隨著我國工業(yè)的高速發(fā)展,油氣資源需求的日漸增加與陸上油氣資源儲備的日益減少之間的矛盾越發(fā)顯著,油氣勘探開發(fā)向深海進(jìn)軍已勢在必行。天車升沉補(bǔ)償裝置是目前世界上應(yīng)用廣泛的一種深水油氣探勘開發(fā)設(shè)備,其采用搖臂機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)張緊鋼絲繩、減少鋼絲繩纏繞次數(shù)、提高鋼絲繩使用壽命的功能。由于鋼絲繩與滑輪之間的接觸應(yīng)力以及鋼絲繩的拉力在發(fā)生周期性變化,滑輪會產(chǎn)生接觸疲勞,進(jìn)而發(fā)生疲勞磨損,導(dǎo)致滑輪繩槽表面會出現(xiàn)溝槽并最終擴(kuò)展成壓痕,影響滑輪和鋼絲繩的使用壽命。目前,關(guān)于升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的研究主要集中在對其控制策略的改進(jìn),對升沉補(bǔ)償系統(tǒng)關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)安全的研究鮮有報(bào)道,而這對于升沉補(bǔ)償裝置的使用壽命乃至深水油氣勘探開發(fā)平臺的維護(hù)檢修至關(guān)重要。因此本論文開展了天車升沉補(bǔ)償裝置搖臂機(jī)構(gòu)滑輪接觸特性及損傷機(jī)理研究,其主要內(nèi)容與結(jié)論如下:(1)開展了搖臂機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)和鋼絲繩受力分析。根據(jù)鉆井平臺的運(yùn)動規(guī)律,建立了搖臂機(jī)構(gòu)鋼絲繩與滑輪包角的變化模型和搖臂機(jī)構(gòu)運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型,分析了包角、滑輪速度和角速度變化規(guī)律;建立了鋼絲繩-滑輪的力學(xué)模型,分析了鋼絲繩拉力的變化規(guī)律。結(jié)果顯示:鋼絲繩與滑輪Ⅱ(搖桿和連桿鉸接處滑輪)的包角變化幅值最大,更容易產(chǎn)生疲勞;當(dāng)天車運(yùn)動到最高點(diǎn)時,搖桿和連桿有較大的慣性力并且此時鋼絲繩拉力達(dá)到最大值,這將加劇滑輪的磨損。(2)開展了鋼絲繩與滑輪繩槽表面接觸應(yīng)力分析。建立了鋼絲繩微元力學(xué)模型,分析了鋼絲繩拉力與滑輪包角的關(guān)系;再依次建立鋼絲繩整股與滑輪、鋼絲繩側(cè)股與滑輪、側(cè)股外層鋼絲與滑輪的接觸模型,計(jì)算了不同接觸模型下滑輪接觸應(yīng)力,得到了受最大壓載點(diǎn)處滑輪Ⅱ與鋼絲繩的接觸面上接觸應(yīng)力的分布規(guī)律;對比分析由三種接觸模型計(jì)算得到的滑輪繩槽接觸應(yīng)力,并綜合考慮計(jì)算準(zhǔn)確度和計(jì)算成本,最終選擇了鋼絲繩側(cè)股與滑輪的接觸模型作為實(shí)際計(jì)算的適用模型。(3)開展了天車升沉補(bǔ)償裝置搖臂機(jī)構(gòu)仿真分析。建立了天車升沉補(bǔ)償裝置運(yùn)動學(xué)仿真模型,對搖臂機(jī)構(gòu)在海浪升沉作用下的運(yùn)動進(jìn)行了求解計(jì)算,得到了搖桿、連桿的角速度和角加速度變化規(guī)律;建立了鋼絲繩整股以及鋼絲繩側(cè)股與滑輪繩槽的接觸仿真模型,對滑輪所受接觸應(yīng)力進(jìn)行了求解計(jì)算,得到了滑輪繩槽上接觸應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律以及接觸點(diǎn)處應(yīng)力的分布情況。結(jié)果顯示:當(dāng)天車位于最高點(diǎn)時,搖桿、連桿的角加速度最大,并且此時接觸應(yīng)力達(dá)到最大值,而且還發(fā)現(xiàn),有限元仿真的結(jié)果與解析法計(jì)算結(jié)果極為一致,為下一步滑輪的疲勞循環(huán)次數(shù)的計(jì)算提供了基礎(chǔ)。(4)開展了搖臂機(jī)構(gòu)滑輪損傷機(jī)理與疲勞壽命研究。根據(jù)疲勞磨損理論,分析了滑輪繩槽表面壓痕產(chǎn)生的原因是鋼絲繩對滑輪繩槽的循環(huán)微切削導(dǎo)致的疲勞磨損,進(jìn)而導(dǎo)致了滑輪損傷;建立了滑輪疲勞壽命預(yù)測模型,估算出最大補(bǔ)償工況下滑輪的疲勞壽命為184天,并根據(jù)滑輪的損傷機(jī)理提出了幾項(xiàng)減輕滑輪疲勞磨損的措施。
【學(xué)位單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TE95
【部分圖文】：

圖２－１搖臂機(jī)構(gòu)工作原理示意圖??當(dāng)鉆井平臺隨著海浪上升時，天車從圖中的海浪最低位置向上運(yùn)動到海浪最高位??置，當(dāng)鉆井平臺隨海浪下降時則相反，從而保持天車相對井底的距離不變

圖２－２偏置曲柄滑塊結(jié)構(gòu)??通過對搖臂機(jī)構(gòu)的模型簡化，能更直觀的對搖桿、連桿的位置關(guān)系進(jìn)行分析，方便??

圖２－３天車位于最高點(diǎn)時搖臂機(jī)構(gòu)包角分析示意圖??圖中角度關(guān)系的推導(dǎo)如下：??〇ｌ?＝?７Ｔ?一?〇２?一?〇３??
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2878226