极地深冰钻驱动系统设计

论文摘要

极地深冰钻的驱动系统是通过减速装置将电动机的高转速降低到适合冰钻的转速,驱动下部钻具进行回转;同时驱动水泵实现钻井液在孔底的反循环排渣。为了提高电动机械钻具的驱动系统性能,本文针对Φ127铠装电缆式电动机械取芯钻具的驱动系统进行研究。该套钻具的减速传动装置前期采用的是行星齿轮传动和谐波齿轮传动。在行星齿轮的每对齿轮啮合过程中,相互冲击振动容易引起疲劳损坏。过大的扭矩也会造成减速传动装置的损坏,使用寿命相对较短;谐波减速器的柔性齿轮和柔性轴承易产生疲劳失效,载荷过高导致减速器齿面上的固体润滑膜寿命短。因而过去研究的φ127铠装电缆式电动机械取芯钻具的减速传动装置的可靠性较差。针对上述问题本文提出了一种新型的减速传动机构,即活齿传动减速装置。活齿传动结构紧凑和传动比范围广满足冰钻钻具小直径且所需大传动比的特点;多齿啮合承载能力强、传动效率高且寿命长满足了极地钻探振动强度大且需提高可靠性的特点。本文提出将滚柱活齿减速传动装置应用于极地冰钻驱动系统。滚柱活齿传动是一种多齿啮合传动,可以将减速器承受的扭矩分配到多个齿,每个齿的扭矩大大减小,从而大幅提高了减速器的寿命;超过一半的活齿啮合,使得装置的抗冲击性和承载能力强。本文通过计算所得到的滚柱活齿减速器的基本参数和几何尺寸,设计了减速器的中心轮齿廓。在齿廓设计和图形绘制过程中再次修改基本参数和几何尺寸,将齿廓设计和参数确定交错进行,以满足钻具的设计要求。还研究了减速器的滑动率特性。根据滚柱活齿减速器的结构参数、冰钻的工作特点及整体的拆装结构关系,设计了φ127铠装电缆式电动机械取芯钻具的驱动系统的结构,还研究了润滑特性。本文对滚柱活齿减速传动装置进行了力学分析、可靠性分析及优化。(1)对活齿传动减速装置的主要承载部件,中心轮、活齿轮、激波盘进行力学分析,并根据受力分析值计算啮合构件的强度。通过强度校核,确定装置的强度符合使用要求。(2)通过ANSYS Workbench对滚柱活齿减速传动装置进行静力分析和动力学分析。从整个装置和主要承载部件的应力和应变云图中可以看出,装置各部件所受的最大应力小于各材料设定的屈服强度和抗拉强度值,最大应变值符合刚度的要求,不会造成减速传动装置的运行故障,满足减速传动装置的设计要求。从模态振型图和振动频率的情况来看,减速传动装置的固有频率均高于减速传动装置工作时的激励频率,不会产生共振;活齿架的变形较大且刚度较小,主要原因是活齿架为薄壁结构,为此可以适当增大活齿架壁厚或换用刚度更大的材料;输入轴易发生弯曲振动,应提高输入轴轴承的刚度。(3)根据前述研究显示,滚柱活齿减速传动装置的输入轴为减速传动装置可靠性的薄弱环节,分析发现输入轴的输入端易发生疲劳损伤。本文采用ANSYS Workbench中的Six Sigma Analysis模块讨论了减速传动装置的输入轴的可靠性。根据可靠性分析系统随机产生的样本点建立的响应曲面图,反映了输入轴的输入端的直径取最大值时,输入轴所受最大应力最小。根据输入轴最大应力概率列表可知,输入轴最大应力260.81MPa大于各输出变量,输入轴的可靠度为100%。因此,减速传动装置输入轴的可靠性符合设计要求。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李鲁佳

导师: 郑治川,于万富

关键词: 极地深冰钻,驱动系统,滚柱活齿减速传动装置,有限元分析,可靠性

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,石油天然气工业,矿业工程

单位: 吉林大学

分类号: P634.4

总页数: 68

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