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SDC1000型钻机动力头系统的设计及支架有限元分析

臧臣坤  
【摘要】: 全液压动力头水井钻机由于其机械化程度高、可实现多工艺钻进、机动性能好等优点,在国外已经成为水井施工主要钻进设备。在国内,随着国家大力找水以及煤层气的大力开发,全液压动力头水井钻机也将成为国内钻井产品必不可少的装备之一。本文首先对SDC1000型水井钻机动力头系统进行设计,然后对动力头系统中受力较大的动力头支架部分,建立三维模型,进行静态和动态的有限元分析。找出各种工况下,动力头支架应力和位移的分布规律。根据最大应力对动力头支架进行了优化设计。对动力头支架的设计与改良提供了理论依据,具有一定的理论意义和实用价值。 本文的主要研究内容和结论有: (1)对SDC1000型水井钻机动力头系统进行了传统设计,并对动力头液压系统进行了设计及液压元件的选型。 (2)对设计出的动力头支架进行静态、动态有限元分析,得出在不同工况下的应力和位移分布规律。其主要结论为:支架安装板大圆孔周围是应力集中区,最大应力和位移发生在动力头支架安装板大圆孔前缘处;支架滑道及后侧板应力和位移均较小;动力头支架的应力和位移受链条拉力影响较大,而扭矩对支架的应力、位移影响较小;动态载荷下,虽然有加速度的影响,但由于支架向下仅受钻具总成的重量,而没有卡阻物的阻力,支架所受向下的力减小,所以支架的应力和位移均有下降。 (3)通过对动力头支架的模态分析,得出支架的前十阶固有频率和相应振型。结果表明:动力头支架整体不但有前后、左右及上下方向的弯曲振动,而且还有扭转振动。这些振动会影响支架的整体强度和刚度,加重支架滑道的磨损,影响钻进精度。支架整体的刚度和质量分布较为均衡,无明显的薄弱部位和过剩部位,动态性能良好:支架的最小固有频率为216.32Hz,远大于动力头减速箱的最大频率7.83Hz(即470转每分钟),因而该支架不会发生共振:而且支架最小的固有频率大远于20Hz,因而该机架满足降低噪声污染的设计要求(因为小于20Hz为次声波,处于次声波环境中的人极易疲劳)。 (4)通过静态和动态分析,确定在强力起拔状态下,动力头支架的应力和位移最大,分别为258Mpa和1.27mm,远小于所选材料的屈服极限,动力头安全可靠。 (5)根据最大应力对动力头支架进行优化设计,结果表明:优化前动力头支架整体设计较合理,多余质量较少。通过优化设计,在应力和位移有所下降的基础上,使得动力头支架重量减轻6%。 综合上述工作,论文在对动力头系统传统设计的基础上,运用现代设计、分析手段,对动力头支架进行了静态、动态、模态分析,验证了设计方案的合理性与安全性,同时在原有基础进行优化设计。这些工作对动力头系统的设计、改良有着重要意义,同时对全液压水井钻机整体结构设计及优化也具有一定的借鉴意义。


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