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油气探采中的钻柱是一个纵扭耦合的超大柔性转子系统,该系统在钻头-岩层切削界面的时滞、非光滑效应作用下极易产生破坏性的黏滑振动失稳并造成钻柱失效.研究围绕钻柱纵-扭耦合动力学及时滞稳定性问题展开,考虑钻柱内部结构阻尼、外部阻尼、重力、钻井液浮力以及更一般的顶部边界,建立了钻柱4自由度缩减模型.同时,基于井底钻头存在跳钻与扭振的实际工况,在钻头-岩层界面引入了多重再生切削效应,建立了复杂变时滞作用下的钻柱纵扭耦合非线性动力学模型.随后,基于半离散法,得到了该系统的线性派生时滞系统的稳定性判据,并在转速-钻压参数平面得到了稳定钻进的参数包络线.通过参数研究,分析了顶部边界条件、岩层强度等因素对钻柱参数空间稳定性包络线的影响.同时,通过对系统的时域非线性仿真,验证了稳定性分析的正确性并重现了井底钻头的黏滑运动、跳钻、钻头反转等多种强非线性运动.最后,对时滞引起的钻柱自激振动,通过优化的顶部柔顺边界实现了振动抑制,为钻柱纵扭耦合振动的抑制提供一种简单有效的思路. 相似文献
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