齿轮齿条钻机起升系统多体动力学建模与分析
齿轮传动系统的动力学与模态分析
齿轮传动系统的动力学与模态分析刘荫荫;熊曼辰【摘要】为了提高齿轮设计的准确性，结合UG软件参数化建模功能，建立齿轮传动三维实体模型。
利用ADAMS软件对齿轮传动系统进行了动力学分析，在高速传动中施加实际传动载荷，得到了齿轮传动系统的振动频率范围和高频率点。
通过 ANSYS Workbench软件对齿轮传动系统和单一齿轮模型进行模态分析，得到齿轮传动系统和齿轮模型的固有频率和振型，通过与动力学分析得到的频率进行对比，验证了齿轮传动系统的设计准确性，从而为今后齿轮的传动分析提供了数据支持，并为传动过程中的故障分析提供了参考。
%To improve the accuracy of the gear design,build three-dimensional solid model of the transmission gear in the parametric modeling module of UG software.Dynamic analysis of gear transmission system by using ADAMS software and actual load applied in high-speed gear transmission were finished,based on the above conditions,the vibration frequency range and high frequency point can be obtained.ANSYS Workbench was used to analyze the modal of gear transmission sys-tem and a single gear and get both the natural frequencies and mode shapes,through comparing the frequency gained by dy-namics analysis,verified the design accuracy of gear transmission system and provided data support for the gear transmission after analysis and a reference for failure analysis in the transmission process.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2014(000)009【总页数】4页(P100-103)【关键词】ADAMS;动力学分析;ANSYS Workbench;模态分析;固有频率【作者】刘荫荫;熊曼辰【作者单位】昆明理工大学机电工程学院，云南昆明 650000;昆明理工大学机电工程学院，云南昆明 650000【正文语种】中文【中图分类】TH132.4渐开线齿轮是一种重要的机械零件，因为齿轮传动的平稳性而在高速传动设置中作为传动装置的核心部分起重要作用。
齿轮齿条传动系统的运动学及动力学仿真分析
文章引用 : 郭畅, 范英杰, 金成哲. 齿轮齿条传动系统的运动学及动力学仿真分析[J]. 机械工程与技术, 2016, 5(3): 265-271. /10.12677/met.2016.53031
郭畅 等
摘
要
齿轮齿条传动是一种应用范围广泛的传动方式，本文针对油脂工业用浸出器的齿轮齿条传动系统进行了 运动学及动力学仿真。首先应用UG软件对齿轮、齿条零件进行了参数化建模，将其模型导入ADAMS平 台中进行了动力学与运动学仿真，运用齿轮传动弹性动力学对仿真结果进行了分析，得出了齿轮齿条副 传动过程中齿条的速度，加速度，齿轮齿条齿面接触力，齿轮所受扭矩以及齿条振动量，并且分析了仿 真数值产生波动的原因。
yt = rb × sin ( t1 ) + rb × rad ( t1 ) × cos ( t1 )
t =1 t1 = t ∗ 90
t 为 UG 的系统参数。
先使用渐开线方程，式(1)、(2)、(3)、(4)和表 1 所示的参数做出齿轮大端的一个齿形，如图 1 所示。 然后用平移、缩放建立小端齿形，之后采用扫掠建立一个完整的齿廓，之后采用圆周阵列，拉伸等命令 做出完整的齿轮。齿轮如下图 2(a)所示。齿条采用的建模方法是，先建立一个齿廓，之后采用阵列，布 尔求和等命令建立一部分齿条。齿条建模结果如图 2(b)所示。 与其配对的齿条的参数如表 2 所示。
dq e = F _ impact MAX 0, K ( q0 − q ) − C × × STEP ( q, q0 − d ,1, q0 , 0 ) d t
仿真条件 齿轮为主动件，输入转速 1 r/100min，将齿轮齿条设置为刚体，在齿条上添加油料产生的阻力 14,900 N，设置仿真时间为 75 s，步数为 1800 步。根据文献[8]的研究设置接触刚度为 15000，阻尼为 10。
机械工程中的多体动力学模拟与分析
机械工程中的多体动力学模拟与分析机械工程是研究运动物体的力学现象和能量变化规律的学科。
在机械工程中，多体动力学模拟与分析是一项重要的技术和方法，用于研究机械系统的运动特性、稳定性和动力学行为。
本文将介绍多体动力学模拟与分析在机械工程中的应用，并以机械传动系统为例详细探讨其原理和方法。
一、多体动力学模拟与分析的意义机械工程领域中往往涉及到多个物体之间的相互作用和运动关系。
例如，机械传动系统中的轴、齿轮、连杆等部件之间存在着复杂的力学关系。
通过多体动力学模拟与分析，可以研究机械系统中各个部件之间的相互作用和力学特性，为设计优化和故障诊断提供理论依据。
二、多体动力学模拟与分析的原理多体动力学模拟与分析是基于力学原理的数值计算方法，通过求解物体的运动方程和力学约束方程，得到系统的运动和力学特性。
其基本原理如下：1. 运动方程的建立：根据物体的几何形状、质量分布和外力，利用力学原理（如牛顿第二定律、角动量守恒定律等），建立物体的运动方程。
2. 力学约束方程的建立：多体系统中，各个物体之间存在着一定的力学约束关系，如轴与轴之间的连接、齿轮齿面的啮合等。
通过建立这些约束方程，可以描述物体之间的运动关系。
3. 根据物体的初值条件和边界条件，求解运动方程和力学约束方程，得到物体的运动轨迹、速度、加速度等运动参数。
三、多体动力学模拟与分析的方法多体动力学模拟与分析的方法非常丰富多样，可以根据具体问题和需求选择合适的方法。
下面以机械传动系统为例，介绍常用的方法：1. 基于牛顿-欧拉方法的刚体多体动力学模拟：该方法将物体视为刚体，通过牛顿-欧拉动力学原理建立物体的运动方程和力学约束方程，通过求解微分方程组得到系统的运动和力学特性。
2. 基于拉格朗日方法的柔体多体动力学模拟：该方法将物体视为柔体，考虑物体的形变和应力分布，通过拉格朗日动力学原理建立物体的运动方程和力学约束方程，进而求解系统的运动和力学特性。
3. 基于有限元方法的多体动力学模拟：该方法将物体离散为有限数量的节点和单元，通过建立节点和单元之间的约束关系和力学方程，将多体动力学问题转化为求解大型代数方程组的问题。
国内外齿条齿轮钻机现状
国内外齿条齿轮钻机现状杨洁;徐勇;蔡俊;万文妮【摘要】齿条齿轮钻机作为一种新型钻机,由于在下钻过程中具有主动给钻头施压的特点,在浅层油气藏及水平井开发上得以应用.文中通过对齿条齿轮钻机的定义进行介绍,结合国内外齿条齿轮钻机的发展技术及研究现状,详细归纳了国内外齿条齿轮钻机的设计特点及参数,并对齿条齿轮钻机的发展趋势作出分析,为今后研发齿条齿轮钻机提供设计基础及相关的实验数据.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】3页(P39-41)【关键词】齿条齿轮钻机;起升系统;现状;发展趋势【作者】杨洁;徐勇;蔡俊;万文妮【作者单位】长江大学机械工程学院,湖北荆州434023;长江大学机械工程学院,湖北荆州434023;长江大学机械工程学院,湖北荆州434023;长江大学机械工程学院,湖北荆州434023【正文语种】中文【中图分类】TE9220 引言常规钻机是利用绞车、钢丝绳、天车、游车等组成的起升系统带动大钩或者顶部驱动装置对管柱进行起升、下放作业。
由于在下钻过程中不能主动提供钻压，因此对水平井及浅层油气藏进行作业时需要钻垂直井眼，通过垂直段的钻柱重量为钻头提供钻压，而齿条齿轮钻机却能较好地解决上述问题。
自20世纪90年代以后，为了加大油气井的开采力度，开采老油田剩余井、水平井分支开采、产层多目标开发等方法都得到了广泛的应用。
因此需要大力发展水平井、定向井以及大位移井的开采技术。
多功能齿条齿轮钻机的研发成功以及相应技术的不断革新提高了水平井及大位移井的开采效率，解决了水平井开采过程中的轨迹控制、钻压施加以及定向控制等难题。
图1 VR-500液压齿条齿轮钻机图2 Finder 250T动力头装置图3 Finder 250T起升系统1 齿条齿轮钻机定义齿条齿轮钻机是利用齿轮齿条在竖直方向上的运动带动顶部驱动装置进行钻井作业。
齿条齿轮钻机与常规钻机最大的区别在于起升系统的组成。
机械传动系统动力学建模与分析
机械传动系统动力学建模与分析在现代工业中，机械传动系统扮演着至关重要的角色。
它们将电动机、发动机或其他动力源的转动传递到机械装置或机器人等设备中，使它们能够正常运行。
为了更好地理解和控制机械传动系统的运动行为，我们需要进行动力学建模与分析。
动力学建模是指根据机械传动系统的物理特性以及相关方程，推导出系统的动力学方程和状态方程。
通过对这些方程的求解，我们可以得到系统运动过程中的速度、加速度等动态参数。
这对于设计和优化机械传动系统非常重要。
首先，我们需要确定系统的结构特点和运动轨迹。
比如，在研究一台车辆的传动系统时，我们需要考虑车辆的几何形态以及车轮和传动轴之间的位置关系。
然后，我们可以利用拉格朗日方程或牛顿第二定律等物理原理，建立系统的动力学方程。
通过对方程的变量整理和求解，我们可以得到系统的运动学和动力学特性。
在建模过程中，我们需要考虑各种机械元件的物理特性。
例如，对于传动轴，我们需要考虑其质量、惯性矩和刚度等参数。
对于轴承和齿轮等机械元件，我们还需要考虑它们的摩擦和损耗等因素。
所有这些因素都会对系统的运动行为产生影响，因此我们需要将它们纳入到建模分析中。
一旦我们建立了系统的动力学模型，接下来就可以进行分析。
通过对模型进行仿真可以得到系统的运动轨迹和动态参数。
这有助于我们了解系统在不同工况下的性能表现。
同时，分析模型还可以帮助我们发现系统中存在的问题，并进行优化。
机械传动系统动力学建模与分析的应用非常广泛。
例如，在机器人领域，我们可以通过建模和分析来改善机器人的运动精度和控制性能。
在汽车工程中，我们可以通过建模和分析来提高车辆的驾驶稳定性和燃油经济性。
在航空航天领域，我们可以通过建模与分析来改善飞行器的操纵性和飞行安全性。
总之，机械传动系统动力学建模与分析是一项重要的工作，它可以帮助我们更好地理解和控制机械传动系统的运动行为。
通过建立系统的动力学方程和状态方程，并对其进行分析，我们可以得到系统的运动轨迹和动态参数。
机械传动系统动力学建模与优化
机械传动系统动力学建模与优化引言：机械传动系统在现代工程中扮演着至关重要的角色。
它们将驱动能量从一个部件传递到另一个部件，以实现所需的工作。
在机械设计中，传动系统的动力学行为是非常重要的，它直接影响到整个系统的性能和可靠性。
因此，了解机械传动系统的动力学特性，进行精确的建模与优化变得非常关键。
一、机械传动系统的基本原理机械传动系统通常由两个或多个部件组成，例如齿轮、皮带、链条等。
这些部件通过相互接触或连接，将动力从一个部件传递到另一个部件。
其中，齿轮传动是最常见的一种机械传动方式。
它利用齿轮的齿面相互啮合，通过齿轮的转动来传递动力。
二、机械传动系统的动力学建模为了描述机械传动系统的动力学行为，我们需要建立数学模型。
一般来说，机械传动系统可以用多体动力学和运动学方程来描述。
多体动力学方程描述了各个部件之间的相互作用力和运动状态，而运动学方程描述了部件之间的运动关系。
在建立机械传动系统的动力学模型时，要考虑以下几个关键因素：1. 部件的质量和惯性：部件的质量和惯性会影响系统的响应速度和稳定性，因此在建模时需要将其纳入考虑。
2. 摩擦和接触力：摩擦和接触力是机械传动系统中不可忽视的因素，它们会影响系统的能量损耗和效率。
3. 力矩和驱动力：力矩和驱动力是机械传动系统中的输入，它们决定了动力的传递效果。
4. 部件之间的相对运动：理解部件之间的相对运动是建立动力学模型的关键，它会直接影响系统的输出。
基于以上几个关键因素，我们可以利用拉格朗日动力学或牛顿-欧拉动力学方法建立机械传动系统的数学模型。
通过求解这些动力学方程，我们可以得到系统的运动学和动力学响应，进而评估系统的性能和可靠性。
三、机械传动系统的优化在机械传动系统设计中，优化是不可或缺的一部分。
通过优化，我们可以找到最佳的设计参数和工作条件，以实现系统的最佳性能和效率。
以下是一些常见的优化方法和技术：1. 多目标优化：机械传动系统通常有多个性能指标需要优化，例如功率传递效率、响应速度等。
机械传动系统动力学建模与分析
机械传动系统动力学建模与分析机械传动系统在工程领域中起到至关重要的作用，它们可以将动力从一个部件传递到另一个部件，实现各种机械设备的正常运转。
然而，在设计机械传动系统时，如何准确地建立数学模型以及分析其动力学性能一直是一个挑战。
本文将讨论机械传动系统的动力学建模与分析方法，旨在为工程师们提供一些有用的知识和指导。
首先，我们需要了解机械传动系统的基本组成部分。
通常，机械传动系统由几个主要元素组成，包括齿轮、皮带、链条等。
这些元素之间通过摩擦、接触等力学相互作用来传递力和运动。
因此，建立机械传动系统的动力学模型需要考虑到这些力学因素。
其次，我们可以借助数学方法来建立机械传动系统的动力学模型。
最常用的方法之一是通过拉格朗日方程建立模型。
拉格朗日方程是一种描述系统动力学行为的数学工具，它可以将系统的动力学行为转化为一个以自由度为变量的函数，通过对该函数进行最小作用量原理的变分求解，可以得到系统的运动方程。
在建立机械传动系统的动力学模型时，我们需要考虑到各个组成部分之间的相互作用。
例如，在建立齿轮传动系统的模型时，需要考虑到齿轮之间的接触、齿轮与轴之间的摩擦等力学因素。
通过考虑这些因素，我们可以更准确地描述机械传动系统的动力学行为。
一旦建立了机械传动系统的动力学模型，我们可以利用数值计算方法对其进行分析。
最常用的数值计算方法之一是有限元法。
有限元法是一种数值计算方法，通过将连续的系统离散化为有限个子区域，然后在每个子区域内建立局部的方程组，最后通过求解这些局部方程组得到整个系统的解。
除了数值计算方法，我们还可以借助仿真技术对机械传动系统进行动力学分析。
仿真技术是一种模拟系统行为的方法，通过构建系统的数学模型，并利用计算机软件进行模拟计算，可以获得系统在不同条件下的动力学行为。
这种方法可以帮助我们更好地理解机械传动系统的工作原理，并对系统进行优化设计。
总之，机械传动系统的动力学建模与分析是一个复杂而有挑战性的问题。
多体系统的机械系统动力学建模与分析
多体系统的机械系统动力学建模与分析在现代工程领域中，对机械系统的精确分析和设计至关重要。
多体系统作为复杂机械系统的典型代表，其动力学特性的研究对于提高系统性能、优化设计以及保障运行安全具有重要意义。
多体系统是由多个相互连接的物体组成，这些物体之间存在着复杂的运动学和动力学关系。
要对这样的系统进行建模和分析，首先需要明确其构成要素和基本概念。
在多体系统中，每个物体都具有一定的质量、惯性和几何形状。
它们通过各种关节和约束相互连接，例如铰链、滑动副、球铰等。
这些连接方式决定了物体之间的相对运动自由度。
同时，外部力和力矩的作用也会影响系统的运动状态。
建模是研究多体系统动力学的基础。
常见的建模方法包括拉格朗日方程法和牛顿欧拉法。
拉格朗日方程法通过定义系统的广义坐标和动能、势能，来建立系统的运动方程。
这种方法在处理具有约束的系统时具有很大的优势。
牛顿欧拉法则从力和力矩的平衡关系出发，分别对每个物体进行分析，然后通过连接条件构建整个系统的方程。
以一个简单的机械臂为例，假设机械臂由多个连杆通过关节连接而成。
我们可以选择每个连杆的转角作为广义坐标，然后根据连杆的质量、长度和转动惯量，计算出系统的动能和势能。
再考虑关节处的驱动力矩和外部负载，利用拉格朗日方程就能得到机械臂的运动方程。
然而，实际的多体系统往往更加复杂，可能包含柔性部件、接触碰撞等现象。
对于柔性多体系统，需要考虑部件的变形和振动，通常采用有限元方法将柔性部件离散化，并与刚体部分进行耦合建模。
而在处理接触碰撞问题时，则需要引入碰撞模型和接触力算法，以准确描述碰撞过程中的能量损失和动量交换。
在建模完成后，接下来就是对模型进行分析。
分析的主要目的是了解系统的运动特性，例如位移、速度、加速度、力和力矩等随时间的变化规律。
这有助于评估系统的性能、预测可能出现的问题，并为设计优化提供依据。
通过数值求解运动方程，可以得到系统在不同初始条件和外部激励下的响应。
常用的数值方法有龙格库塔法、Adams 法等。
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ｍｉｒｆｈｎ ・ ｒ ａ：ｎｓ ＠ ｃ ｏ ｌｅｕ ｅ ｏ ｎ
齿 轮齿 条 钻 机 的井 架 是 支 撑 钻 机 起 升 系 统 的
２ ０期
任福深 ， ： 等 齿轮齿条钻机起升系统多体动力学建模 与分析
图 ３ 井 架 模 型
质量 ， 为 井架 的高度 ， 井架数 值方 向上 的微元 长 取 度为 ， 架顶 端 在 竖 直方 向上 的位 移 为 Ｙ 井 。由于 齿轮 齿条 钻机作 业 时 ， 荷作 用 点 是 沿 着 钻机 上 下 载 移动 的 ， 里按 照影 响最 大 的钻 机 顶 部作 用 点 来 分 这 析顶 驱升 降 系统 对 井 架 位 移 的影 响。 对 于 该 模 型
齿条 钻机利 用齿 轮 齿条 的 啮合 运动 ， 驱动 顶 驱 上 下
轮被 固定 同一 主体 板 上 ， 置 相 对 固定 ， 每 一 个 位 且 液压 马达对 应一 个 齿 轮 ， 条 固定 在 井架 上 。当 马 齿 达工 作时 ， 动 齿 轮 沿 着 与齿 条 啮合 的 方 向 ， 对 驱 相
平稳 地 向上 或 者 向下 运 动 。特 殊 顶 驱 相 对 于 齿 轮 的位 置 固定 ， 随着 齿 轮 的 上下 运 动 ， 驱 也 上 下 运 顶
运动 ， 因此 既 能 对 钻 柱 提 供 上 拉 力 又 能 提 供 下 压 力， 能够 更好 地进 行 钻压 控 制 ， 现 套 管钻 井 、 水 实 长
图 １ 齿轮齿条钻机简 图
１ 一井架 ，一特殊 顶驱 ，一齿条 ； ２ ３ ４ 一钻杆 ，一送 管机构 ，一车载底座 ５ ６
的速度 ， 且逐渐趋于平稳钻进 。 关键词 齿轮齿条钻机 多体动力学 拉格 朗 日方程 能量 法 虚拟样机
中图法分类号
Ｔ ９２ Ｅ２ ；
文献标 志码
Ａ
常规石 油钻机 只能 施 加 向上 的提 升力 ， 能 主 不
带 动顶驱 升 降运 动 来 实 现 钻 、 井 作 业 ， 构 原 理 修 结
第１ ２卷
第２ ０期 ２ １ ７月 ０ ２年科学技 Nhomakorabea术
与
工
程
Ｖｏ． ２ Ｎ ． ０ Ｊ １ ０ ２ １ １ ｏ ２ ｕ ．２ １
１ ７ — １ １ ２ １ ） ０ ４ ９ －４ ６ １ ８ ５（ ０ ２ ２ — ８ ６ ０
Ｓ ｉ ｎ ｅ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｎ ｉ ｅ ｒ ｇ ｃ ｅ ｃ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ａ ｄ Ｅ ｇ ｎ ｅｉ ｎ
— —
３ 起升系统数学建模与仿真
３ １ 井架 等效 数学模 型 ．
２１年４ ０２ 月５日 收到
第一作者简介： 任福深（９６ ）男， １ － ， 辽宁辽阳 副教授， ７ 人， 工学博 士。研究方向： 石油钻井、 修井装备设计理论及工 器人技术。 － 业机 Ｅ
载荷 作 用 下 ， 果 井 架 在 竖 直 方 向上 位 移 较 如
⑥
２ １ ＳｉＴ ｃ． ｎｒ． ０２ ｃ． ｅｈ Ｅ ｇｇ
齿轮齿条钻机起升系统多体动力学建模与分析
任福深 马若 虚
（ 东北石油大学 机械科学与工程学院 ， 大庆 １３ １ ） ６ ３８
摘
要
齿轮齿条钻机可 以利用齿条齿轮技术 带动顶部驱 动装 置直接起 下钻具 ， 目前 国内较 为先进 的新型石 油钻 机。建 是
的正确 性 ， 为该类 型 钻机 的进 一 步研 究 提 供 了一 定 的理论 依据 。
业 ］ 。正 常工 作 时 ， 可启 用 其 中两 个 马达 ， 理 卡 处 钻事故 时 ， 提 供 足 够 的举 升 力 可 同 时 开 启 四个 为
马 达
１ 齿轮 齿条钻 机工作原理
齿轮齿条钻 机采用齿轮齿条 啮合 的传 动方式
动， 由此齿 轮齿 条钻 机完成 钻井 作业 。
平井段钻井 ， 以及不压井作业等任务。与传统石油
钻 机相 比 ， 轮 齿 条 钻 机 的零 部 件 较 少 ， 再 需 要 齿 不
２ 起升系统结构设计
齿 轮齿 条 钻 机 的起 升 系统 包 括 齿 条 、 轮 、 齿 井 架 以及特殊 的顶 驱 结 构 ， 结构 简 图如 图 ２所 示 。齿
如图 １ 示 。齿 轮齿 条钻 机结构 上 ， 驱 、 所 顶 马达 和齿
动 施加 钻压 。为避 免 下 钻难 和下 套 管难 的 问题 ， 进 行 水平 、 向 井 钻 井 作 业 ， 要 先 钻 一 定 深 度 的垂 定 需 直井 眼 ， 用钻 柱 的重 力 给 钻 头施 加 钻 压 。如 果没 利 有足 够 的钻 压 ， 平段 的钻 进 长度 也 会 受 限 。齿 轮 水
立 了井架 的等效模型和起升系统的等效模 型， 利用能量法 ， 建立拉格 朗 日方程， 齿轮齿条钻 机 的起 升系统进 行 多体 动力学 对
分析。利用 Ａ Ａ Ｄ ＭＳ建 立虚拟样机 ， 对数学模 型的分析结果进行验证 。由于井架 刚度 很大 ， 研究齿轮 齿条钻机 起升 系统的 动
力 学特 性时， 可忽略其柔性的影响。考 虑钻柱运 动所 受阻尼作用 ， 开钻初 始 时刻钻 头有较 为明显 的振 动， 不影响 向下钻进 但
轮齿 条钻 机 的齿 条 固定 在 井 架上 ， 力头 起 升 装 置 动 上 的液 压 马 达 驱 动 小 齿 轮 沿 齿 条 在 井 架 上 、 运 下 动， 从而带 动 特 殊 顶 驱 的上 、 运 动 来 完 成 钻 井 作 下
配置 绞 车 、 吊系 统 、 丝 绳 、 条 、 头 等 部 件 。 游 钢 链 猫 因此 ， 从动 力 模 式 、 构 形 式 及 钻 机 工 艺 参 数 都 与 结 传统 的 钻 机有 所 区 别 ¨ 。本 文 采 用 能量 法 建 立 了 ｊ 齿轮 齿条 钻机 的起 升 系统 的数 学 建模 ， 采用 理 论 分 析 和基 于 Ａ ＭＡ Ｄ Ｓ软件联 合 仿 真 的方法 证 明了结 论