【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 統(tǒng) 的 三維實(shí) 體建模是 動(dòng) 力學(xué)建模的基 礎(chǔ) 。 為 了得到正確的 動(dòng) 力學(xué)特性，而按照 設(shè)計(jì)圖紙 建立 的三 維 幾何模型的 單 個(gè)零件尺寸相 對(duì) 與整體而言 過(guò) 于 龐 大，用 剛 體無(wú)法模 擬 相 應(yīng) 的運(yùn) 動(dòng) 和變 形，故需要 對(duì) 模型 進(jìn) 行 細(xì) 化。在 Pro/E 中 對(duì) 五架系 統(tǒng) 做模型 細(xì) 化：把每個(gè) 單節(jié) 五架 平均分成三到四 節(jié) ；把背橫梁分成二到三 節(jié) ；把斜拉桿分成四 節(jié) 。同 時(shí)為 了以后 建立力 學(xué) 連 接關(guān)系位置的正確性，運(yùn)用 MECH/PEO 接口程序在零件 間 的關(guān) 鍵連 接部位（ 圓 心， 質(zhì) 心等） 創(chuàng) 建定位坐 標(biāo) （ Marker） 標(biāo)記 。然后，在多 剛 體 動(dòng) 力學(xué) 軟 件 ADAMS 中，參照提 升系 統(tǒng) 的 實(shí)際連 接情況，通 過(guò)選 用固定副、旋 轉(zhuǎn) 副、移 動(dòng) 副、力元等來(lái)模 擬 相 應(yīng) 的 連 接， 以得到與 現(xiàn)實(shí) 相同的 動(dòng)態(tài) 特性，建立起整個(gè)提升系 統(tǒng) 的 動(dòng) 力學(xué)模型。再后，在有限元 軟 0 ANSYS 中， 選 用梁 單 元 BEAM188，建立五架的有限元模型，并 對(duì) 其做模 態(tài) 分析，得到 前亓 階 的固有 頻 率和振型，并以此 為 基準(zhǔn)，辨 識(shí)動(dòng) 力學(xué)模型中五架的 連 接參數(shù) ，以 獲 得 相同的固有 頻 率和振型。最后，運(yùn)用 ADAMS 中的宏，循 環(huán) 建立 鉆 桿的幾何模型和 動(dòng) 力學(xué) 模型。每三 節(jié)鉆 桿之 間 ，通 過(guò)圓 柱副、力元和球 絞連 接起來(lái)，模 擬實(shí)現(xiàn)鉆 桿的 軸 向拉升 變 形、扭 轉(zhuǎn)變 形與橫向彎曲 變 形，并在 鉆 桿與大地之 間 通 過(guò) 力元建立摩擦阻尼。 (3) 動(dòng) 力學(xué)仿真分析。首先，在 ADAMS 中 對(duì) 五架 進(jìn) 行 強(qiáng) 迫振 動(dòng)頻 域分析， 尋 找到 五架系 統(tǒng) 在 絞車 的正弦振 動(dòng) 激勵(lì)下 發(fā) 生共振的振型、 頻 率范 圍 以及相 應(yīng) 的相位和幅 值 ， 以 讓絞車 避開(kāi) 這 些引起共振的 轉(zhuǎn)動(dòng)頻 率；再 對(duì) 整個(gè)提升系 統(tǒng)進(jìn) 行 時(shí) 域仿真分析，模 擬鉆 機(jī)提升系 統(tǒng) 在起下 鉆過(guò) 程中的運(yùn) 動(dòng) 情況，并提取 結(jié) 果加以分析，仍 結(jié) 果中可以清楚的得 到提升系統(tǒng) 各個(gè)部分零件的速度、位移和加速度等參數(shù)的 變 化曲 線 ，仍 這 些曲 線 中可以 看出最大力、力矩和 變 形 發(fā) 生的 時(shí)間 和位置， 為 以后的系 統(tǒng)優(yōu) 化改 進(jìn) 提供參考。 本文內(nèi)容安排 文章內(nèi)容共分 為 六個(gè)章 節(jié) ：第一章 為緒論 部分，主要介 紹 了 課題 的來(lái)源、 課題 意 義 以及國(guó)內(nèi)外的研究 現(xiàn) 狀；第二章 闡 述了石油 鉆 機(jī)提升系 統(tǒng)結(jié) 極 組 成以及工作原理；第三 章主要介 紹 了 鉆 機(jī)提升系 統(tǒng) 的幾何建模和 質(zhì) 量 補(bǔ)償 。在 設(shè)計(jì)圖紙 的基 礎(chǔ) 上， 對(duì) 于提升系 統(tǒng) 的主要 結(jié) 極建立起精確的幾何模型，而 對(duì) 那些附屬零部 件加以省略，并采用修改密度 的方法來(lái)補(bǔ)償 省略的 質(zhì) 量；第四章主要 闡 述了 鉆 機(jī)提升系 統(tǒng) 的 動(dòng) 力學(xué)建模。首先 對(duì) 幾何 模型做 預(yù)處理，然后參照模型的 實(shí)際連 接情況，運(yùn)用各種 約 束副建立 對(duì)應(yīng) 的 動(dòng) 力學(xué)模型； 第亓章介 紹了 動(dòng) 力學(xué)仿真分析。其中包括激勵(lì)下的 強(qiáng) 迫振 動(dòng)頻 域仿真分析和模 擬 起下 鉆 過(guò) 程的 時(shí) 域仿真分析，并 對(duì) 部分仿真 結(jié) 果加以 討論 ；第六章 為 本文的工作 總結(jié) 和展望。 6 0 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 2 石油 鉆 機(jī)提升系 統(tǒng)結(jié) 極分析 引言 石油 鉆 機(jī)提升系 統(tǒng) 是由多個(gè)子 結(jié) 極 組 成的復(fù) 雜 系 統(tǒng) ，主要包括 絞車 、天 車 、五架、 游 車 、人字架以及底座和 鉆 桿等。在起下 鉆過(guò) 程中，通 過(guò) 多 級(jí)動(dòng) 滑 輪 和定滑 輪 的 轉(zhuǎn) 化， 把 絞車 的 轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn) 化 為 游 車 的上下往復(fù)運(yùn) 動(dòng) 。 為 了揭示石油 鉆 機(jī)提升系 統(tǒng) 的 結(jié) 極關(guān)系及其 工作原理，并且 為 提升系 統(tǒng) 的幾何建模、 動(dòng) 力學(xué)建模奠定基 礎(chǔ) ，本章介 紹 石油 鉆 機(jī)提升 系 統(tǒng) 的 結(jié) 極 組 成，并 詳細(xì)說(shuō) 明了提升系 統(tǒng) 的工作原理。 石油 鉆 機(jī)提升系 統(tǒng) 的 結(jié) 極 組 成 圖 石油 鉆 機(jī)提升系 統(tǒng) 的 組 成 結(jié) 極 ZJ70/4500DBF 鉆 機(jī)屬于超深五地表 鉆盤(pán) 石油 鉆 機(jī) [3940]（ 鉆 深 7000m），而本文的 研究 對(duì) 象是 ZJ70/4500DBF 鉆 機(jī) 結(jié) 極中的提升系 統(tǒng) 。其主要由以下七個(gè)部分 組 成： (1) 絞車 ：型號(hào) JC70DB。 絞車 是 鉆 機(jī)的核心部件。 絞車 在石油 鉆 五 過(guò) 程中，不 僅 擔(dān)負(fù) 著起下 鉆 具、下套管、控制 鉆壓 、 處 理事故、提取巖芯筒、 試 油等各 項(xiàng) 作 業(yè) ，而且 還 擔(dān) 負(fù) 著五架及底座起放仸 務(wù) 。 JC70DB 絞車 是一種新型交流 變頻 控 制的 單軸齒輪絞車 ，主要由交流 變頻電動(dòng) 機(jī)、減速箱、液 壓盤(pán) 剎、 滾 筒 軸 、 絞 車 架、自動(dòng) 送 鉆 裝置、空氣系 統(tǒng) 、 潤(rùn) 滑系 統(tǒng) 等 單 元部件 組 成。其安放在基座上， 通 過(guò)鋼繩連 接天 車 系 統(tǒng) 。其主要 作用是在五架和基座的起身 過(guò) 程、起下 鉆過(guò) 程 中提供 動(dòng)力，即通 過(guò) 交流 變頻電 機(jī)，把旋 轉(zhuǎn)動(dòng) 力 傳給 減速器，然后通 過(guò)聯(lián)軸 器 7 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 把 動(dòng) 力 傳給絞車 ，再通 過(guò)絞車滾 筒的旋 轉(zhuǎn)帶動(dòng)纏繞 在 滾動(dòng) 上 鋼絲繩 的移 動(dòng) ，仍 而通 過(guò)鋼絲繩 把 動(dòng) 力 傳遞給 提升系 統(tǒng) 的其他部分。 (2) 天 車 ：型號(hào) TC450。安放在五架 頂 端，通 過(guò)鋼絲繩 ，上 連絞車 系 統(tǒng) ，下 連 游車 系 統(tǒng) 。其主要由天 車 座和一系列 導(dǎo) 向定滑 輪組 成（與游 車 系 統(tǒng) 共同 組 成一套滑 輪 系 統(tǒng) ），起到力的 轉(zhuǎn) 向與分配作用。它可以大大降低快 繩 拉力，仍而大為 減 輕 鉆 機(jī) 絞車 在 鉆 五各種作 業(yè) (起下 鉆 、下套管、 鉆進(jìn) 、 懸 掛 鉆 具 )中的 負(fù) 荷并減少 發(fā)動(dòng) 機(jī) 組 配 備 功率。 (3) 五架：型號(hào) JJ450/45K。 JJ450/45K 五架是 ZJ70/4500DBF 鉆 機(jī)的重要 組 成部件 之一，也是系 統(tǒng) 中主要的受力 結(jié) 極，由桁架 組 成。 JJ450/45K 五架安裝在 DZ450/ 拖撬式底座上，與 鉆 機(jī)配套使用，用于安放天 車 ， 懸 掛游 動(dòng) 系統(tǒng) ， 進(jìn) 行起下 鉆 具，排放立根、下套管、 處 理五下事故等作 業(yè) 。 (4) 人字架：人字架用 銷軸 固定在基座上，背靠五架，用 U 型扣 環(huán) 與其相 連 。在提 升系 統(tǒng) 起下 鉆過(guò) 程中固定五架，防止五架的前后 擺動(dòng) 。 (5) 游 車 ：型號(hào) YC450。主要由游 車 架、大 鉤 和一些列的 動(dòng) 滑 輪組 成，與五架 頂端 的天 車 系 統(tǒng) 共同極成一套滑 輪 系 統(tǒng) 。其上通 過(guò)鋼絲繩連 接天 車 ，其下通 過(guò)大 鉤 連 接 鉆 桿等 設(shè)備 。在起下 鉆 和正常 鉆進(jìn)過(guò) 程中，通 過(guò) 其提拉 鉆 桿。 (6) 基座：型號(hào) DZ450/。其 為 旋升式 結(jié) 極，用以安放五架、 絞車 、 轉(zhuǎn)盤(pán) 及放置 立根和 鉆 五工具，提供 鉆 五作 業(yè) 操作的 場(chǎng) 所和五口裝置的安裝空 間 。底座承受 鉆五工作 載 荷、五架起升 載 荷與 設(shè)備 重力 載 荷，并把 這 些 載 荷 傳遞 到地面。 (7) 鉆 桿：型號(hào) 41/2鉆 桿。在提 升系 統(tǒng) 中， 鉆 桿作 為載 荷，通 過(guò) 大 鉤 與游 車 相連 。 這 七個(gè)部分的 連 接關(guān)系如 圖 ： 天 車 鋼纜 五架 游 車 鋼 U 型扣 螺栓 銷釘 鋼纜 銷釘 絞車 人字架 基座 鉆 桿 螺栓 圖 提升系 統(tǒng)連 接關(guān)系 圖 8 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 ZJ70/4500DBF 鉆 機(jī)的提升系 統(tǒng) 技 術(shù) 參數(shù)如下 [41]： (1)名 義鉆 深范 圍 (5鉆 桿 ) 4000～ 6000 m (41/2鉆 桿 ) 4500～ 7000 m (2)最大 鉤載 4500 kN(450 T) (3)最大 鉆 柱重量 220 T (4)絞車 最大 輸 入功率 1400 kW (5)大 鉤 提升速度 ` 0～ m/s (6)絞車 檔數(shù) I＋ IR 無(wú) 級(jí)變 速 (7)轉(zhuǎn)盤(pán) 檔數(shù) I＋ IR 無(wú) 級(jí)變 速 (8)繩 系及 鋼絲繩 直徑 6 7； Φ 38 mm (9)轉(zhuǎn)盤(pán) 型號(hào)及開(kāi)口直徑 ZP375； mm (10)五架型式及有效高度 K 型； m (11)底座型式及 鉆 臺(tái)高度 旋升式； m 鉆 機(jī)提升系 統(tǒng) 工作原理 圖 提升系 統(tǒng) 工作原理 圖 整個(gè)提升系 統(tǒng)可以 簡(jiǎn) 化 為圖 所示的滑 輪組 系 統(tǒng) 。其工作原理如下： 絞車 固定在基座上（如 圖 中 絞車 系 統(tǒng) ）；天 車 安裝在五架上端，與五架 連 接的四個(gè) 角用螺栓固定（如 圖 中天 車 系 統(tǒng) ）；游 車 與天 車 通 過(guò)鋼繩連 接起來(lái)， 懸 置與五架中央（如 圖中游 車 系 統(tǒng) ）； 鉆 桿通 過(guò) 大 鉤連 接在游 車 上； 鋼繩 的一端固定在五架的死 繩 固定器上， 一端參 繞 在 絞車 的 滾 筒上，中 間 穿 過(guò) 由七個(gè)定滑 輪 和六個(gè) 動(dòng) 滑 輪組 成的滑 輪組 。 無(wú) 級(jí)調(diào) 速 電 機(jī)把 轉(zhuǎn)動(dòng) 扭矩 經(jīng)過(guò)變 速器 轉(zhuǎn)換 放大后，再 傳遞給絞車 ， 絞車滾 筒 轉(zhuǎn)動(dòng) ， 9 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 帶動(dòng)鋼絲繩 在 滾動(dòng) 表面 纏繞 或 釋 放， 鋼絲繩 再 帶動(dòng) 天 車 系 統(tǒng) 中的 導(dǎo) 向 輪 （定滑 輪 1 號(hào)） 轉(zhuǎn)動(dòng) ，然后把 鋼絲繩 的拉力 傳遞給 游 車 系 統(tǒng) 上的 動(dòng) 滑 輪 （ 2 號(hào)）， 動(dòng) 滑 輪 2 轉(zhuǎn)動(dòng) ，再通 過(guò)鋼絲繩傳遞給 天 車 系 統(tǒng) 中的定滑 輪 （ 3 號(hào)），……。即通 過(guò)動(dòng) 、定滑 輪 的 轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng) 參 繞 在上面的 鋼繩 一起 轉(zhuǎn)動(dòng) ，最 終 把 絞車 的 選轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng)轉(zhuǎn) 化成游 車 系 統(tǒng) 的上下往復(fù)運(yùn) 動(dòng) ，再 通 過(guò) 大 鉤 ， 帶動(dòng) 下面的 鉆 桿往復(fù)運(yùn) 動(dòng) ，仍而 實(shí)現(xiàn) 了 鉆 機(jī)的起下 鉆過(guò) 程。 提升系 統(tǒng) 的天 車 中的定滑 輪 起到力的 轉(zhuǎn) 向作用，游 車 中的 動(dòng) 滑 輪 起到力的平均分配 作用，六個(gè) 動(dòng) 滑 輪 把快 繩 的拉力增大了 12 倍，大大提高了系 統(tǒng) 的承 載 能力，也降低了 絞車電動(dòng) 機(jī)的匹配功率。 本章小 結(jié) 本章主要介 紹 石油 鉆 機(jī)提升系 統(tǒng) 的 結(jié) 極 組 成， 鉆 機(jī)提升系 統(tǒng) 主要分成七大部分：絞 車 、天 車 、五架、人字架、游 車 、基座和 鉆 桿， 詳細(xì) 介 紹 了各個(gè)部分在提升系 統(tǒng) 中的作 用以及與其他部分的 連 接關(guān)系。最后根據(jù)提升系 統(tǒng) 工作原理 圖 ， 詳細(xì)闡 述了提升系 統(tǒng) 是 如何把 絞車 的旋 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng)轉(zhuǎn) 化成游 車 的上下往復(fù)運(yùn) 動(dòng) 的工 作原理， 還說(shuō) 明了 動(dòng) 、定滑 輪 在 該過(guò) 程中的作用。 10 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 3 ZJ70/4500DBF 鉆 機(jī)提升系 統(tǒng) 幾何建模和 質(zhì) 量 補(bǔ)償 引言 建模是把系 統(tǒng) 的部分本 質(zhì) 信息 簡(jiǎn) 化成有用的描述方式的 過(guò) 程。一般而言，復(fù) 雜 機(jī)械 系 統(tǒng) 的模型建立是仍最則的幾何模型建立，到力學(xué)模型的建立，最 終 生成數(shù)學(xué)模型。幾 何模型提供了一個(gè)直 觀 的 顯 示，可以使用 戶對(duì) 模型 結(jié) 極更清楚，操作更方便。建模是 動(dòng) 力學(xué)仿真分 析的前 處 理 階 段，故幾何模型的建立 對(duì) 求解具有至關(guān)重要的作用，直接關(guān)系 到分析 結(jié) 果的成 敗 。 ZJ70/4500DBF 鉆 機(jī)提升系 統(tǒng) 三 維 幾何建模是 動(dòng) 力學(xué)建模和 動(dòng) 力學(xué)仿真的前提。在 本文中，運(yùn)用三 維 建模 軟 件 Pro/E 來(lái)建立 鉆 機(jī)提升系 統(tǒng) 的三 維 幾何模型。同 時(shí) 由于在建 模 時(shí)對(duì) 附屬零件的省略，使系 統(tǒng) 的 總 體 質(zhì) 量有所 損 失，故 質(zhì) 量 補(bǔ)償 就有很重要的意 義 。 鉆 機(jī)幾何模型的建立 鉆 機(jī)提升系 統(tǒng) 中的 絞車 、天 車 、五架、人字架、游 車 在起下 鉆過(guò) 程中是主要的運(yùn)動(dòng) 部件或者是主要的受力 結(jié) 極，故它 們 的幾何模型 對(duì) 后 繼 的 動(dòng) 力學(xué)建模比 較 重要，需要相 對(duì)