模塊化設(shè)計在鉆井泵組中的應(yīng)用

□ 張志偉 □ 郝建旭 □ 李永飛

1.寶雞石油機械有限責(zé)任公司 陜西寶雞 7210022.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心 陜西寶雞 721002

1 研究背景

鉆井泵組是鉆機的主要部件,基于鉆機的布局具有多種結(jié)構(gòu)形式,因此存在較多的重復(fù)設(shè)計。對泵組劃分出一些通用性較強的功能模塊,設(shè)計時根據(jù)鉆機的配置要求對這些模塊進行選擇,可以構(gòu)成不同配置的泵組,在工業(yè)設(shè)計應(yīng)用中已較為普遍[1-3]。鉆井泵組主要由鉆井泵、底座、灌注系統(tǒng)、潤滑油路、噴淋系統(tǒng)、動力裝置等部件組成,這些部件之間的接口一般不變。對于不同的設(shè)計人員而言,接口需要逐一核對,尤其是核對不同泵組部件之間借用的情況。

對鉆井泵組進行模塊化設(shè)計的目的是減少重復(fù)性設(shè)計。模塊化設(shè)計能夠很好地展現(xiàn)泵組的整體結(jié)構(gòu)布局,避免出現(xiàn)相同或類似結(jié)構(gòu)的重復(fù)設(shè)計,從而有效縮短泵組產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)周期,降低生產(chǎn)成本,增強產(chǎn)品宣傳與用戶交流,具有現(xiàn)實意義[4-5]。

2 模塊化設(shè)計的應(yīng)用

2.1 模塊劃分

鉆井泵組的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括鉆井泵、底座、灌注系統(tǒng)、潤滑油路、噴淋系統(tǒng)、動力裝置等部件。鉆井泵組設(shè)計時,這些部件間的接口一般不發(fā)生變化,并且這些部件與鉆井泵組都存在互相對應(yīng)的接口裝配關(guān)系。

▲圖1 鉆井泵組結(jié)構(gòu)

根據(jù)模塊化設(shè)計理論，將泵組劃分為相對獨立的九個模塊。模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)根據(jù)需要可以進行重新設(shè)計,以形成不同的模塊實體[6-9]。鉆井泵組模塊劃分如圖2及表1所示。

▲圖2 鉆井泵組模塊劃分

表1 鉆井泵組模塊劃分

2.2 接口規(guī)劃

鉆井泵組模塊接口劃分見表2,在鉆井泵組結(jié)構(gòu)不變的前提下,這些接口不會變化。在接口規(guī)劃時,將兩個部件用于連接的接口部分分別設(shè)計為針端、孔端形式,然后通過接口實體坐標(biāo)系的方向設(shè)定兩個模塊的安裝方向。鉆井泵組模塊化設(shè)計中,規(guī)定坐標(biāo)系Z軸由針端指向孔端。因鉆井泵組部件存在較多的接口,故需要對不同的接口坐標(biāo)系進行命名。當(dāng)選擇不同模塊時,可以通過不同的接口信息進行鉆井泵組的自動裝配,并最終形成功能相同但配置不同的鉆井泵組[10]。部分接口實體如圖3所示。

表2 鉆井泵組模塊接口劃分

2.3 骨架建模

鉆井泵組模塊骨架劃分見表3。鉆井泵組各模塊及接口劃分后,由于不同模塊有空間布局的限制,因此根據(jù)每個模塊的最大允許空間要求來對各個模塊進行骨架設(shè)計。部分骨架實體如圖4所示。各個骨架通過相對應(yīng)的接口裝配成鉆井泵組模板后,不應(yīng)存在干涉的情況。

▲圖3 部分接口實體

表3 鉆井泵組模塊骨架劃分

2.4 骨架模型裝配

鉆井泵組各模塊的骨架建模完成后,按照規(guī)劃好的接口信息,將各骨架模型通過相應(yīng)的接口坐標(biāo)位置關(guān)系裝配為鉆井泵組模板,如圖5所示。后期不同的設(shè)計人員在設(shè)計相應(yīng)的模塊時,應(yīng)以骨架的包掠空間為邊界,以骨架上的接口為基礎(chǔ),對骨架所對應(yīng)的模塊進行詳細設(shè)計。

2.5 泵組模塊實體設(shè)計與擴展

鉆井泵組骨架模型裝配完成后,設(shè)計人員可以根據(jù)需要在模塊骨架及接口的基礎(chǔ)上進行各個模塊的詳細設(shè)計,部分模塊實體如圖6所示。由于不同的設(shè)計人員在模塊詳細設(shè)計時所參照的接口及骨架是不變的,因此各模塊設(shè)計完成后通過接口信息就可以裝配成相對應(yīng)類型的鉆井泵組,并且各個模塊之間不會產(chǎn)生干涉。

▲圖4 部分骨架實體

▲圖5 鉆井泵組模板

▲圖6 部分模塊實體

3 基于軟件平臺的設(shè)計

鉆井泵組接口實體、骨架實體、模塊實體統(tǒng)一導(dǎo)入Teamcenter軟件文件庫,并在Rulestream產(chǎn)品配置器中形成可供選擇的各類型鉆井泵組模板。模板選定后,Rulestreem產(chǎn)品配置器自動調(diào)用相關(guān)的模塊,如圖7所示。模塊選擇完成后,在Rulestreem配置器中可以自動生成鉆井泵組的配置清單,如圖8所示。同時自動啟動Unigraphics NX設(shè)計軟件，將所選的模塊自動裝配成相對應(yīng)的鉆井泵組三維模型,如圖9所示。

▲圖7 模塊調(diào)用界面

▲圖8 鉆井泵組配置清單界面

▲圖9 鉆井泵組三維模型界面

4 結(jié)束語

筆者研究了模塊化設(shè)計在鉆井泵組中的應(yīng)用。模塊化設(shè)計將鉆井泵組部件之間的接口標(biāo)準化,并通過Rulestream配置器對不同類型的鉆井泵組與相對應(yīng)的模塊建立裝配關(guān)系,縮短了鉆井泵組的設(shè)計周期。

通過Rulestream配置器,設(shè)計人員可以快速完成滿足需求的新鉆井泵組設(shè)計,并且能夠直觀形象地向用戶進行展示。

通過在Rulestream配置器中選擇對應(yīng)的鉆井泵組模塊,并通過自動調(diào)用Unigraphics NX軟件,可以實現(xiàn)新鉆井泵組的快速自動裝配,生成用于指導(dǎo)生產(chǎn)的產(chǎn)品配置單。

由于鉆井泵組各模塊是以不干涉骨架模型及不變接口為基礎(chǔ)進行設(shè)計的,因此不同設(shè)計人員設(shè)計鉆井泵組時,不會出現(xiàn)模塊間的干涉,從而保證了鉆井泵組裝配的正確性。

通過對鉆井泵組模塊進行詳細設(shè)計,形成每個模塊的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹,同時導(dǎo)出相應(yīng)的配置清單,可用于指導(dǎo)生產(chǎn)。