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深井、超深井钻井技术是为勘探和开发地层深处的油气资源而发展起来的。我国陆上石油储量探明率为25%,天然气探明率仅为4%。而西部地区的石油资源量的73%、中部地区天然气的52%都埋藏在深部地层,所以我国西部、中部地区深井、超深井的钻井工作量今后将大幅度增加。随着石油钻机向深井、超深井方向的发展,而原有的钻机配套装备不能满足新的钻井作业要求,这必然导致钻井作业过程中新的问题与事故的发生,极大的影响着我国深井钻机发展水平,制约我国石油与天然气勘探深井、超深井作业工艺及技术水平。 基于此,西南石油大学与宝鸡石油机械有限公司合作开展“ZJ70D钻机绞车滚筒缠绳系统力学建模与分析”项目研究,旨在根据深井、超深井作业实际,提出目前钻机滚筒钢丝绳缠绕系统结构改进方案,以求解决目前普遍存在的深井、超深井作业中钢丝绳缠绕乱绳、夹绳事故。本文是该项目部分研究内容。 本文依据微分几何、机械系统动力学、理论力学、材料力学及弹性力学等基础理论,对钢丝绳在LEBUS绳槽滚筒缠绕行为进行了几何、动力学及静力学等方面的研究,并基于ZJ70D钻机结构参数进行求解。主要研究工作有: (1) 建立了钢丝绳在滚筒缠绕几何模型,研究了钢丝绳缠绕过程极限偏角及换向过程在滚筒爬坡机理及几何模型; (2) 依据LAGRANGE系统广义动力学方程、连续体动力学理论分别建立起升系统启动及制动过程钢丝绳缠绕快绳拉力的动力学模型,并分别采用模态分析法及分离变量法求解; (3) 结合对钢丝绳在钻机滚筒缠绕机理分析的基础上,研究了钢丝绳在滚筒缠绕过程力学行为; (4) 编制计算机仿真程序对上述模型进行求解,在参数分析的基础上提出对目前钢丝绳缠绕系统结构改进建议。 本文的研究是对钻机滚筒钢丝绳缠绕系统力学行为研究的探索,旨在对下一步系统结构改进设计提供理论依据。