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《西南石油大学》 2016年
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螺杆钻具串轴承减振器设计与研究

胡玉茂  
【摘要】:目前,螺杆钻具钻井的使用数量随着油田斜井数量的增加而不断增长,然而国内的设计、加工等方面还存在一定的问题而且在使用维护方面也存在一些不足,致使螺杆钻具出现各种各样的失效形式。最为典型的是传动轴中的串轴承失效形式,如:过量磨损、串轴承破碎、剥落、锈蚀等。由于钻柱纵向振动而引起轴承滚动体、内圈和外圈承受巨大的冲击作用,导致其工作失效,进而使螺杆钻具失效加速,从而增加了钻井作业的成本。因此,对于减缓串轴承失效,提高螺杆钻具的寿命是一项亟待解决的工作。钻柱振动不仅会导致钻具断裂,而且还会损坏牙轮钻头的轴承,引起牙轮掉落,并有可能破坏钻机。目前,在钻柱振动和减振方面,专家学者已经做了大量的研究,并取得了不错的成绩;但是他们的研究点主要集中在钻柱方面,而对于螺杆钻具串轴承的振动研究甚少。本文先对螺杆钻具串轴承进行受力分析,从减小螺杆钻具串轴承受力的角度出发,设计并安装一减振装置,达到减小轴承受力的目地,继而使螺杆钻具串轴承的工作寿命得以延长。通过查阅机械设计手册,对减振器各个零部件的尺寸进行计算,设计出较为合理的减振器装置,同时对减振元件碟簧进行计算校核确定其工作的可行性。将螺杆钻具简化为以转子、万向轴和传动轴为一体的轴系、壳体和钻井液三部分,建立钻柱中性点以下的钻具力学模型。然后在ADAMS软件中建立钻具的虚拟样机模型,在不同频率、不同减振元件和不同钻压下,针对钻柱纵向振动所引起的串轴承接触力进行分析。主要从减振效果和工作稳定性这两方面考虑,最终得出C系列碟簧可作为最佳减振元件。之后再对三个系列的碟簧进行谐响应分析,主要是分析其在共振点处的位移和碟簧受力两方面,通过对共振点的频率—位移响应曲线和频率—应力响应曲线进行比较,可得出C系列碟簧的位移和受力相比较其他两种系列碟簧更小,结合多方面考虑可以确定C系列碟簧作为减振器的减振元件是最佳的选择。
【关键词】:螺杆钻具 串轴承 振动 碟簧 谐响应
【学位授予单位】:西南石油大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TE921.2
【目录】:
  • 摘要3-4
  • Abstract4-7
  • 第1章 绪论7-13
  • 1.1 问题提出及目的意义7-9
  • 1.1.1 螺杆钻具的发展7
  • 1.1.2 螺杆钻具所存在问题7-9
  • 1.2 钻柱振动与减振研究现状9-12
  • 1.2.1 钻柱振动的危害9
  • 1.2.2 钻柱振动研究现状9-12
  • 1.3 本章小结12-13
  • 第2章 螺杆钻具受力分析13-22
  • 2.1 螺杆钻具传动轴受力分析13-16
  • 2.1.1 传动轴总成的运动与受力分析13-14
  • 2.1.2 串轴承的结构及受力分析14-16
  • 2.2 螺杆钻具总体力学模型及其简化16-21
  • 2.3 本章小结21-22
  • 第3章 减振器的设计22-35
  • 3.1 减振器总成的设计22-23
  • 3.2 碟簧的设计及校核23-28
  • 3.2.1 碟簧系列及组合形式24-26
  • 3.2.2 碟簧寿命校核26-28
  • 3.3 关键部位的设计与校核28-34
  • 3.3.1 花键的校核28-29
  • 3.3.2 减振器连接轴设计与校核29-31
  • 3.3.3 减振器壳体设计与校核31-34
  • 3.4 本章小结34-35
  • 第4章 螺杆钻具虚拟样机模型35-44
  • 4.1 虚拟样机技术35-39
  • 4.1.1 ADAMS动力学建模与求解35-36
  • 4.1.2 含间隙机构的多体系统接触碰撞动力学36-39
  • 4.2 螺杆钻具加减振器的总体力学模型39-43
  • 4.2.1 加减振器力学模型的建立39-41
  • 4.2.2 虚拟样机模型的建立41-43
  • 4.3 本章小结43-44
  • 第5章 螺杆钻具串轴承接触力分析44-61
  • 5.1 钻压60kN螺杆钻具串轴承的接触力分析44-48
  • 5.2 钻压80kN螺杆钻具串轴承的接触力分析48-56
  • 5.3 钻压110kN螺杆钻具串轴承的接触力分析56-60
  • 5.4 本章小结60-61
  • 第6章 碟簧谐响应分析61-68
  • 6.1 谐响应分析61-63
  • 6.1.1 谐响应分析简介61
  • 6.1.2 谐响应分析方法及步骤61-63
  • 6.2 碟簧谐响应分析63-67
  • 6.2.1 建立有限元模型63-64
  • 6.2.2 谐响应结果分析64-67
  • 6.3 本章小结67-68
  • 第7章 结论及展望68-70
  • 7.1 结论68-69
  • 7.2 下一步工作69-70
  • 致谢70-71
  • 参考文献71-75
  • 学术成果75

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