本文選題：齒輪齒條 + 鉆機(jī)　； 參考：《東北石油大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：齒輪齒條鉆機(jī)是一種新型主動加壓鉆機(jī),與傳統(tǒng)鉆機(jī)相比,不僅鉆進(jìn)速度更快,而且在淺層鉆進(jìn)過程中優(yōu)勢更明顯,同時還具有增強(qiáng)定向井、從式井、水平井、側(cè)鉆井等特殊井的鉆進(jìn)能力,充分體現(xiàn)了多功能性的特點(diǎn),在當(dāng)前國際油氣資源開發(fā)競爭日趨激烈的形勢下,成為各國爭相發(fā)展的一種高效鉆機(jī)。然而,作為該鉆機(jī)最核心部件的齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)一般采用超靜定的結(jié)構(gòu)布局,長期暴露于十分惡劣的環(huán)境中,在鉆井作業(yè)時,由于不斷的升降、啟停及各種任務(wù)需要,齒輪齒條關(guān)鍵部件承受復(fù)雜的時變低速重載作用,同時諸多不確定特殊工況的影響使得齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)強(qiáng)度和運(yùn)動同步平穩(wěn)性的力學(xué)性能要求難以保證,對鉆機(jī)整體的安全性和工作性能產(chǎn)生制約。因此,本文圍繞齒輪齒條鉆機(jī)傳動機(jī)構(gòu)力學(xué)特性進(jìn)行了如下幾方面的研究工作：根據(jù)鉆機(jī)傳動機(jī)構(gòu)工作要求,按照齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了齒輪齒條結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計,并利用傳統(tǒng)齒輪強(qiáng)度計算公式求得齒根最大彎曲應(yīng)力與齒面最大接觸應(yīng)力。采用有限元數(shù)值方法,建立了齒輪齒條嚙合過程的二維有限元接觸模型,確定出齒輪齒條各自齒根彎曲應(yīng)力與齒面接觸應(yīng)力的變化規(guī)律,找出了相應(yīng)的危險嚙合位置。綜合運(yùn)用Solidwork建模與ANSYS有限元分析方法,建立了齒輪齒條在不同危險嚙合位置時的瞬時靜態(tài)三維有限元接觸模型,分析得到齒輪齒條在相應(yīng)位置的應(yīng)力分布情況。通過將有限元計算結(jié)果與傳統(tǒng)齒輪強(qiáng)度計算結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果表明本文所建立的齒輪齒條接觸有限元分析方法是一種更加準(zhǔn)確、可靠及方便的齒輪強(qiáng)度計算方法。將齒輪齒條嚙合視為彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng),同時考慮時變嚙合剛度和齒側(cè)間隙誤差的影響,利用牛頓第二定律建立了該模型的動力學(xué)方程。為了簡化分析,先將鉆桿以等效剛度、等效阻尼和等效質(zhì)量進(jìn)行替代,建立了傳動機(jī)構(gòu)系統(tǒng)整體的多剛體動力學(xué)模型,并通過拉格朗日方程法得到相應(yīng)的多剛體動力學(xué)方程。為了考慮實際柔性鉆桿彈性變形的影響,利用多體動力學(xué)理論,建立了傳動機(jī)構(gòu)分別考慮鉆桿縱向振動和橫向振動時的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型,并給出了相應(yīng)模態(tài)空間變換下的解析求解過程。綜合應(yīng)用ADAMS多剛體建模與ANSYS柔性體建模方法,在上述兩種理論模型的基礎(chǔ)上分別建立了相應(yīng)的傳動機(jī)構(gòu)多剛體動力學(xué)仿真模型與剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真模型。針對正常工況(如不同升降狀態(tài)、不同末端負(fù)載及不同提升速度等)和特殊工況(如考慮鉆桿縱向振動、鉆桿橫向振動、單個齒輪失效、對稱位置齒輪失效和非對稱位置齒輪失效等),進(jìn)行了兩種仿真模型下各因素對齒輪嚙合力曲線的影響規(guī)律對比分析研究。結(jié)果表明不同特殊工況對傳動機(jī)構(gòu)載荷分配的均勻性與運(yùn)動同步的平穩(wěn)性有著顯著的差別,同時說明了本文建立的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型能夠更加準(zhǔn)確地揭示傳動機(jī)構(gòu)實際動力學(xué)特性,為研究齒輪齒條鉆機(jī)傳動機(jī)構(gòu)力學(xué)特性提供了有效依據(jù)。在原鉆機(jī)模型方案的基礎(chǔ)上,通過相似理論方法,按照幾何相似比為0.1研制了一套齒輪齒條鉆機(jī)模型試驗臺。針對鉆機(jī)各工況下不同升降狀態(tài)、末端負(fù)載、齒輪馬達(dá)流量、鉆桿振動及齒輪馬達(dá)失效等因素的影響,采用正交試驗法開展了齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)應(yīng)力測量和振動測量試驗研究。將實驗測量結(jié)果與仿真分析結(jié)果進(jìn)行對比,并對試驗誤差及其成因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明應(yīng)力測量試驗與振動測量試驗結(jié)論具有良好的一致性,進(jìn)一步驗證了上述傳動機(jī)構(gòu)動力學(xué)理論模型與仿真模型的有效性。
[Abstract]:The gear rack drilling rig is a new type of active pressure drilling rig. Compared with the traditional drill, it not only has faster drilling speed, but also has more obvious advantages in the process of shallow drilling. It also has the drilling ability of special wells, such as directional well, from type well, horizontal well and side drilling, fully embodies the characteristics of multi-function, and in the current international oil and gas resources. However, the gear rack drive mechanism, which is the core part of the drilling machine, generally uses a statically indeterminate structure layout, and is exposed to a very bad environment for a long time. In the drilling operation, due to continuous lifting, starting and stopping, and various tasks, the gear is required. The key parts of the rack are subjected to complex time-varying low speed heavy load. At the same time, the influence of many uncertain special conditions makes the mechanical properties of the gear rack drive mechanism strength and motion synchronous stability difficult to guarantee, and restrict the safety and performance of the drill. Therefore, this paper revolves around the gear rack drilling machine transmission mechanism. The mechanical characteristics are studied in the following aspects: according to the working requirements of the drilling machine, the structure parameters of the gear rack are designed according to the bending fatigue strength of the tooth root, and the maximum bending stress of the tooth root and the maximum contact stress of the tooth surface are obtained by the formula of the traditional gear strength calculation. The two dimensional finite element contact model of the gear tooth meshing process is used to determine the change law of the bending stress and the contact stress of the tooth root of the gear rack, and find out the corresponding dangerous meshing position. The instantaneous static three of the gear rack in different dangerous meshing positions is established by using the Solidwork modeling and the ANSYS finite element method. The stress distribution of the gear rack in the corresponding position is analyzed by the dimensional finite element contact model. The results of the finite element calculation are compared with the traditional gear strength calculation results. The results show that the finite element method for gear rack contact finite element analysis established in this paper is a more accurate, reliable and convenient method for calculating gear strength. The gear and rack meshing is regarded as a spring mass damping system, and the dynamic equation of the model is established by Newton's second law. In order to simplify the analysis, the drill rod is replaced by equivalent stiffness, equivalent damping and equivalent mass, and the whole system of transmission mechanism is established. In order to consider the effect of elastic deformation of practical flexible drill rod, the dynamic model of rigid body dynamics is obtained by the Lagrange equation method. In order to consider the effect of the elastic deformation of practical flexible drill rod, the rigid flexible coupling dynamic model of the transmission mechanism considering the longitudinal and transverse vibration of the drill rod is established by using the multi body dynamics theory, and the corresponding modal space is given. The ADAMS multi rigid body modeling and ANSYS flexible body modeling method are applied synthetically. On the basis of the above two theoretical models, the corresponding multi rigid body dynamics simulation model and rigid flexible coupling dynamic simulation model are established respectively. And the different lifting speeds and special conditions (such as the longitudinal vibration of the drill rod, the lateral vibration of the drill rod, the failure of single gear, the failure of symmetrical position gear and the unsymmetrical position gear, etc.), the influence rules of the two simulation models on the gear meshing force curve are compared and analyzed. The results show that the transmission of different special conditions is on the transmission. There is a significant difference between the uniformity of the load distribution of the motive force and the stability of the motion synchronization. At the same time, the rigid flexible coupling dynamic model established in this paper can reveal the actual dynamic characteristics of the transmission mechanism more accurately, and provide an effective basis for the study of the mechanical characteristics of the gear rack drill mechanism. On the basis of the similarity theory method, a gear rack rig model test rig is developed according to the geometric similarity ratio 0.1. The gear rack transmission mechanism should be carried out by orthogonal test in view of the influence of different elevations, the load of the end, the flow of the gear motor, the vibration of the drill rod and the failure of the gear motor, according to the geometric similarity ratio. The experimental results are compared with the results of the simulation analysis, and the test errors and their causes are analyzed. The results show that the stress measurement test is in good agreement with the conclusions of the vibration measurement test, and further validates the theoretical and simulation models of the above transmission mechanism. Efficiency.
【學(xué)位授予單位】：東北石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TE922

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本文編號：1929456