举升式猫道机模块化结构分析与设计

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近年来，随着现代化加工技术和信息化技术的发展，石油钻机开始大规模普及结构化、自动化和模块化，对于石油钻采辅助设备的要求也向着自动化、智能化、结构化和模块化的方向发展，以达到与石油钻采主机相匹配及快速响应用户和市场的需求。产品模块化技术的发展得到了广大设计工作者的关注，在石油钻机主机的设计中模块化技术也首先被提出并得到了应用，而该技术也可以被应用于其他石油钻采设备。石油钻井设备的模块化不仅可以实现元器件的高度集成，同时其安装、运输、操作等方面的优势更加明显，现阶段国内外许多专家针对石油钻井设备进行了模块化的研究，这也表明装备的模块化和应用是未来石油钻采设备的发展趋势。石油钻机猫道机是石油钻机钻杆与钻铤完成上钻和下钻工序不可或缺的设备，先进的猫道机不仅可以减小人工作业时的风险系数、人员配置，而且可以提高钻采效率，是石油钻机实现整体自动化的关键设备。本文主要以举升式猫道机为研究对象，对其进行模块化结构分析与设计，提出猫道机模块化结构组成和设计思路，同时考虑石油钻采整套设备，实现猫道机与整套石油钻采设备的模块化匹配。

1国内外猫道机的主要结构形式

石油钻机猫道机作为自动化钻机重要组成部分的钻杆自动传送系统，跟随着石油钻机发展了许多年，对于欧美一些发达国家，应用也比较早，且技术已经比较成熟。随着国内石油行业的快速发展，国内自动化钻采设备发展势头更快。国内石油钻机猫道机的发展起步相对较晚，其猫道机的结构主要参照国外同类的产品设计，分析对比国内外不同类型的石油钻机猫道机设备，其主要结构大体分为三类。

1.1固定式猫道机

主要由猫道、坡道、V型出槽机构、入槽机构、排管架、电机，液压系统等组成，其主要特点是猫道和坡道为固定机构，固定在钻机平台上，钻杆的上下钻过程是通过猫道机上的电动（气动）绞车连接的钢丝绳拖动完成。固定式猫道机结构简单，工作可靠，但上下钻过程中猫道、坡道和钻具等部件磨损严重，猫道机主体机架体积较大，特殊地形转移困难。具有代表性的动力猫道为美国NorthRigCatwalkTechnologies公司研制的C16型动力猫道。

1.2举升式猫道机

作为现今国内外猫道机的主流结构形式，其主要特点为猫道或者坡道部分不固定，钻杆放置在猫道或者坡道面上，采用各种机械结构，将钻杆运送到钻台面上。其根据猫道的起升方式分为提升式和举升式猫道机两种，提升式动力猫道多采用钢丝绳进行提升，而举升式猫道多选用位于猫道面底下的液压缸或者滑车作为动力举升。国内的四川宏华石油设备有限公司以及宝鸡石油机械厂和兰石集团都有设计相应结构的举升式猫道机

1.3机械手臂式

机械手臂式动力猫道的主要特点是通过机械手臂夹住钻杆实现钻杆在排管架和钻台之间的运移。有些机械手臂式钻杆操作系统甚至取消了传统的猫道和坡道，直接利用机械手臂实现钻具移运，自动化程度相对较高。机械手臂多用于海洋钻机及一些对安装布置空间有特殊要求的钻机，其优点是处理管子能力强、自动化程度高、速度快，节省了人力，并且提高了安全性；缺点在于安装复杂，不易维修，成本高，不宜频繁拆装和运输，而且对液压元件和自动化控制程度的要求也高。具有代表性的有NationalOilwellVarco公司和ForMost公司设计的机械臂移运设备。

2举升式猫道机模块化结构分析

2.1传统举升式猫道机结构组成

传统的举升式猫道机主要由基座、举升机构、支撑机构、坡道机构、电控系统、液压系统等组成。基座是设备的主体结构，其上装有举升、支撑等机构，并承载了全套设备的大部分重量；支撑机构通过铰接与基座相连，展开后会将猫道机固定在地面上，并保持设备工作时的稳定；举升机构作为主要的工作机构，其组成相对复杂，举升机构不仅要完成钻杆的上升和下降动作，还要完成钻杆的输送动作，故举升机构实际上是由举升装置和输送装置组成的机构。电控系统和液压系统一般会安装在猫道机的基座上，有时为了运输方便，也会利用单独的结构设计，通过导线和软管连接。

2.2举升式猫道机的模块化结构组成

综合上述三种动力猫道的结构形式，本文针对举升式猫道机的传统结构，提出了一种新的模块化结构，该结构形式的举升式猫道机不仅具有传统猫道机的全部功能，且具有结构化设计的特点和优势。举升式猫道机的模块化结构分四个主要组成模块，分别是基本模块、辅助模块、功能模块和特种模块。每个组成模块又由若干个子模块构成，不同的子模块具有不同的结构功能，如基座模块、支撑模块、举升模块、电控模块、液压模块等。模块结构具有通用化和系列化特点，有统一的连接模块机构，可以与不同的模块设备和主机设备相连接，可实现不同场合、不同用途、不同型号的石油钻采设备组件之间的连接和互换。在石油钻采设备移运过程中，模块化设备是最基本的运输单元。

2.3模块分类

石油钻机猫道机模块化结构主要分四个主要组成模块，基本模块：基座模块、举升模块、电控模块、液压模块；辅助模块：连接模块、装卸模块、支撑模块；功能模块：机械手模块、用户指定功能模块；特种模块如图1，移运模块，非系列产品特殊功能模块。针对不同的模块，本文将进行详细的说明。（1）基本模块。基本模块作为主要的组成模块，其下有四个子模块，所有子模块的组合实现了猫道机的基本功能。举升式猫道机基座作为主体结构，是动力猫道所有机构的安装基础，并且承载整套设备的重量，包括猫道底座本体和两侧的液压排管架，其尺寸大小取决于石油钻机的型号和钻杆和钻铤的长度尺寸。以往不同钻采深度和型号的石油钻机匹配固定长度的猫道机基座，或高一级型号石油钻机猫道机可以用于低一级型号石油钻机，因此，固定式猫道机无法适配不同型号的石油钻机。猫道机基座模块化是将固定长度的基座拆分开，拆分后的基座块可以相互组合，长度可以根据要求调节，其组合形式灵活，运输方便。为了减小基座模块的重量，一般基座模块的结构通常由结构型钢焊接而成，如矩形钢管和角钢等。举升机构作为猫道机重要的运动机构，其组成部分较多，结构相对复杂。举升模块是将传统猫道机的举升梁、支架、液压缸、结构支架组合在一起，形成具有完整举升和输送功能的机构。举升模块在安装时可以与基座模块组合，根据要求调定安装位置，以满足工作要求。电控和液压系统主要负责举升式猫道机的动作控制，其结构相对比较成熟，宜实现模块化结构设计。工程中液压系统通常是以液压站的形式集成在一个撬装结构上，且石油钻机的液压站通常是可以与其它石油钻采设备相互通用。液压站工作时，是通过具有快速接头的液压软管连接液压站和设备液压管路，为液压执行机构提供动力源。（2）辅助模块。连接模块主要是实现产品各模块之间信息的输入、输出、位置变换和能量传递功能，连接模块按接口性质不同，包括液压系统管路接口、机械连接刚性接口、电气控制接口三种。液压系统管路接口可以实现各模块相互间的液压管路、液压元件的快速连接，在实际工程中通常使用的液压接口元件是液压快速接头。机械连接接口是实现各模块之间及猫道机与石油钻机之间的刚性连接，起固定和紧固作用。统一及标准化的机械连接接口是石油钻采装备模块化并实现快速连接拆运功能的必备条件。猫道机的支撑模块由一个可以独立安装拆卸的液压缸组成，液压缸活塞杆端部装有支撑脚掌。支撑模块可以独立安装在基座模块上的排管架上，它与排管架上的液压管路是通过液压软管连接，实现对基座的支撑和固定作用。（3）功能模块。针对石油钻机猫道机工作的特殊需求，根据用户指定的相关功能，在猫道机模块中可以加入指定功能模块，此模块可以与其他石油钻采设备进行相互组合，如机械手臂模块，该模块上装有一个机械手臂，可以完成夹爪钻杆、起吊重物等功能。（4）特种模块。为了适应环境及满足相关石油钻采设备和移运条件，在猫道机原有的基础模块上可以进行改装，加装特种功能模块，如为了实现石油钻采设备的快速移运，可以加装轮式移运模块，不仅可以满足国内外交通运输的标准，而且可以降低运输难度和运输费用；在泥泞、崎岖的地区，为了满足移运要求，可以加装履带式移运模块等。

2.4模块化石油钻机猫道机的通用化

模块化的石油钻机猫道机不仅可以实现对不同型号钻机和不同作业和运输环境的适配，同时根据其模块化的结构可以与其它的钻采设备进行匹配，如猫道机的液压模块可以与液压绞车、铁钻工、钻机井架起升系统相匹配。猫道机的连接模块可以与石油钻采设备相统一，并标准化，这样可以缩短设计和生产周期，便于现场维护。猫道机的移运模块也可以用于其它钻采设备，若要实现整体移动，统一的移运装置是必备条件。总体而言，要实现模块化猫道机与石油钻采设备的高度匹配，模块化的设计思维也必须应用于所有的钻采设备，从整体到部分，从系统到零件。

3举升式猫道机模块化设计步骤

由于石油钻机猫道机采用结构化和模块化设计，故计算机辅助设计方法在猫道机的设计中作用尤为重要。利用计算机辅助设计对猫道机的所有模块分别进行设计，对不同功能的模块建立模块库并进行编码，存入模块库中(数据库,图形库)。猫道机设备模块库建立和完善后，在进行设计时，按编码在库中搜索并调取相应功能的模块，在计算机上进行必要的修改、更新备用。现代计算机辅助设计可以利用AutoCAD、solidworks等辅助设计软件对各类模块进行三维实体造形设计，可以将模块库中的和新设计的模块在计算机上直接组装，同时也可以利用Ansys、Adams等结构分析和运动仿真软件对各模块组件进行分析，进行结构优化设计和改进。这不仅降低了设计过程的工作量和成本,缩短了产品研发周期,而且通过专业化加工的标准模块提高了产品质量，有利于推广CAD/CAM和计算机仿真技术,如模块的成组加工和装配、铸模的模块化设计和编制模块拼装程序等。现代化的机械产品正朝着集成化、自动化、智能化、多品种、缩短研发周期、加速产品更新换代的方向发展，而产品模块化设计正是对这种趋势的强力响应,它将工程师从传统的特定产品零件设计中解脱出来,只需选用满足用户需求的标准化模块和功能模块，就能快速高效的完成产品设计工作。

4结语

模块化的设计思路已经被广泛应用于石油钻机的整体设计中，但其中大部分设备还是保留着传统的设计思维。举升式石油钻机猫道机的模块化结构设计的提出为其余石油钻采设备的模块化和结构化提供了设计方向，也为后续钻采设备的现代化和智能化做好准备。

参考文献：

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作者:李世伟 于芬 夏正廷 邢冠梅 单位:兰州信息科技学院 甘肃省兰州公路事业发展中心