基于井眼轨迹控制工具的谐波传动设计及谐响应分析

• 作 者: 冷先书
• 出 处: 长江大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 井眼轨迹控制工具 谐波传动 设计 谐响应

井眼轨迹控制工具是一种新型、无级可调指向式旋转导向钻井工具,在井眼轨迹控制工具工作过程中,要求传动精度高、传动比大、承载能力强的减速装置来保证工具的控制精度,提高井下定位的准确性。环形柔轮谐波减速器能有效地解决杯型和短筒柔轮加工困难、以及在筒底转角处应力集中的问题,还具有体积小、重量轻、结构紧凑、寿命长等优点。因此,本文以环形柔轮谐波减速器为研究对象,充分考虑井眼轨迹控制工具工作环境的特殊性,重点对谐波减速器中易发生疲劳破坏的柔轮进行力学性能研究,为设计满足井眼轨迹控制工具需求的谐波减速器提供参考,同时也为相关领域中谐波减速器的设计提供必要的理论依据。通过大量的文献调研分析得出环形柔轮谐波减速器更能满足井眼轨迹控制工具承受较大重载的需求特性。应用谐波传动系统的设计理论,对环形柔轮谐波减速器的柔轮、刚轮、波发生器等主要部件进行了结构设计,结合强度要求选定了各部件材料,并对设计出的谐波减速器进行理论强度校核。利用ANSYS Workbench软件分析了柔轮装配应力与变形的分布情况,进一步得出装配后环形柔轮应力和变形的分布规律。并通过改变环形柔轮单一结构参数,最大径向变形量、长径比、齿圈壁厚及齿圈前后沿宽度分别计算得出空载和额定负载情况下不同参数对环形柔轮应力和变形的影响规律。为获得更优的环形柔轮结构以承受较大载荷,提高井眼轨迹控制工具中谐波减速器的使用寿命,本文以常规工况下环形柔轮的最大应力作为评价指标,选取最大径向变形量、长径比、齿圈壁厚和齿圈前后沿宽度四个关键结构参数为影响因素设计正交试验,得到结构参数对环形柔轮应力影响的敏感性排序依次为齿圈壁厚>最大径向变形>前后沿宽度>长径比,并选取最优结构参数来降低环形柔轮的应力,提高柔轮的力学性能。由于本文研究的是应用于井眼轨迹控制工具中的谐波减速器,在工作中会产生振动和冲击。因此,对优化后的谐波减速器进行了固有频率分析和谐响应分析,结果表明所设计的谐波减速器不管在休息状态还是在工作状态都不会产生共振。