旋转控制头工作机理研究及结构设计

【摘要】：针对国产旋转控制头缺乏高压力系列产品的现状，本文在收集分析国内外有关旋转控制头的设计、分析、计算、使用等资料的基础上，结合国内目前在用的旋转控制头存在的一些问题，开发了新型XK35-17型旋转控制头。并在此基础上通过建立力学数学模型完成旋转控制头在安装偏斜的情况下的动力学分析。为进一步改进国产旋转控制头的工作性能，优化旋转控制头的结构，提高我国旋转控制头的研发水平提供了理论依据和方法。本论文的研究工作是西南石油学院与塔里木勘探开发指挥部的横向合作项目“旋转控制头动力学分析与密封方案研究”的主要研究工作。本论文结合生产实际主要开展了以下几方面研究工作： (1) 通过国内外旋转控制头相关资料的收集分析，找到了国内外旋转控制头的特点和发展方向，结合国产旋转控制头的技术现状和塔里木油田的生产实际提出具体的开发方案； (2) 根据旋转控制头的工作机理和使用条件，采用传统的设计方法初步设计出旋转控制头的总体结构，在此基础上用Pro／E软件建立了XK35-17型旋转控制头主要零部件的三维实体模型，并进行了结构装配。从总体上看，本文所设计的旋转控制头的结构较为合理，在对旋转控制头装配中未发现有结构干涉现象，为进一步开展旋转控制头的力学分析和优化设计提供了基础； (3) 根据XK35-17型旋转控制头的工作条件和使用环境，在建立该装置主要零件的有限元分析模型的基础上，通过分析确定了合理的约束条件和载荷分布；采用Pro／E软件的有限元分析模块，对XK35-17型旋转控制头的主要受力部件壳体、旋转总成外壳、中心管和轴承压盖进行了有限元强度校核。计算表明，各部件的强度和刚度均能够满足工作要求，安全系数普遍偏大； (4) 针对旋转控制头在现场使用中存在偏心问题，分析了旋转控制头由于安装偏心引起的侧向力的大小，为实现旋转控制头的动力学分析打下基础； (5) 为了了解旋转控制头工作时由于动载荷及偏心对螺栓和轴承的影响，在分析旋转控制头侧向力的基础上，开展了旋转控制头动力学分析，并计算了钻柱的固有频率及外载荷频率，从而避免引起钻柱共振； (6) 针对目前旋转控制头密封装置存在的问题，提出了多种密封方案，并根据工作要求和现有的生产技术优选出一种密封方案，设计出了一种新的密封装置，解决了目前旋转控制头密封装置存在的问题。 总之，本文完成了XK35-17型旋转控制头的研制，解决了现场旋转控制头旋转密封装置存在的早期过量磨损或早期损坏的问题，计算了由于防喷器系统安装偏心 摘要 引起的侧向力，为轴承的选用提供了理论依据。该论文的研究工作对旋转防喷器的 设计，提高我国防喷器的综合技术水平和研发新产品具有重要的理论意义和应用价 值。 关键词:旋转控制头机理研究力学分析密封研究