钻机起升系统模块化设计研究与实现

□ 杨武涛 □ 张 力 □ 张城熙 □ 赵永生

兰州理工大学 机电工程学院 兰州 730050

钻机是石油行业的大型机械产品。随着制造业竞争的加剧，用户的多样化、个性化需求也随之快速增长，传统的钻机设计方法由于设计效率低、设计周期长已不能满足钻机更新换代的步伐。在这种背景下，“快速响应工程”中的模块化设计技术［1］大大缩短了设计周期，提高了企业快速响应能力，降低了设计成本。起升系统是钻机的关键组成部分，本文结合钻机的结构功能特点，建立钻机起升系统模块化设计计算机辅助管理系统，有效地提高了设计效率，缓解设计人员与设计任务之间的矛盾，快速响应多样化个性化的市场需求，加强了企业竞争能力［2］。

1 起升系统模块化设计过程

▲图1 钻机起升系统模块化设计过程图

▲图2 钻机模块划分示意图

钻机起升系统模块化设计的过程如图1所示，要实现起升系统快速设计，首先必须建立钻机起升系统模块数据库［3］，模块数据库主要包括两个库：企业已有成熟产品库中的“三化”（标准化、系列化与通用化）模块库；不符合“三化”模块时所设计的新模块而形成的实例模块库。在应用设计阶段，当用户提出产品要求后，首先在产品库中查找是否存在满足用户需求的产品，如果没有，利用模块化设计方法在“三化”模块库中查找能匹配所需参数的模块，随后对所设计的产品进行评价，如三维干涉检验、有限元分析等。若满足要求则设计完成，如果不满足要求则返回模块选择步骤，分析原因，重新设计。当现有的“三化”模块库中没有满足要求的模块，可通过功能模块的替换和参数化变型设计得到满足要求的模块，并将模块存入模块库；如果始终无法找到满足要求的模块，需要对相关模块重新设计，重新设计的模块储存在实例模块库中，以供下次设计选择。

2 钻机提升系统模块化设计

2.1 钻机提升系统模块划分

石油钻机属于重型矿业机械，是由多种机械设备组成，具有多种功能的联合工作机组。整套钻机具备八大系统：传动系统、动力系统、起升系统、旋转系统、循环系统、控制系统、支撑系统、辅助系统［4］。由模块分解原则，如图2所示，可将钻机划分为对应的八大一级模块，然后每一个一级模块又可分为若干二级模块，以此类推，可以将钻机细分为具有一定功能的模块。图3为起升系统模块的具体划分。

2.2 模块的设计与组合

在对钻机起升系统模块划分之后，便可对各个零部件进行设计。模块设计的主要工作是模块的实体结构设计，模块的实体结构设计应包括：模块的功能、结构形式、组装方式的确定；模块的性能参数和结构尺寸；模块的互换模式［5］。

▲图3 钻机起升系统模块划分示意图

▲图4 钻机起升系统模块化设计系统功能结构图

▲图5 模块化设计系统登录界面

模块组合可以实现产品的多样性，对选用的模块进行组合，组合成的产品若能充分满足需求，则可以进行产品化，如果不能满足需求，则需要重新选用模块，必要时须重新设计模块，再进行组合，直到满足需求为止。模块的组合是力求以较少的模块来组合成较多的不同功能和性能的产品，使产品可以较好地响应市场的需求。

2.3 起升系统模块编码

编码是对模块的信息化处理，是利用计算机检索、查询、调用和管理模块化库中模块时所使用的代码。对模块编码最直接的原因是为了更好地利用计算机辅助系统来完成钻机的模块化设计［6］。对于钻机起升系统模块的编码可采用数字加字母的组合方式，例如某绞车编码为：1001-45JC，“10”为起升系统的部件编码，“01”为第1个绞车模块，45JC为绞车的名称。

3 模块化设计系统开发

3.1 系统的总体结构

钻机起升系统模块化设计计算机辅助管理系统包括模块化产品设计、模块管理、用户管理三大主要子系统，其功能模型如图4所示。产品设计是模块化设计思想的主要体现，也是对各种设计资源的具体操作；模块管理用于管理各种设计资源，对企业现有的三化模块和具体设计实例所归入新模块库的各类模块的管理，用于实现模块的储存和读取；用户管理是对该系统安全使用的权限设置。

3.2 模块数据库

▲图6 模块化设计系统主界面

▲图7 滚筒设计窗口

模块数据库是模块化设计系统开发的重点［7］，可利用可视性编程语言（Visual Basic 6.0）和API技术实现数据与程序的连接，借助数据库软件（Access 2007）建立模块数据库。通过系统设计计算模块得出起升系统部件的具体参数，通过查询模块数据库便可输出满足要求的模块。对其设定的访问ADO钻机起升系统绞车模块数据库部分程序代码如下：

……

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

Source="﹠App.Path﹠"QSXT.mdb Persist

Security Info=False"//通过ADO控件连接本地起升模块数据库

Adodc1.RecordSource="select*from tb_jc"//读取绞车数据表

3.3 系统开发

钻机起升系统模块化设计计算机辅助管理系统采用Visual Basic6.0和Access 2007为开发工具，通过可视化语言编程，使用户能够控制和访问数据库，实现了应用程序模块和数据库的无缝连接。图5、图6是模块化设计系统登录界面和主界面。

3.4 系统应用实例

以7 000 m电驱动钻机为例通过该系统完成起升系统设计。按照用户要求提取分析得到并输入钻机的特征参数，通过系统“参数设计计算”完成起升系统参数的计算（图6）；进而完成绞车等主要模块的设计，图7为绞车滚筒的设计，完成各模块设计之后（其余数据亦可由系统获得，这里不一一列举），点击“模块方案输出（P）”，便可通过读取模块数据库输出满足要求的模块（图8）。表1给出了绞车滚筒模块设计值和实际值的对比，可知该系统计算结果与实际结果能较好吻合，误差小，说明此设计系统准确可靠。

▲图8 方案输出窗口

表1 绞车滚筒计算结果和实际值对比

4 结论

本文将模块化设计思想应用在钻机设计之中，以此为基础设计了钻机起升系统模块化计算机辅助管理系统，并验证了其可行性。该系统便于使用，方便管理，设计者可根据用户需求快速完成起升系统零部件的设计。与传统设计方法相比，简化了设计过程，提高了设计效率，缩短了设计周期，降低了设计成本，使钻机从传统的设计方法提高到模块化的设计。但由于产品实例数据有限，该系统还有诸多改进之处，如只是针对起升系统设计并没有设计钻机其它部件；数据库中的产品模块也相对较少。以上这些都是在以后的设计过程中需要解决的问题。

［1］ 王永娟,赵军,钟远龙.自动武器广义模块化快速设计研究与系统开发［J］.兵工学报，2008（4）:390－395.

［2］ 王金刚,崔志成,刘立忠,等.基于广义模块化的半挂油罐车快速设计系统的开发研究［J］.制造业自动化,2011,33（2）:76－80.

［3］ 陈如恒.钻机的模块化设计系列［J］.石油矿场机械,2004,33（4）:1－8.

［4］ 李继志,陈荣振.石油钻采机械概论［M］.北京:中国石油大学出版社,2005.

［5］ 朱元勋,周德俭，谌炎辉.面向模块化库的装载机模块接口的系列化设计［J］.机械设计与制造,2012（5）:255－257.

［6］ 侯亮,徐燕申,李森,等.基于模板模块的机械产品广义模块化设计模块编码系统［J］.机械设计,2002 （1）:8－11.

［7］ 张力，蒋钧钧，张洪生.基于 Visual FoxPro的API抽油机的模块化设计［J］.石油矿场机械,2004,33（6）： 45－47.