铁钻工的结构设计与动力学分析

发布时间：2017-06-05 15:17

  本文关键词：铁钻工的结构设计与动力学分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：铁钻工是用来实现钻杆、套管等钻具连接的工具,具有安全性能高,操作性好等优点,在石油开采过程中应用广泛。现石油钻井平台的钻具拧卸过程多采用液压动力钳,但是国内铁钻工工作过程中常出现工作性能不稳定和旋扣钳打滑等问题。本文针对以上问题和功能需求开展了铁钻工整体方案的研究,包括结构设计、液压系统设计、运动学理论计算和动力学分析,并进行了关键承载零部件的应力应变分析和常用零件的疲劳寿命计算,主要工作包括以下几部分:首先,在分析了铁钻工各组成部件、工作原理以及工作性能参数后,对铁钻工进行了模块化设计。以准则优化法作为优化理论,对箱体基座、伸缩臂、夹紧钳和冲扣钳进行了结构优化设计;借助机构运动学理论,计算出了旋扣钳工作时的极限位置;采用最佳切径比原则对旋扣滚子进行了优化。将优化设计后的各模块进行组装,得到了铁钻工的最终结构形式。其次,运用滚动摩擦学原理对旋扣钳模型进行理论分析,以设计要求为规范对旋扣马达进行选型和参数验证;在计算出夹紧钳和冲扣钳所需夹紧力的基础上,计算出所需液压缸压力,参照液压缸选用规则表,实现了液压缸的合理选择;对液压元件进行了功能分析,并设计了液压系统原理图。建立了铁钻工的运动学模型,对铁钻工进行运动学分析并获得铁钻工的运动学曲线;通过数据接口将旋扣钳模型导入分析模块,以动力学和运动学相关理论为依据建立了各构件的约束关系,实现了旋扣钳模型的仿真分析,并与理论结果进行了对比,验证了设计的正确性。最后,将三维模型导入Workbench中,对牙板、钻杆接头、旋扣钳主动臂进行静力学分析,得到了各零部件的应力应变云图,验证了关键受力部件的可靠性;通过对铁钻工易损部件牙板进行疲劳寿命分析,验证了牙板结构和材料选用的合理性,为铁钻工的实际生产提供了理论依据。
【关键词】：铁钻工 结构优化 液压系统 动力学分析 静力学计算
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE92
【目录】：

• 摘要5-6
• abstract6-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 课题背景及意义10-11
• 1.2 国内外发展现状11-15
• 1.2.1 国外发展现状11-13
• 1.2.2 国内发展现状13-15
• 1.3 未来发展趋势15-16
• 1.4 主要研究内容16
• 1.5 本章小结16-17
• 第二章 铁钻工结构方案设计17-38
• 2.1 铁钻工功能需求17-19
• 2.2 立柱箱体总成的方案设计19-22
• 2.2.1 底座的设计19-20
• 2.2.2 回转装置的设计20-21
• 2.2.3 立柱和升降油缸的设计21-22
• 2.3 伸缩臂的结构设计22-23
• 2.4 旋扣钳的设计23-34
• 2.4.1 旋扣机构的运动分析27-29
• 2.4.2 马达传动结构的设计29-30
• 2.4.3 旋扣钳安装高度的确定30-32
• 2.4.4 滚子直径的设计计算32-34
• 2.5 夹紧钳和冲扣钳的结构设计34-36
• 2.6 连接支座的设计36-37
• 2.7 本章小结37-38
• 第三章 铁钻工液压系统设计38-46
• 3.1 液压马达的设计38-40
• 3.2 液压缸的选用与计算40-45
• 3.2.1 夹紧液压缸的选用40-44
• 3.2.2 冲扣钳扭转液压缸的选用44-45
• 3.3 液压元器件的选用与液压系统的结构原理图45
• 3.4 本章小结45-46
• 第四章 铁钻工的运动学与动力学仿真46-60
• 4.1 运动学仿真基础46-47
• 4.1.1 刚体的位姿描述46-47
• 4.2 铁钻工的运动学仿真47-51
• 4.3 铁钻工旋扣钳的动力学仿真51-59
• 4.3.1 ADAMS简介51-54
• 4.3.2 仿真模型的建立54
• 4.3.3 添加约束及驱动54-56
• 4.3.4 旋扣钳仿真结果分析56-59
• 4.4 本章小结59-60
• 第五章 铁钻工关键承载零件的强度分析60-68
• 5.1 有限元分析软件Workbench简介60-61
• 5.2 关键部件的静力学分析61-67
• 5.2.1 牙板和钻杆的静力学分析61-65
• 5.2.2 旋扣钳主动臂的静力学分析65-67
• 5.3 本章小结67-68
• 第六章 总结与展望68-70
• 6.1 总结68
• 6.2 展望68-70
• 参考文献70-73
• 致谢73-74
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文和专利74
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目74

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