機電設計研究《機電技術》2009 年第3期基于石油生產(chǎn)特點設計制造石油裝備周中鑒(大慶職業(yè)學院機電系，黑龍江大慶163255)摘要:石油生產(chǎn)對石油裝備需求和依賴程度8益增加，要求石油裝備制造企業(yè)能快捷的設計制造出高質(zhì)量的石油裝備。油田生產(chǎn)所需要的裝備具有品種規(guī)格多、使用周期短、生產(chǎn)批量小等特點，因此可以以形狀、材料、位置、數(shù)量、尺寸等要素為變元采用變元法來設計。通過變更變元能獲得多種結(jié)構方案，從而實現(xiàn)設計的快速高效。用CIMS集成系統(tǒng)，可以方便的實現(xiàn)變元設計和計算機輔助制造。整合資源或組建虛擬企業(yè)構建更大的平臺，可吸引更多的優(yōu)秀人員參與設計開發(fā)。關鍵詞:石油裝備生產(chǎn)需求 變元法設計 CIMS 系統(tǒng)中圖分類號: TE9文獻標識碼: A文章編號: 1672-4801 (2009) 03-027-04前言備制造企業(yè)就有27家.我國是石油裝備制造企業(yè)石油裝備是石油工業(yè)的基礎，石油裝備制造數(shù)量最多的國家，但從全球視角來看，目前中國業(yè)依托我國的石油工業(yè)的建設與發(fā)展已經(jīng)形成了并不是制造強國，只能算是制造大國。研發(fā)投入較完整的設計制造體系，現(xiàn)正積極構建以石油鉆少、創(chuàng)新能力不強、設計水平偏低，企業(yè)的研發(fā)采、石油鋼管和石油動力設備制造為支柱的三大投入很少。我們的研發(fā)費用僅占其經(jīng)營收入的具有國際競爭力的板塊，石油裝備制造的發(fā)展空2%~5%，而國外發(fā)達國家制造企業(yè)的研發(fā)費用是間十分廣闊。石油生產(chǎn)對裝備有自己的需求特點,國內(nèi)企業(yè)的數(shù)倍。大多數(shù)制造企業(yè)目前熱衷于生我們要根據(jù)石油生產(chǎn)的具體情況，采用新的設計產(chǎn)“短平快”的產(chǎn)品，忽視研發(fā)設計，單純靠技術引進或技術合作，都不能從根本上解決產(chǎn)業(yè)發(fā)方法和現(xiàn)代技術來設計和制造石油裝備。展的問題。由于石油裝備企業(yè)不少都是油田自己1石油裝備的需求和制造業(yè)的發(fā)展辦的機械加工部門，資金較為雄厚，配備的制造由于能源短缺，世界都在加大石油的開發(fā)力設備都比較先進，數(shù)控機床、加工中心和各種設度，隨著開采難度的增大，必然導致石油裝備的計軟件齊全，還有油田自己的企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)需求旺盛。除了強大的內(nèi)需之外，對外出口也十ERP等。在科學技術不斷發(fā)展,市場競爭十分激烈分活躍，僅上半年石油和天然氣鉆探設備出口額的情況下，我們的裝備制造企業(yè)應充分利用好自.己的設備資源，采用先進的設計方法，組建CIMS分別比去年同期增長12. 8倍和1.4倍。近來，國計算機輔助制造系統(tǒng),實現(xiàn)優(yōu)化設計和現(xiàn)代制造。家又出臺了一系列行業(yè)政策和措施加大力度轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式，不斷增加對技術資源的投入，確2影響石油裝備設計與制造的因素保裝備制造業(yè)的發(fā)展。因此，隨著自主創(chuàng)新能力2. 1生產(chǎn)批量較小的提高以及國家對振興裝備制造業(yè)的高度重視，從我國油氣田的總量和各油田的規(guī)?？矗@.未來5至10年裝備制造業(yè)將是制造業(yè)中增長最快井、修井、采油、集輸、油水分離、儲存和運輸?shù)淖有袠I(yè)，也是石油裝備制造業(yè)發(fā)展的黃金時期。的過程所需要的機械裝備的數(shù)量相對汽車等產(chǎn)品由此看來,石油裝備制造業(yè)正蘊藏著巨大的商機。來說并不是很大，每年所需1000 -9000米系列成目前國內(nèi)的石油裝備制造企業(yè)普遍規(guī)模較套鉆機僅100多套左右，再者油水井的開發(fā)是逐小、布局分散、產(chǎn)業(yè)集中度偏低。最初，石油裝年分批進行的，每年投產(chǎn)和更新的數(shù)量是有限的。備制造企業(yè)主要是在寶雞等西部地區(qū)，隨著油田因此，油田上生產(chǎn)的各式抽油機、采油樹、潛油開發(fā)的東移，以油田為中心建起一些石 油裝備企電泵、鉆井工具和集輸設備等的需要量也并不是業(yè),特別是油田自己建設起一批這樣的生產(chǎn)部門。很大".備主要有各種泵這些企業(yè)或部門的生產(chǎn)特點是產(chǎn)品單-，規(guī)模比和閥MYH中國煤化工，但不同流量、較小，截至2008年5月份，石油石化設備全行業(yè)不同CNM H G參數(shù)也有很大差規(guī)模以上企業(yè)數(shù)量已達到1367家，僅大慶油田裝異，因此每一種規(guī)格的數(shù)量也不是很多。井下維《機電技術》2009年第3期機電設計研究修的作業(yè)工具、潛油電泵、井口裝置等其他設備而變化的，而不同油田或同油田的不同區(qū)塊的地的需求量也都比較小。除了鉆頭每年需要20多萬質(zhì)構造也是不一樣的，所以同種設備的結(jié)構、尺只外，決大多數(shù)設備的需求數(shù)量都不是很大。寸、形狀和材料等在不同的油田或區(qū)塊都是不一2.2需求呈多樣性致的。比如，油田生產(chǎn)用的抽油機，不但不同的由于不同油田、不同區(qū)塊、不同油井的深度、油田或區(qū)塊不一樣，就是相鄰兩個油井由于采不地質(zhì)構造、產(chǎn)液量以及地上的生產(chǎn)條件等存在較同油層的油所使用的抽油機的規(guī)格都是不一樣大差異，決定了油田使用設備呈現(xiàn)品種和規(guī)格多的，表現(xiàn)在尺寸數(shù)據(jù)和其它一些技術參數(shù)也就不樣性的特點。地面上的抽油機有常規(guī)式、前置式、同。結(jié)構設計是機械設計中將機械的工作原理變鏈條式、曲柄連桿式等，每種類型又有不同的規(guī)成技術圖紙的過程，變元法是用于機械產(chǎn)品結(jié)構格。在不同深度和不同產(chǎn)液量條件下，使用不同設計的一種富有創(chuàng)造性內(nèi)涵的新方法。因此該方尺寸和規(guī)格的潛油電泵。輸液泵、閥門、法蘭盤法非常適合石油機械的結(jié)構設計。等集輸設備，不同的流量對應的孔徑是不同的。在應用變元法進行石油裝備的結(jié)構設計時,鉆井和修井也要用到各種不同的設備和工具。首先對所有石油裝備按結(jié)構相似性做分類，比如這些多品種的油田設備的制造，就目前的傳鉆機類、抽油機類、輸油泵類等，在每- -類中選統(tǒng)技術而言，經(jīng)過從產(chǎn)品的設計、制造到銷售以取該類產(chǎn)品的一種為典型，在此基礎上對這種具及售后服務等-系列環(huán)節(jié),會導致制造周期過長，有代表性的典型裝備設計開發(fā)出基本結(jié)構方案和.生產(chǎn)成本太大，使得產(chǎn)品缺少市場競爭力。若采詳細 設計，用先進的計算機繪圖軟件詳細設計成用傳統(tǒng)的設計方法，當因設計參數(shù)、技術參數(shù)和電子圖樣。我們再以形狀、材料、位置、數(shù)量、工藝要求變更而需要改變設計時，其重復勞動的尺寸等要素定義石油裝備的類結(jié)構變元，其他同工作量較大。從制造角度來說，在傳統(tǒng)的生產(chǎn)方類設備的設計以典型的基本結(jié)構方案為基礎做變式下，石油裝備制造應該屬于單件小批生產(chǎn)，必元設計。然會使得生產(chǎn)的周期長、成本降高、市場競爭力在石油裝備的設計中，我們可以用零件輪廓線、輪廓面、工作面、加工面以至整個零件等基2.3產(chǎn)品使用期短本元素作為變元，可通過改變其結(jié)構中基本元素與其他機電產(chǎn)品一樣,隨著科技的不斷發(fā)展，的尺寸和數(shù)量以實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構的改變。改變結(jié)構油田設備的生命期也越來越短。.上個世紀60年代零件的輪廓形狀、表面形狀、整體形狀以及改變機電產(chǎn)品市場壽命超過十年者占32%，80 年代降零件的類型都可以得到不同的結(jié)構方案，比如地為15%， 而機電產(chǎn)品壽命周期在5年以下者則由面上的抽油機有常規(guī)式、前置式、鏈條式、曲柄.60年代的38%猛增到65 ~70%。石油裝備機械又有連桿式等，每種類型又有不同的規(guī)格，在設計時其自己的特殊性，一些石油機械如抽油機、潛油把輪廓線、輪廓面、工作面、加工面以至整個零電泵等由于需要長期不間斷工作，所以裝備的使件等作為基本元素，可以通過改變這樣的基本元用周期較短。鉆井裝備由于不斷采用新技術以加素來改變裝備的結(jié)構。零件選用不同的工程材料快完井速度和掘進進尺深度，相對來說更新?lián)Q代往往導致該零件的尺寸結(jié)構隨之改變，從而影響的也比較快，昂貴的鉆井鉆頭磨損比較快，累計整個產(chǎn)品的結(jié)構，因此通過改變材料變元可以構進尺2000~3000米后就不能使用。造出不同的結(jié)構方案。還可以通過改變產(chǎn)品結(jié)構中基本元素之間的布置位置可得到不同的結(jié)構方3石油裝備設計與制造的策略案。油田在不同深度和不同產(chǎn)液量條件下，使用石油裝備制造企業(yè)面對這一不斷變化的市場不同尺寸和規(guī)格的潛油電泵:石油的輸油泵、閥和石油裝備的需求特點，為了求得生存與發(fā)展，門、法蘭盤等集輸設備，不同的流量對應的規(guī)格必須要具有高度的柔性和快速的反應能力，以便和孔徑是不同的，這些都能通過改變零部件及構敏捷、高效和低成本地設計并制造出石油生產(chǎn)所件的長度、距離和角度等尺寸變元來改變產(chǎn)品的需要的裝備。結(jié)構中國煤化工生地構造出多個結(jié)3.1采用富有創(chuàng)造性的變元法設計油田裝備構方|YHCNMHG由于油田裝備的結(jié)構特點是隨地質(zhì)情況變化3.2采用現(xiàn)代技術手段設計制造石油裝備28機電設計研究《機電技術》2009 年第3期實現(xiàn)變元法設計的最佳平臺是CIMS系統(tǒng),通在一個更大的平臺上,有更多的人參與設計開發(fā)。過系統(tǒng)中的軟件很容易實現(xiàn)變元設計，構造出新這種整合方式可有三種形式，一是石油裝備生產(chǎn)方案，實現(xiàn)詳細設計，并能通過該系統(tǒng)完成計算企業(yè)之間實質(zhì)性整合，組成一個集團:二是針對機輔助制造。目前油田機械制造企業(yè)，許多已經(jīng)某- -石油裝備的生產(chǎn)組建虛擬企業(yè)，即通過互聯(lián)具有數(shù)控機床(CNC)、 機械制造成組技術以及機網(wǎng)把分布在不同地域的獨立的石油裝備制造企械人(Robot)等，這些先進的設備離散地分布在業(yè)，以自愿自主的方式組成統(tǒng)一管理、協(xié)調(diào)運行制造企業(yè)的各個車間或部門。在設計研發(fā)部門大的動態(tài)戰(zhàn)略聯(lián)盟;三是就設計開發(fā)一個產(chǎn)品成立都使用了較為先進的計算機輔助設計應用軟件臨時性合作組織。AutoCAD、Pro/E、 ANSYS 和SolidWorks等，并具由于油田企業(yè)旗下的裝備制造企業(yè)比較多，有較強的設計研發(fā)隊伍。計算機輔助制造(CAM)比如中石油集團下面有許多油田企業(yè)，這些油田和計算機輔助工藝(CAPP)在生產(chǎn)部門應用的也企業(yè)都有-些不同規(guī)模的裝備制造企業(yè)，它們是比較多。在管理方面，勞資:人事、產(chǎn)品銷售等一個企業(yè)的不同二級生產(chǎn)部門，可以很容易實現(xiàn)都已經(jīng)采用了企業(yè)資源計劃系統(tǒng)(ERP)。 這些先實質(zhì)性整合，組建一個大的集團。對于非油田的進的數(shù)字化制造設備和設計開發(fā)軟件都是獨自的以生產(chǎn)某一產(chǎn)品或零部件的獨立分散的石油裝備以“自動化孤島”的形式存在，它們只能在各自制造企業(yè)，或者是組建虛擬企業(yè)，或者是為設計的環(huán)節(jié)局部的實現(xiàn)設計和制造的自動化和最優(yōu)，制造某個產(chǎn)品而臨時性合作?；?。需要的是每個企業(yè)把自己的“自動化孤島”具有設計開發(fā)某個產(chǎn)品愿望的石油裝備企業(yè)，連接起來，按照CIM的思想組成CIMS系統(tǒng)。CIMS如果他自己不能獨立完成產(chǎn)品的設計,可以在一定是適應石油裝備的使用周期短、單件小批量設計范圍內(nèi)尋找最佳的生產(chǎn)資源，和分布在不同地域的和制造的現(xiàn)代化計算機輔助制造系統(tǒng)，并可以在為了各自的目的和利益而自主自愿加入的企業(yè),形該系統(tǒng)下使用先進的設計軟件實現(xiàn)變元法設計。成一種虛擬的生產(chǎn)組織來生產(chǎn)這一產(chǎn)品。他們可以有些企業(yè)已有條件集成全局CIMS系統(tǒng)，一-些條件 是設計部門、 生產(chǎn)企業(yè)、銷售組織和服務機構等，不完全具備的可以采用先局部后全局的集成方成員之間可以是合作伙伴，也可以是競爭對手。這式。但目前的問題是這些石油裝備制造企業(yè)缺少就改變了過去企業(yè)之間完全的輸贏競爭關系,而形CIMS技術的新概念、新思想和有關集成技術，不成一種共贏共享的伙伴關系。集成各成員的核心能了解其使用方法。力和資源，在技術、管理和資源等方面擁有得天獨CIMS系統(tǒng)以計算機網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)為支厚的整體競爭優(yōu)勢，實現(xiàn)共贏的目的。在研究開發(fā)撐平臺，具有四大使用功能:信息管理、產(chǎn)品的階段，以設計部門為主有各成員企業(yè)參加，通過互設計、生產(chǎn)制造和質(zhì)量保障。產(chǎn)品的設計以獲取聯(lián)網(wǎng)并行的設計開發(fā)產(chǎn)品。從設計之初就要考慮到的油田生產(chǎn)的需求信息為基礎，特別是對油田區(qū)產(chǎn)品在整個生命周期中,零部件的性能、可加工性、塊的地下構造的地質(zhì)信息進行分析，做可行性論質(zhì)量、成本和售后服務等所有因素。設計后的產(chǎn)品證。用CAD設計軟件設計工程圖紙，形成電子圖要經(jīng)過虛擬技術模擬，驗證產(chǎn)品的可加工性，并進樣和數(shù)據(jù)信息。工程圖樣和相關數(shù)據(jù)傳送給計算一步 修改完善。機輔助工藝規(guī)劃環(huán)節(jié)(CAPP), CAPP根據(jù)工廠的生以設計方案為藍本，進行任務分工，成員企產(chǎn)條件制訂出加工工藝路線。工藝路線以電子工業(yè)根據(jù)自己的能力承擔生產(chǎn)任務。保證各環(huán)節(jié)生藝卡的形式送到計算機輔助制造系統(tǒng)(CAM)， 編產(chǎn)節(jié)拍匹配，使得產(chǎn)品的生產(chǎn)和裝配能同步的進程人員選擇加工方法、確定切削用量等技術參數(shù)，行。每一個成員企業(yè)在虛擬企業(yè)的統(tǒng)--協(xié)調(diào)和要生成數(shù)控加工程序，最后再通過網(wǎng)絡系統(tǒng)傳輸?shù)角笙拢才帕悴考纳a(chǎn)工藝流程，降低工藝流各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，完成加工過程。程的整體差錯率，按設計要求實現(xiàn)生產(chǎn)加工的全3.3構建適應石油裝備設計和制造的平臺過程。油田生產(chǎn)對新石油裝備產(chǎn)品的需求，引誘著4結(jié)中國煤化工生產(chǎn)部門去以最快的速度、最低的成本生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。但由于目前的生產(chǎn)企業(yè)都是獨立作戰(zhàn)，HCNMHG拓油裝備的需求技術力量分散，需要對各種資源進行整合，才能.也在日益增加，這為石油裝備制造企業(yè)的發(fā)展提供29《機電技術》2009年第3期機電設計研究了良好的商機。油田生產(chǎn)所需要的石油裝備具有品門、泵等結(jié)構相似而形狀、尺寸等技術參數(shù)不同的種規(guī)格多、生命周期短、生產(chǎn)批量小等特點，針對石油裝備設計效果比較明顯。在CIMS這- -系統(tǒng)下這些特點,采用變元法來進行設計是一個非常有效很容易實現(xiàn)變元法的設計,并能方便的把設計轉(zhuǎn)變的方法，可以方便靈活的改變設計，對抽油機、閥成數(shù)控加工程序，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。參考文獻:[1]徐杜.柔性制造系統(tǒng)原理與實踐. 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