模块化设计在钻井泵组中的应用

□ 张志伟 □ 郝建旭 □ 李永飞

1.宝鸡石油机械有限责任公司 陕西宝鸡 7210022.国家油气钻井装备工程技术研究中心 陕西宝鸡 721002

1 研究背景

钻井泵组是钻机的主要部件,基于钻机的布局具有多种结构形式,因此存在较多的重复设计。对泵组划分出一些通用性较强的功能模块,设计时根据钻机的配置要求对这些模块进行选择,可以构成不同配置的泵组,在工业设计应用中已较为普遍[1-3]。钻井泵组主要由钻井泵、底座、灌注系统、润滑油路、喷淋系统、动力装置等部件组成,这些部件之间的接口一般不变。对于不同的设计人员而言,接口需要逐一核对,尤其是核对不同泵组部件之间借用的情况。

对钻井泵组进行模块化设计的目的是减少重复性设计。模块化设计能够很好地展现泵组的整体结构布局,避免出现相同或类似结构的重复设计,从而有效缩短泵组产品的设计开发周期,降低生产成本,增强产品宣传与用户交流,具有现实意义[4-5]。

2 模块化设计的应用

2.1 模块划分

钻井泵组的结构如图1所示,主要包括钻井泵、底座、灌注系统、润滑油路、喷淋系统、动力装置等部件。钻井泵组设计时,这些部件间的接口一般不发生变化,并且这些部件与钻井泵组都存在互相对应的接口装配关系。

▲图1 钻井泵组结构

根据模块化设计理论，将泵组划分为相对独立的九个模块。模块内部结构根据需要可以进行重新设计,以形成不同的模块实体[6-9]。钻井泵组模块划分如图2及表1所示。

▲图2 钻井泵组模块划分

表1 钻井泵组模块划分

2.2 接口规划

钻井泵组模块接口划分见表2,在钻井泵组结构不变的前提下,这些接口不会变化。在接口规划时,将两个部件用于连接的接口部分分别设计为针端、孔端形式,然后通过接口实体坐标系的方向设定两个模块的安装方向。钻井泵组模块化设计中,规定坐标系Z轴由针端指向孔端。因钻井泵组部件存在较多的接口,故需要对不同的接口坐标系进行命名。当选择不同模块时,可以通过不同的接口信息进行钻井泵组的自动装配,并最终形成功能相同但配置不同的钻井泵组[10]。部分接口实体如图3所示。

表2 钻井泵组模块接口划分

2.3 骨架建模

钻井泵组模块骨架划分见表3。钻井泵组各模块及接口划分后,由于不同模块有空间布局的限制,因此根据每个模块的最大允许空间要求来对各个模块进行骨架设计。部分骨架实体如图4所示。各个骨架通过相对应的接口装配成钻井泵组模板后,不应存在干涉的情况。

▲图3 部分接口实体

表3 钻井泵组模块骨架划分

2.4 骨架模型装配

钻井泵组各模块的骨架建模完成后,按照规划好的接口信息,将各骨架模型通过相应的接口坐标位置关系装配为钻井泵组模板,如图5所示。后期不同的设计人员在设计相应的模块时,应以骨架的包掠空间为边界,以骨架上的接口为基础,对骨架所对应的模块进行详细设计。

2.5 泵组模块实体设计与扩展

钻井泵组骨架模型装配完成后,设计人员可以根据需要在模块骨架及接口的基础上进行各个模块的详细设计,部分模块实体如图6所示。由于不同的设计人员在模块详细设计时所参照的接口及骨架是不变的,因此各模块设计完成后通过接口信息就可以装配成相对应类型的钻井泵组,并且各个模块之间不会产生干涉。

▲图4 部分骨架实体

▲图5 钻井泵组模板

▲图6 部分模块实体

3 基于软件平台的设计

钻井泵组接口实体、骨架实体、模块实体统一导入Teamcenter软件文件库,并在Rulestream产品配置器中形成可供选择的各类型钻井泵组模板。模板选定后,Rulestreem产品配置器自动调用相关的模块,如图7所示。模块选择完成后,在Rulestreem配置器中可以自动生成钻井泵组的配置清单,如图8所示。同时自动启动Unigraphics NX设计软件，将所选的模块自动装配成相对应的钻井泵组三维模型,如图9所示。

▲图7 模块调用界面

▲图8 钻井泵组配置清单界面

▲图9 钻井泵组三维模型界面

4 结束语

笔者研究了模块化设计在钻井泵组中的应用。模块化设计将钻井泵组部件之间的接口标准化,并通过Rulestream配置器对不同类型的钻井泵组与相对应的模块建立装配关系,缩短了钻井泵组的设计周期。

通过Rulestream配置器,设计人员可以快速完成满足需求的新钻井泵组设计,并且能够直观形象地向用户进行展示。

通过在Rulestream配置器中选择对应的钻井泵组模块,并通过自动调用Unigraphics NX软件,可以实现新钻井泵组的快速自动装配,生成用于指导生产的产品配置单。

由于钻井泵组各模块是以不干涉骨架模型及不变接口为基础进行设计的,因此不同设计人员设计钻井泵组时,不会出现模块间的干涉,从而保证了钻井泵组装配的正确性。

通过对钻井泵组模块进行详细设计,形成每个模块的产品结构树,同时导出相应的配置清单,可用于指导生产。