【摘 要】
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随着浅表资源的枯竭以及社会对矿产资源需求的不断加剧,深部资源的钻探与开采变得尤为重要。在进行深部钻探的过程中,为了获取地球深部位置的岩心,需要对数百至上千根钻杆进行输送、下钻、提钻作业,例如在“深部探测关键仪器装备研制与实验”的实验过程中,设计钻进深度1万米,则需要输送1110根钻杆进行循环使用,据统计,钻具的输送时间占据了钻井作业时间的1/3以上。传统的钻具运输方式效率低,危险性高,每年由钻具运
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随着浅表资源的枯竭以及社会对矿产资源需求的不断加剧,深部资源的钻探与开采变得尤为重要。在进行深部钻探的过程中,为了获取地球深部位置的岩心,需要对数百至上千根钻杆进行输送、下钻、提钻作业,例如在“深部探测关键仪器装备研制与实验”的实验过程中,设计钻进深度1万米,则需要输送1110根钻杆进行循环使用,据统计,钻具的输送时间占据了钻井作业时间的1/3以上。传统的钻具运输方式效率低,危险性高,每年由钻具运输引发的安全事故,占整个井场事故的77%,极大的影响了现场施工人员的安全。如果使用自动钻具输送机构(行业内俗称“自动猫道”、“猫道”或“动力猫道”)运送钻具,整个过程仅需要1-2人就能完成操作,运移时间短,1-3分钟就能完成运输。使用钻具输送机构可以极大的提高钻具输送的效率,减轻工人劳动强度,降低作业成本,提高钻探施工效率和钻探配套设备自动化水平,所以其具有极高的研究价值和市场价值。但钻具输送机构在实际工作的时候存在强烈的非线性振动,造成整机的形变,严重时还导致整机侧翻造成人员伤亡,因此限制了在工程上的应用。基于此,本文对钻具输送过程中的非线性振动进行了研究。本文的主要研究内容如下:1.通过研究钻具自动输送机构的工作流程,对其总体结构与工作流程进行分析。根据实物,利用相似原理对钻具输送机构进行参数计算,设计了钻具输送模型。然后对实验模型进行运动学分析,研究其运行的控制方式。2.对撑杆机构的振动特性进行研究,得到了撑杆机构的横向振动动力学方程和撑杆机构的状态空间方程;采用模态分析的方法推导出撑杆的第i阶模态函数和机械结构在简谐载荷激励的作用下的强迫振动的动态方程,为撑杆的振动控制提供了理论支持。利用ANSYS软件对撑杆机构进行模态求解,推导出了撑杆的固有频率以及振型图,得到撑杆组件在易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性以及撑杆的危险截面的位置。3.基于PID控制、模糊控制理论对撑杆机构振动控制问题进行了研究,通过SIMULINK仿真验证PID控制器和模糊控制器的抑振效果,发现PID控制器和模糊控制器各有利弊,所以将PID控制器与模糊控制器相结合进行模糊PID控制器的设计。通过模糊PID控制器进行数值仿真,验证该控制器对撑杆机构的抑振效果。4.搭建撑杆机构振动控制实验平台,计算机和Labview软件一起组成系统的数据综合处理模块,在完成各个设备调试之后,开始撑杆振动控制实物实验,最后得到相应的实验结果,并对结果进行分析和总结,验证控制方案的可行性。
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