LK500型顶驱上卸扣装置的动态特性分析与优化

摘要

LK500型顶驱上卸扣装置是典型的机电液一体化复杂系统，包括机械、液压、控制器等元件，控制器控制液压执行元件驱动倾斜装置、背钳、防喷器完成取送钻杆、接立根、防止泥浆喷涌等操作，其突出优势是显著提高钻井作业效率。多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization,MDO)是研究复杂系统中各学科相互作用的现代设计分析理论。MDO 通过集成不同学科建模理论、分析及计算方法，采取有效的优化策略，获得整个复杂系统的最优解。系统动态特性是评价系统性能的重要指标，复杂系统动态特性包括机械、液压、控制等多个方面。本文通过以下几个方面对 LK500 型顶驱上卸扣装置进行动态分析及优化研究： （1）建立上卸扣倾斜装置机械、液压、控制数学模型，并采用 PID控制方法对倾斜装置并联液压缸进行同步控制。选取 MDO 中的多学科可行法(Multidisciplinary Feasible,MDF)及协同优化法(Collaborative Optimization Approaches,CO)，建立优化框架，选取多目标遗传算法(Genetic Algorithm,GA)中的三种算法及Pareto Explorer(PE)算法中的两种算法对数学模型进行计算，结果表明 CO优化框架下采用 PE算法得到结果更优； （2）搭建基于 iSIGHT软件的 MDF框架下机电液复杂系统联合仿真优化平台，采用 PE优化算法对已建立的仿真模型进行优化，优化结果表明 PID控制方法可有效提高并联液压缸同步率。通过与数学模型计算结果进行对比，在保证强度刚度的同时系统总体质量下降，液压系统功率下降，控制精度提高，优化仿真平台搭建合理； （3）针对优化后的上卸扣装置进行机械系统，液压系统的动态特性分析，得到各关键部件运行过程中的载荷、压力、流量特性，结果表明上卸扣装置运行平稳，验证了优化方案的合理性，结合 PLC 编写关键部件液压控制程序段，最终得到性能可靠的顶驱上卸扣装置。 本论文的研究方法及成果可为顶驱上卸扣装置的优化设计提供参考依据与技术支持。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究内容及创新点

第2章 上卸扣装置动态特性分析与优化理论基础

2.1 上卸扣装置概述

2.2 多学科动态分析理论及仿真软件

2.3 机电液多学科优化方法

2.4 联合仿真技术及优化平台搭建方法

2.5 本章小结

第3章 上卸扣装置机电液多学科系统优化

3.1 子系统交互参数的关系

3.2 复杂系统多学科优化数学模型

3.3 上卸扣装置多学科优化数学模型的建立

3.4 优化结果分析

3.5 本章小结

第4章 联合仿真平台搭建及优化结果分析

4.1 联合仿真模型建立

4.2 联合仿真平台搭建

4.3 基于集成平台的上卸扣装置优化结果分析

4.4 本章小结

第5章 上卸扣装置动态特性分析与控制

5.1 基于 ADAMS的上卸扣装置多体动力学分析

5.2 上卸扣装置液压系统分析

5.3 上卸扣装置液压控制

5.4 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文