万米大陆科学钻探钻机液压顶驱背钳装置的研究

万米大陆科学钻探钻机的研制旨在为科学钻探提供装备及技术的支撑，而全液压顶驱系统是整个钻机的核心，也被称为顶驱钻机的“心脏”，作为管子处理装置中的背钳装置，其作用是配合顶驱完成起下钻作业中的拧卸钻具。鉴于目前背钳装置结构设计上的缺陷，为适应恶劣的作业环境，缩短钻探的辅助时间，本论文深入了解背钳的作业流程，然后对比国内外不同的设计结构，在前人研究的基础上，提出了一种新型的夹紧力大、作业安全可靠的顶驱背钳装置的设计方案，并对背钳的钳牙结构进行优化改进。分析背钳夹紧机构及浮动机构的组成及原理，要求夹紧机构的夹紧力满足上卸扣时的工况，同时浮动机构随着钻杆螺纹旋合，利用机构的浮动特性配合顶驱实现上下浮动，利用Inventor软件建立机构的实体模型。利用虚拟样机技术的ADAMS仿真软件及液压系统仿真软件AMESim分别对夹紧机构夹紧钻杆和松开钻杆的过程进行仿真分析，得出液压缸活塞的位置、速度、加速度的运动特性，然后对液压元件建立仿真模型，分析夹紧和浮动液压系统中液压元件的压力、流量等工作动态特性参数，为机构的设计及液压系统设计提供了理论依据。对背钳钳牙与钻杆受力情况进行分析，通过有限元软件ANSYS对钳牙的结构参数进行优化设计，并得出了多种钳牙牙型角的组合方式下其应力值的变化规律，从分析结果得出钳牙的最优结构参数，合理的设计夹紧机构中钳牙的结构及形状，降低钻杆的破坏几率。本论文的研究为钻机的整体设计提供参考，同时为背钳结构的优化设计提供了新的思路，从理论分析中保证背钳运行的可靠性，在将来钻机的实际应用中可以尽量减少事故的发生。
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