基于载荷谱的石油钻机转盘传动齿轮疲劳寿命研究

摘要

石油钻机转盘传动齿轮的疲劳寿命是评价石油钻机整体性能的重要指标之一。钻机转盘工作环境极其复杂，常处于各种未知冲击与重载等环境下工作，预测并计算其寿命相当重要。疲劳寿命的计算一般釆用综合疲劳试验台进行测试或物理样机破坏试验，不但耗时长、费用高，而且在设计阶段无法预测出其疲劳寿命。分析国产转盘系统的动力特性，计算转盘齿轮的疲劳性能对于优化转盘驱动系统的设计，改善国产钻井机的综合性能，提升国产钻井机的竞争力意义重大。
　　本文以目前国内最大转盘 ZP495为对象，利用联合仿真技术对典型的理论工况下钻机转盘齿弯曲轮疲劳寿命进行了仿真分析，具体做了以下几项工作：
　　运用 PRO/E建模技术搭建了转盘驱动系统的三维模型，在动力学软件ADAMS中对模型进行了动力学仿真计算，得到了转盘锥齿轮的啮合力并分析了其变化特性，得到的曲线数据与分析结果为转盘驱动系统的控制及锥齿轮的寿命仿真提供了数据支撑。
　　对仿真载荷进行了疲劳统计分析处理，运用雨流计数原理对载荷数据进行了载荷分级、累积频次合成、各级循环计数等计算，得到了仿真载荷的载荷分布矩阵表、累积损伤率曲线以及雨流直方图。用简单的方法描述了仿真载荷数据的特性，实现了对载荷的规范清晰化处理。
　　建立了转盘锥齿轮的简化有限元模型，分析了锥齿轮弯曲应力的分布情况，确定了其弯曲疲劳的危险部位。基于锥齿轮有限元分析的结果，以名义应力法为基础，结合仿真的载荷以及材料曲线，在疲劳仿真软件Designlife中计算了转盘锥齿轮的疲劳寿命，得到了在理论工况下的转盘齿轮弯曲疲劳寿命，实现了对转盘锥齿轮的疲劳寿命预测。本文的研究成果为转盘锥齿轮的设计优化、寿命预测以及后期维护有借鉴与参考价值。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 石油钻机转盘的发展概况

1.3 疲劳寿命研究概况

1.4 本论文研究内容

第二章 转盘传动齿轮动力学仿真分析

2.1 概述

2.2 钻机转盘传动系统分析介绍

2.3 转盘传动系统主要零部件的建模

2.4 转盘传动系统动力学仿真

2.5 小结

第三章 转盘传动齿轮仿真载荷的统计分析

3.1 载荷谱的简介

3.2 仿真载荷的统计分析方法

3.3 转盘传动齿轮仿真载荷的统计分析

3.4 小结

第四章 转盘传动齿轮弯曲有限元分析

4.1有限元分析理论

4.2 转盘传动齿轮有限元模型的建立

4.3 转盘传动齿轮弯曲应力有限元计算

4.4 小结

第五章 转盘传动齿轮弯曲疲劳寿命分析计算

5.1 疲劳基本概念

5.2 疲劳理论

5.3 转盘传动齿轮疲劳寿命仿真计算

5.4 小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间参加的项目和发表的成果

致谢