鉆機(jī)起升系統(tǒng)模塊化設(shè)計研究與實現(xiàn)

□ 楊武濤 □ 張 力 □ 張城熙 □ 趙永生

蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 蘭州 730050

鉆機(jī)是石油行業(yè)的大型機(jī)械產(chǎn)品。隨著制造業(yè)競爭的加劇，用戶的多樣化、個性化需求也隨之快速增長，傳統(tǒng)的鉆機(jī)設(shè)計方法由于設(shè)計效率低、設(shè)計周期長已不能滿足鉆機(jī)更新?lián)Q代的步伐。在這種背景下，“快速響應(yīng)工程”中的模塊化設(shè)計技術(shù)［1］大大縮短了設(shè)計周期，提高了企業(yè)快速響應(yīng)能力，降低了設(shè)計成本。起升系統(tǒng)是鉆機(jī)的關(guān)鍵組成部分，本文結(jié)合鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)功能特點，建立鉆機(jī)起升系統(tǒng)模塊化設(shè)計計算機(jī)輔助管理系統(tǒng)，有效地提高了設(shè)計效率，緩解設(shè)計人員與設(shè)計任務(wù)之間的矛盾，快速響應(yīng)多樣化個性化的市場需求，加強了企業(yè)競爭能力［2］。

1 起升系統(tǒng)模塊化設(shè)計過程

▲圖1 鉆機(jī)起升系統(tǒng)模塊化設(shè)計過程圖

▲圖2 鉆機(jī)模塊劃分示意圖

鉆機(jī)起升系統(tǒng)模塊化設(shè)計的過程如圖1所示，要實現(xiàn)起升系統(tǒng)快速設(shè)計，首先必須建立鉆機(jī)起升系統(tǒng)模塊數(shù)據(jù)庫［3］，模塊數(shù)據(jù)庫主要包括兩個庫：企業(yè)已有成熟產(chǎn)品庫中的“三化”（標(biāo)準(zhǔn)化、系列化與通用化）模塊庫；不符合“三化”模塊時所設(shè)計的新模塊而形成的實例模塊庫。在應(yīng)用設(shè)計階段，當(dāng)用戶提出產(chǎn)品要求后，首先在產(chǎn)品庫中查找是否存在滿足用戶需求的產(chǎn)品，如果沒有，利用模塊化設(shè)計方法在“三化”模塊庫中查找能匹配所需參數(shù)的模塊，隨后對所設(shè)計的產(chǎn)品進(jìn)行評價，如三維干涉檢驗、有限元分析等。若滿足要求則設(shè)計完成，如果不滿足要求則返回模塊選擇步驟，分析原因，重新設(shè)計。當(dāng)現(xiàn)有的“三化”模塊庫中沒有滿足要求的模塊，可通過功能模塊的替換和參數(shù)化變型設(shè)計得到滿足要求的模塊，并將模塊存入模塊庫；如果始終無法找到滿足要求的模塊，需要對相關(guān)模塊重新設(shè)計，重新設(shè)計的模塊儲存在實例模塊庫中，以供下次設(shè)計選擇。

2 鉆機(jī)提升系統(tǒng)模塊化設(shè)計

2.1 鉆機(jī)提升系統(tǒng)模塊劃分

石油鉆機(jī)屬于重型礦業(yè)機(jī)械，是由多種機(jī)械設(shè)備組成，具有多種功能的聯(lián)合工作機(jī)組。整套鉆機(jī)具備八大系統(tǒng)：傳動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、起升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)［4］。由模塊分解原則，如圖2所示，可將鉆機(jī)劃分為對應(yīng)的八大一級模塊，然后每一個一級模塊又可分為若干二級模塊，以此類推，可以將鉆機(jī)細(xì)分為具有一定功能的模塊。圖3為起升系統(tǒng)模塊的具體劃分。

2.2 模塊的設(shè)計與組合

在對鉆機(jī)起升系統(tǒng)模塊劃分之后，便可對各個零部件進(jìn)行設(shè)計。模塊設(shè)計的主要工作是模塊的實體結(jié)構(gòu)設(shè)計，模塊的實體結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)包括：模塊的功能、結(jié)構(gòu)形式、組裝方式的確定；模塊的性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸；模塊的互換模式［5］。

▲圖3 鉆機(jī)起升系統(tǒng)模塊劃分示意圖

▲圖4 鉆機(jī)起升系統(tǒng)模塊化設(shè)計系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

▲圖5 模塊化設(shè)計系統(tǒng)登錄界面

模塊組合可以實現(xiàn)產(chǎn)品的多樣性，對選用的模塊進(jìn)行組合，組合成的產(chǎn)品若能充分滿足需求，則可以進(jìn)行產(chǎn)品化，如果不能滿足需求，則需要重新選用模塊，必要時須重新設(shè)計模塊，再進(jìn)行組合，直到滿足需求為止。模塊的組合是力求以較少的模塊來組合成較多的不同功能和性能的產(chǎn)品，使產(chǎn)品可以較好地響應(yīng)市場的需求。

2.3 起升系統(tǒng)模塊編碼

編碼是對模塊的信息化處理，是利用計算機(jī)檢索、查詢、調(diào)用和管理模塊化庫中模塊時所使用的代碼。對模塊編碼最直接的原因是為了更好地利用計算機(jī)輔助系統(tǒng)來完成鉆機(jī)的模塊化設(shè)計［6］。對于鉆機(jī)起升系統(tǒng)模塊的編碼可采用數(shù)字加字母的組合方式，例如某絞車編碼為：1001-45JC，“10”為起升系統(tǒng)的部件編碼，“01”為第1個絞車模塊，45JC為絞車的名稱。

3 模塊化設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)

3.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

鉆機(jī)起升系統(tǒng)模塊化設(shè)計計算機(jī)輔助管理系統(tǒng)包括模塊化產(chǎn)品設(shè)計、模塊管理、用戶管理三大主要子系統(tǒng)，其功能模型如圖4所示。產(chǎn)品設(shè)計是模塊化設(shè)計思想的主要體現(xiàn)，也是對各種設(shè)計資源的具體操作；模塊管理用于管理各種設(shè)計資源，對企業(yè)現(xiàn)有的三化模塊和具體設(shè)計實例所歸入新模塊庫的各類模塊的管理，用于實現(xiàn)模塊的儲存和讀取；用戶管理是對該系統(tǒng)安全使用的權(quán)限設(shè)置。

3.2 模塊數(shù)據(jù)庫

▲圖6 模塊化設(shè)計系統(tǒng)主界面

▲圖7 滾筒設(shè)計窗口

模塊數(shù)據(jù)庫是模塊化設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)的重點［7］，可利用可視性編程語言（Visual Basic 6.0）和API技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)與程序的連接，借助數(shù)據(jù)庫軟件（Access 2007）建立模塊數(shù)據(jù)庫。通過系統(tǒng)設(shè)計計算模塊得出起升系統(tǒng)部件的具體參數(shù)，通過查詢模塊數(shù)據(jù)庫便可輸出滿足要求的模塊。對其設(shè)定的訪問ADO鉆機(jī)起升系統(tǒng)絞車模塊數(shù)據(jù)庫部分程序代碼如下：

……

Adodc1.ConnectionString="Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0;Data

Source="﹠App.Path﹠"QSXT.mdb Persist

Security Info=False"http://通過ADO控件連接本地起升模塊數(shù)據(jù)庫

Adodc1.RecordSource="select*from tb_jc"http://讀取絞車數(shù)據(jù)表

3.3 系統(tǒng)開發(fā)

鉆機(jī)起升系統(tǒng)模塊化設(shè)計計算機(jī)輔助管理系統(tǒng)采用Visual Basic6.0和Access 2007為開發(fā)工具，通過可視化語言編程，使用戶能夠控制和訪問數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了應(yīng)用程序模塊和數(shù)據(jù)庫的無縫連接。圖5、圖6是模塊化設(shè)計系統(tǒng)登錄界面和主界面。

3.4 系統(tǒng)應(yīng)用實例

以7 000 m電驅(qū)動鉆機(jī)為例通過該系統(tǒng)完成起升系統(tǒng)設(shè)計。按照用戶要求提取分析得到并輸入鉆機(jī)的特征參數(shù)，通過系統(tǒng)“參數(shù)設(shè)計計算”完成起升系統(tǒng)參數(shù)的計算（圖6）；進(jìn)而完成絞車等主要模塊的設(shè)計，圖7為絞車滾筒的設(shè)計，完成各模塊設(shè)計之后（其余數(shù)據(jù)亦可由系統(tǒng)獲得，這里不一一列舉），點擊“模塊方案輸出（P）”，便可通過讀取模塊數(shù)據(jù)庫輸出滿足要求的模塊（圖8）。表1給出了絞車滾筒模塊設(shè)計值和實際值的對比，可知該系統(tǒng)計算結(jié)果與實際結(jié)果能較好吻合，誤差小，說明此設(shè)計系統(tǒng)準(zhǔn)確可靠。

▲圖8 方案輸出窗口

表1 絞車滾筒計算結(jié)果和實際值對比

4 結(jié)論

本文將模塊化設(shè)計思想應(yīng)用在鉆機(jī)設(shè)計之中，以此為基礎(chǔ)設(shè)計了鉆機(jī)起升系統(tǒng)模塊化計算機(jī)輔助管理系統(tǒng)，并驗證了其可行性。該系統(tǒng)便于使用，方便管理，設(shè)計者可根據(jù)用戶需求快速完成起升系統(tǒng)零部件的設(shè)計。與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，簡化了設(shè)計過程，提高了設(shè)計效率，縮短了設(shè)計周期，降低了設(shè)計成本，使鉆機(jī)從傳統(tǒng)的設(shè)計方法提高到模塊化的設(shè)計。但由于產(chǎn)品實例數(shù)據(jù)有限，該系統(tǒng)還有諸多改進(jìn)之處，如只是針對起升系統(tǒng)設(shè)計并沒有設(shè)計鉆機(jī)其它部件；數(shù)據(jù)庫中的產(chǎn)品模塊也相對較少。以上這些都是在以后的設(shè)計過程中需要解決的問題。

［1］ 王永娟,趙軍,鐘遠(yuǎn)龍.自動武器廣義模塊化快速設(shè)計研究與系統(tǒng)開發(fā)［J］.兵工學(xué)報，2008（4）:390－395.

［2］ 王金剛,崔志成,劉立忠,等.基于廣義模塊化的半掛油罐車快速設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)研究［J］.制造業(yè)自動化,2011,33（2）:76－80.

［3］ 陳如恒.鉆機(jī)的模塊化設(shè)計系列［J］.石油礦場機(jī)械,2004,33（4）:1－8.

［4］ 李繼志,陳榮振.石油鉆采機(jī)械概論［M］.北京:中國石油大學(xué)出版社,2005.

［5］ 朱元勛,周德儉，諶炎輝.面向模塊化庫的裝載機(jī)模塊接口的系列化設(shè)計［J］.機(jī)械設(shè)計與制造,2012（5）:255－257.

［6］ 侯亮,徐燕申,李森,等.基于模板模塊的機(jī)械產(chǎn)品廣義模塊化設(shè)計模塊編碼系統(tǒng)［J］.機(jī)械設(shè)計,2002 （1）:8－11.

［7］ 張力，蔣鈞鈞，張洪生.基于 Visual FoxPro的API抽油機(jī)的模塊化設(shè)計［J］.石油礦場機(jī)械,2004,33（6）： 45－47.