為了使投撈爪在張開時能貼合偏心配水器的管壁，接頭和投撈爪處有一定的斜度，其與投撈器中心線的夾角同投撈爪與張開最大時的偏轉(zhuǎn)角度相同。投撈爪要張開，就需要一定的推力，這里采用壓縮彈簧，投撈爪在收攏時，彈簧處于壓縮狀態(tài)，將給與投撈爪逆時針旋轉(zhuǎn)的推力。彈簧孔的位置距離投撈爪最右端為 ，孔徑初步定為 7mm，采用外徑 6mm 的壓簧。后面進(jìn) 行相關(guān)的計算在做相應(yīng)的調(diào)整，具體結(jié)構(gòu)如圖 所示，其三維模型如圖 所示： 偏心配水器投撈器設(shè)計 17 圖 投撈器的投撈爪 圖 投撈爪三維模型 我考慮到當(dāng)投撈爪處于最大張角時，壓縮彈簧會發(fā)生較大的彎曲，我就使得投撈爪的彈簧槽很深，而且在彈簧槽的最外面做出一定的倒圓臺結(jié)構(gòu)，這樣能大大減小彈簧的彎曲度。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 18 投撈接頭的設(shè)計 投撈接頭與投撈爪的裝配關(guān)系見圖 的Ⅲ模塊。由于投撈接頭的設(shè)計對于本課題，至關(guān)重要，也是能否保證投撈成功率的關(guān)鍵和改進(jìn)的重要部分，所以我花了很多時間在設(shè)計投撈接頭的結(jié)構(gòu)上面，以下便是我的設(shè)計思路： 堵塞器的打撈頭的外形較多，打撈形式繁多，為了提高該投撈器的通用性，我覺得把投撈接頭加工成內(nèi)螺紋，可以接上需要的打撈頭，減小投撈器的種類，節(jié)約油田開發(fā)成本。 投撈接頭在工作平面內(nèi)要能夠繞軸轉(zhuǎn)動，而且要保證在投撈爪主體張開到最大位置時，投撈接頭要能夠豎直向下，并能傳遞一定的向下的壓力，這個壓力必須要能夠把投撈爪的卡子卡入堵塞器的打撈頭。 我在最起初的 時候考慮采用彈簧結(jié)構(gòu)，來保證投撈接頭始終能夠貼合配水器的偏置孔的內(nèi)壁，但是由于該機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性極差，加之彈簧的可靠性很低，也容易掉落，沒有足夠的空間安裝大型彈簧來帶動，加上堵塞器時整個投撈接頭的負(fù)載，再三思索后，最后放棄了這個設(shè)計方案。 經(jīng)過再三思考，取消了彈簧，直接依靠投撈爪本身的機(jī)構(gòu)，來滿足投撈工藝的工藝要求我最后把方案確定為如圖 所示： 圖 投撈接頭 偏心配水器投撈器設(shè)計 19 該結(jié)構(gòu)能有效解決投撈接頭會逆時針轉(zhuǎn)動的煩惱，如果投撈接頭在投勞過程中發(fā)生了逆時針的轉(zhuǎn)動，極易造成投撈接頭的卡子不能正對堵塞器的打撈頭，從根本上 影響投撈的合格率，所以投撈過程中，投撈接頭是絕對不能繞軸逆時針轉(zhuǎn)動的。而且當(dāng)投撈爪處于最大張開的位置時，投撈接頭的左下部分能和投撈爪的輪廓線貼合，這樣，投撈爪就能很容易把豎直向下的力傳給投撈接頭了，該結(jié)構(gòu)，原理簡單，加工方便，可靠性高。 投撈接頭和投撈爪用鉸鏈軸連接，初步選用Φ 4mm 的外螺紋鉸鏈軸。根據(jù)投撈器實際的工作情況，在配上堵塞器時，加上整個投撈接頭的質(zhì)量很小，不到 ，所以選用Φ 4mm 的軸，強(qiáng)度能否滿足要求還需要進(jìn)行校核。 投撈器在下放的過程中，要繞著自身的軸線發(fā)生自轉(zhuǎn)，所以當(dāng)投撈器到達(dá)指定位置時，不能保證投撈爪正對著偏心配水器的偏置孔，因此必須有導(dǎo)向裝置。傳統(tǒng)的投撈器，都是由投撈爪當(dāng)導(dǎo)向爪，這樣不僅對投撈爪本身的結(jié)構(gòu)要求較高，且這樣分工不明確，很難保證投撈的成功率。 導(dǎo)向爪的設(shè)計 我這次決定把投撈爪的投撈和導(dǎo)向功能分離出來，類似于投撈爪釋放機(jī)構(gòu)，只是導(dǎo)向爪處于最大張開位置時，旋轉(zhuǎn)半徑超過投撈器最大外徑 6mm 左右。獨(dú)立的導(dǎo)向爪由于比較短小，導(dǎo)向能力得到極大的提高，可靠性高。導(dǎo)向爪的外形設(shè)計的主要難題是要使導(dǎo)向爪在張開角度最大位置時，導(dǎo)向爪的頭部要與偏心配水器的導(dǎo)向壁有一定的貼合面積，最后的設(shè)計的結(jié)構(gòu)如圖 ，投撈爪的三維模型如圖 所示： 圖 導(dǎo)向爪 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 20 圖 導(dǎo)向爪的三維模型 導(dǎo)向頭的設(shè)計 在投撈器下入過程中，井筒結(jié)垢、反吐和死油都造成投撈器下放困難，時常 在下入過程中遇卡，為了提高整個投撈器的通過性，我們在投撈器的最前端安裝一個導(dǎo)向頭，導(dǎo)向頭設(shè)計為尖端有過圓角的圓錐。就像火車頭的作用，導(dǎo)向頭將引導(dǎo)整個投撈器到達(dá)偏心配水器的指定位置，導(dǎo)向頭與投撈器主體采用螺紋連接，用“ O”型橡膠圈密封，其結(jié)構(gòu)如圖 所示，導(dǎo)向頭如 所示： 圖 導(dǎo)向頭 偏心配水器投撈器設(shè)計 21 圖 導(dǎo)向頭三維模型 繩帽的設(shè)計 提拉式偏心配水器投撈器都是用鋼絲牽引的，而鋼絲到投撈器需要用繩帽連接的。根據(jù)投撈器的實際工作情況，投撈器會在下入或者提升的過程中發(fā)生輕微的轉(zhuǎn)動，但是圈數(shù)不會太多，所以這里繩帽的設(shè)計主要考慮到連接方便可靠就行，不用考慮投撈器轉(zhuǎn)動圈數(shù)過多而扭斷鋼絲的情況。投撈器的牽引鋼絲，選用直徑為 鋼絲，繩帽的小圓孔的直徑為 3mm，鋼絲只需穿過繩帽的小孔，在從繩帽中部的大圓孔把鋼絲的一頭拉出來連接到一個鋼絲扣上，連接好后拉緊即可。我設(shè)計的結(jié)構(gòu)如下圖 所示，繩帽的三維模型如圖 所示： 圖 繩帽 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 22 圖 繩帽三維模型 5 投撈器的設(shè)計與計算 投撈爪圓柱壓縮彈簧的設(shè)計計算 工作條件的確定 查閱資料得堵塞器的重量： kg，由 建的投撈爪模型的質(zhì)量分析可得投撈爪的質(zhì)量為 。 經(jīng)過分析得出，投撈爪在安裝有堵塞器且處于投堵塞器時時的受力示意圖如圖 所示： 圖 受力示意圖 偏心配水器投撈器設(shè)計 23 已知：投撈爪最大張開角 α=23176。； a=23mm ； b=20mm ； c=34mm ； Fc= ；Fd= ；如圖 ，以 Fax 為 X軸， Fay 為 Y軸，建立直角坐