液压油管钳设计

毕业设计说明书
液压油管钳设计
学院：机械工程学院
专业：机械设计制造及其自动化
姓名：
学号：01235285216
指导教师：
2014年 6 月
摘要
摘要
此论文主要讲述的是新型的设计。

液压油管钳是油田上卸油管的主要工具。

液压油管钳是一种开口式，可调速的液压油管钳。

因为它是开口式的，不必像闭口钳一样上下移动装卸油管。

可以水平的装卸油管。

这种新型的液压油管钳采用的是钢丝绳作为主要的夹紧装置。

通过主滚筒的拉动钢丝绳的时候，使得通过饶绳马达缠绕在油管外壁的钢丝绳滑动。

这样可以产生很大的上卸扭矩，而不会伤害油管外壁。

这样可以使得在石油管材中仅次于套管的第二大石油管材，拥有更长的寿命。

增加很大的经济效益。

克服了现有油管钳的较容易刮伤油管外壁的缺点。

它的运动非常的平稳，而且噪音很小。

此设备使用和维护简单。

钢丝绳在使用过2000次后，必须更换。

此液压钳通过用钢丝夹，可以更换钢丝绳非常的容易。

工人在操作机器简单。

减轻了工人的劳动量。

此设备可以完全的胜任油田的恶劣的工作环境。

对环境的要求不严格，这恰好适应了油田的环境。

关键词：液压油管钳，绕绳器，缺口齿轮，存绳器
Abstrac t
Abstract
This thesis is about the design of new hydraulic tubing clamp. Hydraulic tubing clamp is the main tool for loading and unloading pipe on oil. RX hydraulic tubing clamp is a open type, adjustable speed hydraulic tubing clamp. Because it is open type, The clamp do not move up and down for loading and unloading as closed as the old pipe clamp. It can load and unload tubing on the level. The wire rope is used as the main clamping device on the new hydraulic tubing clamp. Pulling the rope through the main cylinder makes the rope slide on the tubing outer wall of the rope , when the rope has wrapped on its outer. It can produce great torque, and will not damage the pipe wall. It makes the pipes a longer life, and is on the second place in the field of oil pipes’ supplies. It can enhance the great economic.It overcomes the weakness of the more easily scratched the outer of the tubings. Its movement is very smooth, and the noise is very small.
This device is simple to be used and maintained. The rope must be replaced after using 2000 times.By using a wire clip, wire rope of the hydraulic clamp can be replaced very easily. The workers can operate the machine simply. It can reduce the workers’ labor.This equipment can be fully qualified facing the field of poor working conditions.Environmental requirements are not strict, which is just adapted to the field of environment.
Key words: hydraulic tubing clamp, the device of winding wire rope, the gap gear, the storing rope device
目录
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
目录 (III)
第一章引言 (1)
第二章液压油管钳控制回路的设计 (2)
2.1液压油管钳主要结构 (2)
2.2工作过程 (2)
2.3控制回路 (3)
2.4底板的设计 (5)
2.4.1液压控制元件的选择 (5)
2.4.2 行程阀底板的设计 (12)
2.4.3 主控制回路的底板的设计 (14)
第三章油管钳的主体结构的设计 (18)
3.1绕绳部分的设计 (18)
3.1.1 绕绳滚筒的设计 (18)
3.1.2 绕绳滚筒轴的设计 (23)
3.1.3 缺口齿轮部分的设计 (23)
3.1.4 缺口齿轮底板 (27)
3.1.5 悬吊支架的设计 (28)
3.2主滚筒的设计 (28)
3.3行程阀控制部分的设计 (32)
3.3.1绕绳行程阀控制部分的设计 (32)
第四章箱体的设计 (35)
总结 (36)
参考文献 (37)
致谢 (38)
第一章引言
第一章引言
油管是石油管材中仅次于套管的第二大类石油管材，各油田每年用量多在几十万米至数百万米之间。

自本世纪初问世以来，在油气田得N-r广泛的应用。

但是从国内外各大油田现场调查情况来看，油管在使用过程中经常发生粘扣、刺扣、滑脱、疲劳断裂、腐蚀等失效事故，大大缩短了油管的使用寿命，增加了油井的修井作业量和作业费用，并影响到油井产量，给油田用户带来巨大的经济损失.据不完全统计，油管外壁划伤，而腐蚀失效的油田有：胜利、大庆、辽河、吉林、华北、中原、长庆、克拉玛依、塔罩木、青海、江汉、四川等油田。

钢级有J55、NS0、C90、Pll0等。

液压油管钳是幽静修井时，上卸油管的专用机械器具，液压油管钳可以大大的降低工人的劳动强度，提高修井时的，工人作业的效率。

目前油井使用的油管钳的钳口容易打滑，和将油管的的外径咬伤。

液压钳的广泛应用，虽然对提高作业效率，减轻工人劳动强度起到了一定的作用，但也带来了加速油管外壁划伤，而腐蚀失效这一新问题。

虽然行业标准SY／T5074．91对石油修井用动力管钳各项指标进行了严格限制，但由于目前所使用油管钳本身结构设计和操作上的缺陷，再加上技术上的原因，油管液压钳的主要技术指标难以达到国家标准(GB)和石油行业标准(SB)的要求，给现场作业带来极大的困难。

该研究课题就是针对且前国内外各大油田普遍存在的油管外壁划伤，而腐蚀失效现象提出的，旨在解决外壁划伤而受到外壁腐蚀以及液压钳的技术改造等问题因此，这个问题一直是困扰油管钳存在的关键的问题之一，油管的表面被咬伤的主要的原因是因为牙板的打滑所致，这个问题涉及到的因素有很多，例如钳牙板的牙型与布置，坡板的的坡脚设计与切的径比，钳口的变形的大小，摩擦盘初始的摩擦力的调定等。

为了解决这一问题，在对口钳夹紧系统进行研究的基础上，提出了新的钳口夹紧的结构
本课题为与企业合作研究的课题。

通过毕业设计，我们能够利用所学的知识，独立完成一般机械的设计过程，为毕业后从事机械设计制造工作打下了良好的基础
第二章液压油管钳控制回路的设计
2.1液压油管钳主要结构
图2-1 液压油管钳的主要结构
此液压油管钳（图2-1）是有由主钳和背钳组成。

主钳包括辊筒机构、油管支撑机构、动力装置、操纵装置、安全门及主壳体等。

背钳包括钳牙、油缸、前后导杆与背钳壳体等。

工作时，绕绳液压马达带动排绳机构运动，将钢丝绳缠绕到油管上，缠绕结束后，辊筒在其马达带动下转动，拉动钢丝绳，带动油管旋转，进行上扣或卸扣工作。

背钳通过液压缸和钳牙机构，将下部油管夹紧，防止在主钳工作过程中松动。

2.2工作过程
1．设置左右旋向。

2．将油管插入钳口。

3．将背钳夹紧。

4．将钢丝绳缠绕到油管上。

5．拉动钢丝绳，将油管螺纹上紧或松开。

此时，缠绕的钢丝绳圈数不减少，继续缠绕。

6．将油管上的钢丝绳退下。

7．主滚筒返回。

8．将背钳松开。

2.3控制回路
图2-2所示，打开油箱P，将手动三位四通换向阀1放置于左位，液压油将向背钳油缸2加压力油。

这会将使背钳将油管夹紧，在夹紧的过程中顺序阀3没有达到预定的压力，所以顺序阀3不会开启。

后面的设备不会动作。

直到背钳1将将油管夹紧，此时顺序阀3达到预设的开启压力的时候，顺序阀3开启。

通过调速阀4，调节后面液压马达13,14的转速。

可以预设好调速阀4的调速档位，使得两个液压马达13,14，有一个合理的速度。

可以通过液压表5查看相应阶段的液压回路的压力。

然后掰动手动三位四通换向阀6，将手动三位四通换向阀6放置在左位，此时压力油通过液动三位四通换向阀7，将液动三位四通换向阀7压制在左位，此时的压力油进入二位三通行程阀9，二位三通行程阀9位于原始位置，同时二位三通行程阀8处于被压紧状态，但此时的压力油不会通过二位三通行程阀8的。

也因此液压马达14（主滚筒马达14）是不会转动。

压力油进入手动二位四通换向阀12，此时不掰动手动二位四通换向阀12，使得二位四通换向阀12处于原始位置。

此时压力油进入液压马达13（绕绳马达13）液压马达正转带动绕绳器向将要上卸的油管外壁上缠绕钢丝绳，同时绕绳马达的行程阀挡铁离开二位三通换向阀8，将二位三通行程阀8释放，使其位于原始位置，同时绕绳马达行程阀挡铁向二位三通换向阀9前进。

将钢丝绳缠绕完5圈后，绕绳马达的行程阀挡铁到达了二位三通行程阀9，并将处于原始位置的二位三通行程阀9压紧，此时二位三通行程阀9从原始位置被压紧，绕绳马达13停转，同时将压力油换到二位二通行程阀10所在的油路，此时的二位二通行程阀10位于原始位置（如图2-2），而二位二通行程阀11处于被主滚筒行程阀的挡铁压紧状态。

压力油将带动主滚筒马达14正转将拉动钢丝绳将油管上扣或者是脱扣。

同时主滚筒的行程阀挡铁将离开二位二通行程阀11，将向二位二通行程阀10前进，等到主滚筒旋转5后，主滚筒的行程阀挡铁将到达二位二通行程阀10，并将处于原始位置的二位二通行程阀10压紧，此时主滚筒马达14停转。

当手动三位四通换向阀6位于右位时，手动三位四通换向阀1处于左位不动时，液动二位三通行程阀7的液控端直接通到油箱。

液动二位三通阀7由以前的压紧状态，然后恢复到原位。

油路换到了二位三通行程阀8的油路。

同时二位三通行程阀9由于绕绳马达的行程阀挡铁的压紧，使得二位三通行程阀行程阀9处于压紧的状态。

压力油进入
了二位二通行程阀11，二位二通行程阀11处于原始位置。

主滚筒行程阀的挡铁位于二位二通行程阀10处，此时二位二通行程阀行程阀10，处于被压紧的状态。

压力油由二位二通行程阀11,经过手动二位四通换向阀12进入到绕绳马达13，使得绕绳马达13反转，同时绕绳马达行程阀挡铁，由之前的位于二位三通行程阀9处，离开它，向二位三通行程阀8方向前进。

当绕绳马达的绕绳器反转完5圈后，绕绳马达的行程阀挡铁，到达了二位三通行程阀8，使得二位三通行程阀由之前的原始位置，被压紧，之前通往绕绳马达13的油路被转换到了二位二通11，此时的二位二通行程阀行程阀11处于原始位置。

而此时的绕绳马达13处于停转的状态。

而主滚筒行程阀挡铁位于二位二通行程阀10，二位二通行程阀行程阀10处于被压紧的状态，这时主滚筒马达14开始反转。

此时主滚筒行程阀挡铁由位于二位二通行程阀10 的位置向二位二通行程阀11的位置前进。

当主滚筒马达反转完5圈之后，主滚筒行程阀挡铁现在位于了二位二通行程阀11的位置，这使得主滚筒马达14停转。

此时可以使得手动三位四通阀1掰动到右位。

这样将由背钳的夹紧的油管松开。

然后松开双手。

这样就完成了一次上或卸油管的动作。

之后可以重复之前的工作。

通过掰动手动二位四通换向阀12可以改变上卸油管的方向。

2.4 底板的设计
由于工作环境的条件的限制。

而且由于压力油的压力非常的高，所以采用管式连接体积大，而且很不经济，如果采用板式连接这样可以有效地减少设备的体积。

而且节约了，好多的特制的钢油管，这这样做非常的经济。

但是由于板式连接非常的灵活，不同的控制回路有不同的阀之间的连接关系。

所以一般来说不可能大批量的生产。

如果底板的用量非常的大，可以向生产阀的厂家特定相应的底板。

但是此液压油管钳的生产批量不是非常的大。

所向生产液压阀的厂家定制液压阀的底板非常的不经济。

所以必须自己设计液压阀底板。

如图2-2所示的设备的控制回路。

由于二位三通行程阀8,9，二位二通行程阀10，11.必须安装在相应的较长的距离上，而且要完成相应的回路控制。

所以二位三通行程阀8,9，二位二通行程阀10，11，就不可以设计在控制回路底板上。

必须进行另外形应的位置。

进行相应的行程阀底板的设计。

所以需要两个底板。

2.4.1液压控制元件的选择
经过进行查阅资料。

得到了相应液压控制元件的外形尺寸的大小。

（如下）
1. WMM10型手动换向阀（图2-3）是通过手柄的转动，使阀芯做轴向的移动，从而对油路进行切换的换向滑阀。

并且可以选择定位器和弹簧复位装置，采用板式链接。

图2-3 WMM10手动三位四通换向阀
该阀由阀体（1），手柄（2），阀芯（3）一个或两个复位弹簧（4）和推杆（5）等组成。

（图2-4）当未操纵手柄时，阀芯（3）被复位弹簧（4）保持在中位或初始位置上。

当向右或向左推动手柄（2）时，手柄通过铰链推动推杆（5）并直接控制阀芯（3），阀芯便移动到要求的位置，从而获得所需要的流动截面。

当手柄回到零位时，控制阀芯借助阀芯复位弹簧（4）恢复到正常的位置。

这种阀的切换位置由手柄操纵确定。

图2-4 WMM10型手动换向阀阀体
这种阀由于工作条件的限制，切换过程中可能出现阀的流量超过阀性能曲线规定的流量，这时需要采用阻尼器。

它的安装在阀的P腔或油路中。

这种阀采用板式连接，较国内其它系列的阀具有体积小，通流能力大，可靠性好等优点，可与相同通径的叠加阀使用。

广泛的应用于工程机械，煤矿机械，化工机械，轻工机械，机车等各行业中。

液压系统用的介质必须过滤；过滤的精度至少20μm。

液压系统使用的油箱必须密封；并加空气过滤器。

与阀连接的平面度要求0.01/100mm。

2.WMU/R型滚轮换向阀（图2-5）是用滚轮操纵的直动式换向滑阀，它的滚轮能够转动90°，能直接由曲线控制而无级间转换或偏离扫描方向，径方向（到30°角）被完全的吸收。

3.WMR/U型机动阀是带滚轮/推杆通过安装在执行机构上的挡铁或凸轮操纵的直动式换向滑阀。

滚轮和推杆可旋转90°，径向（30°）被安全的吸收。

此阀（图2-5）由阀体（1）滚轮或推杆控制阀芯（3）和复位弹簧（4）组成。

当没有外力操纵时，控制阀芯（3）被复位弹簧（4）保持在起始位置（切换位置B）。

当外力操纵滚轮或推杆的操纵力减小时，控制阀芯（3）被复位弹簧推回到起始的位置。

由于工作条件的限制，切换过程中可能出现阀的流量超过了阀性能曲线上的规定的流量，这时需要采用阻尼器。

它安装在P腔或油路中。

图 2-5 WMU/R10型滚轮换向阀
图2-6 WMU/R10型滚轮换向阀阀体
4.WH型换向阀是液压操纵的直动式换向阀，两位阀有定位器供选择，采用的是板式链接。

WH10型换向阀（图2-7）是液动式换向阀，它控制液体的开启、换向和停止。

该阀（图2-8）主要由阀体（1）一个或两个控制活塞（2）上时，活塞（2）推动阀芯（3），使其由静止的位置移动到所要求位置，从而打开需要的流动截面。

当压力油去除后，阀芯（3）由复位弹簧（4）推回到原始的位置。

由于工作条件的限制，切换过程中可能出现阀的流量超过阀性能曲线上规定的流量，这时需要采用阻尼器。

它安装在阀的P腔或油路中。

由于阻塞，阀的切换功能与过滤有关。

为了获得所示最大流量，推荐采用20μm 的全流量过滤。

作用在阀上的各种力也会影响流量特性。

根据情况的需要，可以将四通阀的A口或B口堵死作为三通阀的作用是最大流量可能会大大的下降。

图 2-7 WH10型换向阀
图2-8 WH10型换向阀阀体
5.DZ10DP型直动式顺序阀（图2-9）顺序阀设定的压力有2.5MPa、7.5MPa、15MPa、21MPa四种，流量为80L/min的板式链接。

这种顺序阀具有体积小、重量轻、使用方便、安全可靠的特点。

它被广泛的用于起重运输机械、工业车辆、机床、船舶、冶金等设备的液压系统中。

这种阀主要包括阀体、控制阀芯、弹簧和压力设定件及可供选择的单向阀。

阀的开启压力由压力设定元件设定。

弹簧使阀芯保持在初始的关闭位置，油口A中的压力油通过控制油路作用在与弹簧相对的阀芯接触的面上，当油口A中压力到达的设定的值时，阀芯克服弹簧的移动，使得油口A和油口B接触。

与此同时，压力油进入与油口B连通的系统，但油口A中的压力不下降。

控制油也可以经油口X从外部引入。

根据阀的实际的用途，先导油可经油口Y（T）外部卸油，也可内部卸油。

为了使油液自由从油口B流回A，可按需要选择单向阀。

阀的控制压力可以由压力表油口实现。

图2-9 DZ10DP型直动式顺序阀
6. 2FRM型二通流量控制阀（图2-10）是可以外面关闭的压力补偿器，可设置单向阀，用数字指示的调节旋钮，这个阀可以带锁，也可以无锁。

图 2-10 2FRM型二通流量控制阀
2FRM型流量控制阀是二通流量控制阀：该阀用于控制流量，使之基本上恒定，不
受压力和温度的影响。

它主要由阀体、调节件、节流体、压力补偿器和根据需要设定的单向阀等组成。

从A口流向B口油液在节流口处受到节制。

通过旋钮，可以调节节流口开度。

为了使流量保持恒定，不受B口处压力的影响，在节流口的后面安装了一个压力补偿器。

弹簧分别压紧压力补偿器和节流体。

当没有压力油流过阀时，弹簧压紧压力补偿器，使它处于开启状态。

一旦油通过阀时，来自A腔的压力通过节流孔在压力补偿器产生一个力。

压力补偿器动作，直到其上的作用力相互的平衡，达到一个调定的位置。

若A口德压力升高，压力补偿器向关闭的位置运通，直到其上的作用力再次平衡。

由于压力补偿器的这种恒定“随动作用”，能获得恒定的流量。

2.4.2 行程阀底板的设计
由于四个行程阀必须分开的放置，所以是不可以放置在同一个底板上的。

必须每一个行程阀放置在一个底板上。

这里需要四个行程阀底板（图2-11）。

根据WMU/R型滚轮换向阀（图2-5）的几何参数，进行了如下的设计。

图 2-11 行程阀底板的接触面
由于WMU/R型滚轮换向阀（图2-5）的几何参数，固定于底板的接触面的面积大小为91×70，所以本处的行程阀的底板也就选择了91×70的底板面积。

由于只有一个阀固定在底板上。

所以在底板油路的设计方面就显得非常的容易。

根据参考书目[1]，在液压油的压力最大为20MPa的油压的时候。

两个管壁间的壁厚不得低于13mm，所以上下的壁厚选择了15mm，这样就可以非常的安全的运行。

所以加上上下壁厚的15mm，在加上油管的直径的大小10mm。

所以将整个的行程阀的壁厚定义在40mm。

这样就可以将压力油的管道的中心线放置在中间。

行程阀底板的在底板中油路的设计进行了如图2-12的排布。

由于行程阀的的油口P、A、B的相对位置在出厂的产品中已经固定，所以不能进行相对的改变。

按照参考书[1]将油管的螺纹空的螺纹深度20mm。

符合相关的标准。

图2-12，将油口P放置在行程阀底板的一边，将油口A、B放置在行程阀底板的另一侧。

这样A、B之间的壁厚符合了相对的规定。

图2-12 行程阀底板的油路的排布
因为行程阀底板需要固定在箱体的侧壁上，所以应当进行当考虑行程阀底板的固定的问题。

为了缩小行程阀底板的体积的问题。

所以进行了如图2-13的几何关系的设置问题。

在设计行程阀底板的固定问题，固定的螺纹孔不应该与油管通路之间的的距离小于规定的之间的距离。

所以将螺纹孔的中心线的位置应该位于40×70侧面的距离应该保持在10mm。

所以打M10的螺纹孔。

因此行程阀底板固定螺纹孔与最近的油口之间的距
离为25.25mm所以它们之间的壁厚保持在15.25mm的距离。

所以符合相应的规定。

所以在打固定行程阀底板的螺纹孔的螺纹深度20mm。

这样可以找打相应的螺栓的标准件。

就可以很容易的找到相应的螺栓。

因为在图2-2中的二位三通行程阀8、9由油口P、A、B的，而二位二通行程阀10、11有油口A、B。

如果将采用不同的行程阀底板的时候，可能使得机器的相对的制造成本会有很大的增加。

这对于产品的经济性不利。

所以四个行程阀的底板采用同一个型号的底板只要将二位二通行程阀10、11的底板的油口A或油口B用螺栓堵上。

这样就可以将二位三通行程阀的底板的油口变成了二位二通行程阀底板。

这样就可以适应相应的工作原理上的需求。

图 2-13 行程阀底板的后壁
2.4.3 主控制回路的底板的设计
因为主控制回路的底板（图2-14）的完成相应油路的设计功能还要将行程阀底板的体积应该尽量的减小到最低。

所以将在主控制回路上的底板上除了将是上表面安装上液压阀。

还应将主控制回路底板的左右的侧面也应该进行相应的设计。

因为要将手动三位四通换向阀1，顺序阀3，调速阀4，压力表5，手动三位四通换向阀6，液动二位三通阀7，手动二位四通换向阀12，放置在主控制回路底板上。

根据这些液压元件的实际的几何尺寸。

所以将这些液压元件做了如下的安排。

所以手动三位四通换向阀1放置在主控制回路底板图的右侧的底板面上，将上述的并将液压油路的油口A和油口B圆心的连线放置在侧面的中心线上。

将顺序阀3放置在主控制回路的底
板的主平面上。

将调速阀4放在顺序阀3的上面，将它的油口A和油口B的油口的中心线的放置在主控制回路的底板的侧面上的中心线上。

将液压表5放置在主控制回路的底板的左侧面。

将手动三位四通换向阀6放置在主控制回路底板的的主面板的顺序阀的底面。

同时将液动二位三通阀7放置在相应的主控回路的主面板的手动三位四通阀6的下面。

并将手动二位四通换向阀12放置在主控制回路的主面板上。

并将手动二位四通换向阀12,放置在液动二位三通换向阀7的下面。

图2-13 主控制回路的底板
由于每一个液压油管之间的壁厚不能小于相应的13mm的厚度。

由于为了将油路之间的距离分还。

所以将油管的出口层面分成了三层。

由于油管口与上下壁面之间的壁厚应当15mm。

这样的厚度符合相应的规定。

为了安全起见，所以每两个层面间的之间的壁厚也要保持的距离应该大于13mm。

所以将其间的距离定义在15mm。

所以每一层面间的距离家起来应该是所设计得到的壁厚，共计120mm。

由于每一个阀的固定表面之间的面积是91×70.所以主控制平面上共有4个。

而每一个阀之间的距离保持5mm之间。

所以它们之间的间隙距离是15mm。

所以加上主控制回路底板之间需要外挂在箱体的外侧。

所以要在底板上的加上固定的螺栓通孔φ13。

所以加上间隙的距离，四个换向阀的距离和主控制回路底板的固定螺栓通孔。

所以之间的总共的距离334.5mm。

由于每个阀的外伸长度的不同。

和住控制回路底板固定螺栓通孔的距离所以将之间的宽度距离定义在223.6mm。

这样可以实现结构紧凑的要求。

以主控制回路底板的主结合面作为基准面，距离基准面25mm的层面作为第一层面（图2-15），在图中可以看到液动二位三通换向阀7的油口B在第一层面的右侧面。

手动二位四通换向阀12的油口B，将其放置在主控制回路的右侧的外壁上。

将手动二位四通换向阀12 的油口T，就将其开口放置在主控制回路底板的下侧外壁。

这样就可以将油管之间的就不会由任何的干扰。

图2-15 住控制回路底板第一层面
主控制回路底板的第二层面（图2-16），第二层面是距离基准面的50mm的平面。

图 2-16主控制回路底板的第二层面
将手动三位四通换向阀1的油口A和油口B的内部开口经过90°的转角。

让它们的连接液压缸的的油口转开到主控制回路底板的下面。

然后将手动二位四通换向阀12,的油口A经下侧面接出底板，将液动二位三通换向阀7的油口A经底板的左侧的面接出。