钻杆多向耦合振动及其控制研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：河北工业大学硕士学位论文钻杆多向耦合振动及其控制研究论文作者：韩善凯学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：机械工程指导教师：李欣业职称：教授DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMechanicsRESEARCHONMULTI-DIRECTIONCOUPLINGVIBRATIONOFDRILL-STRINGSANDCONTROLbyHanShanKaiSupervisor:Prof.LiXinYeApril2017摘要钻杆的粘滑振动对钻削系统具有较强的破

2、坏性，严重影响钻进效率。本文对钻杆的非线性振动进行了理论分析及数值仿真，得到了钻杆的粘滑振动特性以及参数对振动的影响情况，并针对粘滑振动进行了控制研究，主要内容如下：首先，基于转盘-钻头组成的两自由度扭转模型，在karnopp's摩擦扭矩模型的基础上对钻杆产生的粘滑振动现象进行了描述与分析，得到钻头转速为零的粘滞状态以及滑动状态时最高转速达到理想转速的2倍以上。通过理论分析以及数值仿真的验证得到了参数对粘滑振动影响情况的临界曲线，结果表明阻尼比增大会使钻杆的粘滑振动不断减弱，提高转盘转速可以有效地改善钻杆的粘滑振动，增大弹性刚度使粘滑振动的区域变小发生粘滑振动现象的机率变小。其次，基

3、于钻杆纵向和扭转振动耦合的两自由度模型，结合钻头所受纵向力和扭矩模型的简化，利用平均法分析了纵、扭耦合振动的角频率与振幅的关系，讨论了主要工作参数以及外界介质参数对扭转振幅与纵向振幅的影响，此外还利用数值计算对理论分析进行了验证。结果显示，转盘转速的增加会使扭转振幅以及钻头的角速度增大，但是适量增大转盘转速可以有效降低粘滞时间，减弱粘滑振动。钻头与岩石间的摩擦系数的增大会使相对角位移和钻头角速度同时增大，粘滑现象更加明显，粘滞时间变长。纵向振动的振幅和速度符合钻杆粘滑现象强弱随转盘转速以及摩擦系数的变化规律，即粘滑振动越强，对纵向振动的影响越大导致纵向振动振幅和速度变大；粘滑振动越弱

4、，对纵向振动影响越小使得纵向振动振幅和速度会减小。最后，针对上述所建立的钻杆扭转振动模型，对其进行滑模、PI以及滑模-PI控制研究。结果表明这三种控制方法对粘滑现象有很好的抑制作用，但滑模-PI控制效果最好。此外还对纵-扭耦合振动进行了输入扭矩、纵向钻压以及同时进行PI控制分析，总结得到同时对输入扭矩和钻压进行PI控制效果最好。关键词：钻杆；纵-扭耦合振动；粘滑振动；滑模-PI控制；PI控制IABSTRACTStick-slipvibrationofdrill-stringsishighlydestructivetothedrillingsystemandseriouslyaffec

5、tsthedrillingefficiency.Inthisdissertation,nonlinearvibrationofdrill-stringsareinvestigatedbytheoreticalanalysisandnumericalstudy.Thestick-slipvibrationcharacteristicsofthedrill-stringsandtheinfluenceoftheparametersonthevibrationareobtainedandthecontroloftheslippagevibrationiscarriedout.Themain

6、contentsareasfollows:Firstly,nonlinearmotionsofdrill-stringsarepresentedbasedona2DOFmodelwhichconsidersthesimplificationofturntableandbitandthekarnopp'sfrictiontorquemodel.Thestick-slipvibrationphenomenaproducedbythedrill-stringsaredescribedandanalyzedtoobtainthestickstateofthebitspeedzeroandth

7、emaximumspeedoftheslipstatemorethan2timesoftheidealspeed.Thecriticalcurvesoftheinfluenceofparametersonthestick-slipvibrationareobtainedbytheoreticalanalysisandnumericalsimulation.Fromtheanalysisresults,itisfoundthattheincreaseofth