Φ180钻具用长寿命螺旋钢球活齿减速器结构设计研究

发布时间：2018-04-25 19:36

本文选题：螺旋活齿减速器 + 结构优化　；参考：《长江大学》2016年硕士论文

【摘要】：随着现代化工业的快速发展,石油钻井工具也更加小型化、可靠性更高,使用周期更长。减速器作为井下动力钻具的重要组成部分,其性能的优劣直接影响着钻具的钻井性能。而螺旋活齿减速器具有径向尺寸小、传动平稳、传动比范围大、润滑性能好等特点,对用于井下传动具有很大研发价值。本文对螺旋活齿减速器进行了理论研究与概念设计以及力学分析仿真。首先,对螺旋活齿这种传动机构的创新演变过程进行阐述,结合滚珠丝杠副、正弦活齿减速器以及充油密封装置的结构特点,对螺旋活齿传动装置进行一个整体的结构布局,依据螺旋活齿的传动特点归纳总结出传动比与螺旋角之间的关系曲线图。根据输入轴和输出轴上螺旋线的螺旋角不同形成的减速原理以及减速器的结构形式,对这种减速传动装置的自由度进行计算并推导出传动比的函数关系式；结合输出轴导架上的开口槽形式与螺旋角之间的关系,对其主要的构件滚珠活齿的抽齿规律进行分析并推算出了活齿个数与开口槽数之间的很熟关系,研究在传动过程中承载钢球数以及在处于最大载荷条件下活齿的分布规律；对滚珠活齿进行受力分析,并对此传动结构中易受损的两对轴承进行受力分析,在受力分析的基础上对容易受损的轴承进行了寿命的计算得出在充油密封条件下活齿减速器的重要部分使用寿命更长,为长寿命活齿传动机构的设计提供理论依据。其次,对Φ180调节型涡轮钻具的特性进行了初步研究依据调节型涡轮钻具的工作特性曲线得出最合理的减速器调速范围,在工程实际条件下对减速的基本结构与性能参数范围进行限定,在满足这些限定参数条件下利用MATLAB对减速器建立以壳体内径体积最小为目标函数的优化运算,得出合理的结构参数；在此基础上对减速器装配体进行总体结构设计,结合结构优化得出的结构参数利用理论计算对这些结构进行进一步验证确定减速器关键零件的结构尺寸在此基础上绘制输入轴、输出轴的三维图,对压力平衡充油密封结构的结构尺寸进行计算并绘制三维图；利用SolidWorks进行虚拟装配,得到概念设计的装配体及虚拟装配的程序代码。利用ANSYS软件对重要零部件进行静力学分析,得出单个零件的应力,并对减速器装配体进行应力分析得出输入轴、输出轴、活齿、壳体这些重要零部件在工作条件下相互之间的接触应力,结果表明：减速器的概念设计产品在满足实际工作条件下,其接触应力小于其材料的许用应力,结构参数的设计是合理的。最后,利用SolidWorks已经建好的减速器装配体三维实体模型,运用Workbench对减速器进行模态分析,给出减速器的前六阶低阶固有频率以及相应的各阶振型图。当减速器轴心线与水平面平行且对减速器壳体进行对称1200约束时,减速器主要以Z轴方向的振动以及Y轴方向的弯矩振动为主,当减速器轴心线与水平面平行且壳体进行全约束时,其输入轴与输出轴的振动也主要以Z轴方向的振动与Y轴方向的弯曲振动为主。但减速器轴心线与水平面垂直并对壳体进行约束时,减速器也存在沿Z轴方向的振动和沿Y方向的弯曲振动,但是与轴心线与水平面平行时相比较,沿Y轴方向的弯曲振动明显减小很多。结果表明减速器在轴心线垂直于水平面的工况条件下,一阶固有频率最小而且弯曲振动也减小,对用于井下钻具的减速能达到比较好的运用效果。
[Abstract]:With the rapid development of modern industry , the petroleum drilling tool is more compact , more reliable and longer in service life . As an important part of downhole dynamic drilling tool , the performance of the reducer directly affects the drilling performance of the drilling tool .
According to the relationship between the form of the open slot and the helix angle on the output shaft guide frame , the rule of tooth extraction of the movable teeth of the main components is analyzed and the relationship between the number of the movable teeth and the number of the opening grooves is calculated . The number of the bearing steel balls and the distribution law of the movable teeth under the maximum load condition are studied .
On the basis of the analysis of the force , the most reasonable speed regulation range of the reducer is derived based on the working characteristic curve of the adjustable turbodrill . Secondly , the optimal operation of the reducer is established with the minimum volume of the inner diameter of the shell under the condition of the engineering practical condition , and the reasonable structural parameters are obtained .
On this basis , the overall structural design of the reducer assembly is carried out , and the structural parameters obtained by combining the structural optimization are further verified by the theoretical calculation to determine the structure size of the key parts of the speed reducer , and the three - dimensional map of the input shaft and the output shaft is drawn on the basis of the structural parameters , and the structure size of the pressure balance oil filling sealing structure is calculated and three - dimensional graphs are drawn ;
The results show that when the axle center line of the reducer is parallel to the horizontal plane and the shell is subjected to full constraint , the vibration of the input shaft and the output shaft is mainly in the Z - axis direction and the bending vibration in the Y - axis direction .

【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE921

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