煤钻机的振动研究及机构优化仿真设计

为研究钻机钻具的振动和挠度性能,在对钻具进行合理简化和假设的基础上,建立了三位煤钻的仿真模型,分析了不同钻深下的振动和挠度性能。根据结果设计了一种新型的钻杆稳定装置,并与普通煤钻相比,构造了一种三位煤矸石稳定器的仿真模型,为定稳定器的布置形式的设计提供了科学依据。     

钻具稳定器加工自动编程技术的研究

钻具稳定器是石油钻井中不可缺少的常用井下工具,其失效率较高,需要高效、高质量地加工。在分析钻具稳定器加工运动关系的基础上,基于C++Builder设计了包括加工参数输入、工件精度分析、运动干涉判定、实时图形尺寸显示、加工过程物理仿真和NC代码生成等各种功能在内的完整数控加工自动编程系统。该系统实现了对钻具稳定器加工过程的三维仿真,从数据准备、刀具选取到最终数控加工的全过程。对钻具稳定器专用数控机床自动编程系统的设计,实现了钻具稳定器加工精度和加工效率的进一步提高。     

电动式主动横向稳定器模型预测控制策略开发

为进一步提升高速行驶车辆侧倾稳定性,本文以永磁同步电机式主动横向稳定器为被控对象,设计该电动式主动横向稳定器模型预测控制器及其电子控制单元,并完成相关离线仿真和硬件在环性能试验.首先利用MATLAB/Simulink搭建九自由度整车动力学模型,并利用模型预测控制方法,构建电动式主动横向稳定器控制策略模型,然后设计基于英飞凌32位TC275主控芯片的电动式主动横向稳定器电子控制单元,利用自行开发的电动式主动横向稳定器性能试验台,分别在转向盘角阶跃工况和鱼钩工况下验证了电动式主动横向稳定器模型预测控制策略有效性.相关仿真和台架试验结果表明,电动式主动横向稳定器模型预测控制策略可有效提高车辆抗侧倾能力.     

减震稳扭旋冲钻井提速工具可变节流口特性分析

底部钻具组合耦合振动,不仅降低了钻头的稳定性和攻击性,还易造成钻具疲劳破坏,诱发井下事故.目前,大部分常规的辅助破岩工具只能抑制单一形式的钻具振动,针对多种振动形式耦合的复杂工况,提速效果有限.为此,提出一种减震稳扭旋冲钻井提速工具,该工具集复合冲击和减震稳扭功能于一体,可有效抑制钻头不规则振动,保证钻头平稳快速钻进.以该工具冲击能量发生单元为研究重点,建立了动静阀盘可变节流口数学模型,基于MATLAB仿真模型数值分析得到了可变节流口过流面积与节流压差之间的关系,确定了动静阀盘的几何结构参数.最后完成样机试制和地面性能测试,节流压差测试结果与仿真分析结果相符,满足现场应用需求.     

小井眼开窗侧钻用高抗弯钻具接头性能分析与结构参数优化

随着小井眼开窗侧钻技术的广泛应用,由井下弯曲段引起的钻具接头失效问题日益突出。为解决因弯曲载荷造成钻具接头变形失效的问题,根据弹塑性力学理论及中心管材料本构模型试验研究结果,建立了钻具接头螺纹连接的三维有限元模型,研究了弯曲载荷作用下钻具接头连接强度和密封性能,并通过胀扣试验验证了有限元分析结果的可靠性。在此基础上利用正交优化方法,对其关键结构参数进行优化,获得了钻具接头较优参数组合,对比计算了API钻具接头与高抗弯钻具接头力学性能。结果表明,优化后的连接螺纹在抗拉/压、扭矩及弯曲方面性能均优于API螺纹,能更好地满足小井眼开窗侧钻的钻井要求。     

轴向振动钻削过程的有限元动态仿真

针对钻削工艺特点,分析了轴向振动钻削的有限元动态特性。利用有限元分析软件DEFORM建立了轴向振动钻削的有限元数学模型,进行了动态仿真分析,同时,建立了相应的普通钻削系统的有限元模型,对两种加工过程中的切屑、轴向力与钻削扭矩等进行了比较。结果表明,与普通钻削相比,轴向振动钻削过程具有较好的断屑效果,轴向力小,钻削扭矩小。研究结果可对轴向振动钻削机理与特点的研究提供参考。     

建筑钻孔机器人的振动与控制研究

针对建筑机器人在钻孔过程中由于钻头偏移引起振动的问题,对柔性关节机器人模型、钻削力、时延控制等进行了研究。提出了一种因钻头偏移而引起钻削力波动的理论,并引入PD_TDC控制方法来控制机器人的位姿来减少钻头偏移量,从而减少了振动;利用拉格朗日动力学方法,建立了柔性关节的机器人系统;利用动态前角的方法,建立了钻削力模型;基于Matlab/Simulink建立了三自由度特定位姿的平面进给机器人的仿真模型;利用PD_TDC控制方法,对进给过程中的转角偏移进行了快速的补偿。研究结果表明:该方法可以有效减小各关节转角的偏差,减小钻头偏移角度以及钻削力的变化范围,有效抑制振动,提高了孔的加工质量。     

基于ADAMS的有初始挠度的身管振动研究

建立了身管的柔性体模型,对重力作用下有初始挠度的身管振动进行了动力学仿真,并与无初始挠度的刚体身管振动的结果进行了对比.分析仿真结果并结合一般事实,说明在进行火炮发射动力学仿真时考虑身管的初始挠度是必要的.     

轴向超声振动钻削的钻削力和切屑形态研究

建立了钻削加工仿真模型,并采用麻花钻对钛合金进行振动钻削试验。利用ABAQUS软件进行轴向超声振动钻削仿真,试验验证和对比分析了轴向超声振动钻削在不同加工参数下的切屑形态和钻削力。仿真与试验结果表明:随着进给量和振幅增加,钻削力增大,但进给量对钻削力的影响大于振幅;无论是进给量还是振幅的改变,对切屑形态均有影响。     

三区段振动钻削动态轴向力和扭矩的计算机仿真

根据斜角切削理论,假设将钻头主切削刃和横刃上的变形过程分别处理为一系列微小的具有动态特性的振动切削单元,从而构造出三区段振动钻削动态轴向力和扭矩的预报模型,并根据该模型对三区段动态轴向力和扭矩进行了计算机仿真。     

复合材料超声振动低损伤制孔技术研究

为了研究碳纤维复合材料超声振动加工机理,本文提出了直角切削三维细观有限元方法并开展了手持式超声制孔实验。首先,基于直角-斜角切削转换关系构建热力耦合有限元模型进行普通和超声振动直角切削仿真,实现对制孔损伤如纤维断裂、基体破坏及纤维-基体界面脱粘的预测,研究了振动频率如幅值和频率对切削力的影响规律;然后,基于四组特殊纤维方向角的有限元仿真结果,进行了能量分析以量化不同能量耗散机制在普通和超声振动直角切削下的百分比,结合切屑形貌对比,针对为何超声振动能减小钻削力及提高制孔质量进行了剖析。最后,基于仿真获取的振动参数影响规律开展了普通钻削及超声振动钻削的对比实验,并对钻削力与亚表面损伤情况进行了对比。结果表明,基于有限元仿真获取合理的振动参数,有助于实际加工应用中减小钻削力及提高加工质量。     

基于DEFORM-3D轴向振动钻削304不锈钢有限元仿真

难加工材料微小孔钻削过程中存在钻削力大、断屑难及钻削温度高等加工问题,而轴向振动钻削方法可以解决此类问题。基于轴向振动钻削机理,对轴向振动钻削的运动特性和变厚切削特性进行了分析。通过DEFORM-3D软件建立了轴向振动钻削有限元模型,对304不锈钢进行了振动频率为550 Hz,振幅为16μm,转速为3 000 r/min,进给量为50μm/r的轴向振动钻削和普通钻削仿真试验,对比分析了两种加工过程中的切屑形态、轴向力和扭矩等。结果表明：与普通钻削相比,轴向振动钻削具有更好的断屑效果,可以降低平均轴向力约48.1%,降低平均扭矩约38.2%。     

汽车主动悬架控制策略对比研究

为提高汽车主动悬架减振性能,建立了简化的1/4车体二自由度主动悬架模型,分别结合PID控制、模糊控制和自适应模糊PID控制方式设计了1/4车二自由度主动悬架控制器。以C级路面白噪声随机信号为激励,利用MATLAB/Simulink软件对车辆主动悬架的三种控制方式进行了仿真,选取车身垂直振动速度及加速度、悬架动挠度和轮胎动载荷等指标进行控制效果评价。结果表明:基于自适应模糊PID控制的主动悬架较其他控制方式能明显改善汽车行驶平顺性,可有效抑制汽车主动悬架的振动。     

新型液压循环系统脉冲缓释装置CFD仿真分析

钻井泥浆泵采用往复式三缸泵,可提供较大的压力驱动泥浆循环,其流量和压力脉动如长时间不能有效抑制将导致外接管路破坏,储层受损坏,控压钻井难度增加等问题,影响动力钻具输出特性和稳定性,诱导动力钻具出现"粘-滑效应"。该文针对一种新型的缓释器,在分析其结构特点的基础上,对缓释器的弹性橡胶件共振系统、容积变化等部分分别进行了模型研究,推导数学模型,揭示了其结构原理。文章基于有限元分析软件ANSYS,建立泥浆脉冲缓释装置的CFD仿真模型,评价其缓释效果,为泥浆脉冲缓释装置的研究奠定了理论基础。该文为开展具有自适应负载的泥浆脉冲缓释装置的优化设计提供了参考依据,这种新型的泥浆缓释器能够用于改善实验室已有的孔底动力钻具实验台的测试条件,为后续开展涡轮钻具"粘滑振动"机理的研究奠定基础。     

钻式采煤机的设计及应用研究

以我国目前钻式采煤机设计及应用技术现状与发展趋势为研究基础,围绕钻式采煤机钻具相关数学模型、钻式采煤机钻具的优化设计、钻式采煤机样机设计及试验三个方面展开讨论,并提出了目前钻式采煤机的设计及应用中存在的主要问题,以不断完善发展钻式采煤机。     

基于垂向性能研究的新型悬架参数设计

设计了一种用于四轮独立转向独立驱动电动轿车的独立悬架,该悬架采用双横臂、螺旋弹簧结构,悬架连接带轮毂电机的大质量电动车轮。对悬架系统进行简化,建立了悬架二自由度振动模型,采用均方根值分析方法,计算出振动系统的频率响应函数及振动响应的均方根值(包括车身加速度均方根值、车轮相对动载荷均方根值及悬架动挠度均方根值),基于悬架参数对电动车辆垂向性能的研究,提出了新型悬架弹簧刚度和减振器阻尼系数的设计方法,结合仿真及实验验证了设计方法的合理性。     

轴向旋转冲击器动态特性分析与寿命研究

轴向液动旋转冲击器作为钻井最关键的井下动力钻具，其高频冲击振动可大幅减小或消除钻头粘滑振动，提高钻速并延长钻头寿命。基于粘滑振动机理建立了振动模型，首先对其工作原理和运动特性进行了研究，并结合实际工况，建立动力学方程，再对系统和扭力冲击器动力学进行仿真分析，最后通过实验法验证扭力冲击器动态特性的合理性及理论分析的正确性。通过对影响扭力冲击器寿命的因素研究，发现了旋冲产生的不平衡力以及转子高频旋转速度引起轴承出现了混沌现象，继而对动态特性产生影响，导致扭力冲击器无法达到使用寿命。     

钻具稳定器专用数控机床设计

针对钻具稳定器的结构特点,并结合用户实际需求,开发设计了专用数控机床来解决稳定器高效加工问题。综合考虑加工效率和经济成本,选取端铣刀铣削为主运动和使用A轴进行钻孔的切削方法。最后,进行试切实验,切削运动关系和加工质量都可以满足设计和使用要求。对钻具稳定器专用数控机床的开发研制,实现了钻具稳定器加工精度和效率的进一步提高。     

基于EDEM的月球极区采冰钻具参数的研究

针对月球极区冰采样过程钻具运动参数对钻具受力及对冰采样量的影响问题,开展了离散元仿真分析;利用SolidWorks三维建模软件设计了一款钻具,在离散元仿真软件EDEM中建立了冰的离散元模型;并将设计完成的钻具导入离散元仿真软件中,进行离散元仿真分析;选取钻具的转速作为钻具的运动参数,进行对比分析。其仿真结果表明,随着钻具转速增大,冰的采样量逐渐增大;钻具所受的力矩逐渐减小。     

基于AdvantEdge FEM超声轴向振动微孔钻削仿真研究

在金属切削基本理论基础上,建立了超声振动钻削数学模型,基于有限元软件Third Wave Systems AdvantEdge FEM对超声轴向振动钻削过程进行有限元仿真,用Tecplot软件绘制了钻头和工件的应力曲线图和温度曲线图,主要分析了刀具和工件切削力和切削温度的变化规律。仿真结果表明在钻入一定深度后,轴向切削力在某个值上下振荡呈周期性变化,这一特性使超声轴向振动钻削从根本上改变了钻削机理,使其与传统钻削相比具有巨大的优势。研究结果对轴向振动钻削机理的研究具有一定参考意义。