随着世界经济对能源依赖越来越大,油气资源作为一种战略资源,对国家安全有着举足轻重的影响,深井、超深井钻探技术的研究受到人们的关注。近年来我国钻井工程中遇到了深井高研磨性地层钻速慢的难题,为钻井装备与技术方面的研究提出了更高要求。随着井下动力钻具在深井钻进中的广泛应用,螺杆钻具遇到了抗温性能差、可修复性差、高转速时扭矩小、工作性能受存放时间影响大等技术问题。涡轮钻具由于其没有橡胶件,在井下使用性能相对比较稳定,输出性能不受存放时间长短的影响,可修复性好,寿命长,在深井应用的优势逐渐凸显。为涡轮钻具匹配减速传动装置实现涡轮钻具的降速增扭,可以增强涡轮钻具与钻头的匹配性。经过多年的研究与积累,国内外学者们在井下减速传动方面的研究已取得了丰硕的成果,但由于井下减速器受深井钻井工况改变的影响以及减速装置原材料质量、机加工水平、装配工艺等方面的限制,现有的涡轮钻具减速装置出现了齿轮模数小、轮齿抗弯强度不足、惯性力不易平衡、传动效率低等弊端,现场应用较少。本文结合国内外深井难钻地层钻进对涡轮钻具降速增扭性能的需求,开展了涡轮钻具减速传动装置的研究,提出了将圆柱正弦活齿传动应用于涡轮钻具钻井的创新构思,本文研究的与涡轮钻具配用的圆柱正弦活齿减速传动能在径向尺寸受限、传动效率要求较高的深井钻采工作条件下,充分发挥井下圆柱正弦活齿传动结构紧凑、啮合刚性较高、承载能力强、传动效率高、径向尺寸小和传动比范围广等优势,既可增强钻具与钻头的匹配性,又可以灵活地应用到径向空间受限的环境,满足深层钻井工作条件需要,有效提高钻速。本文采用理论解析、计算机数值分析、有限元分析及试验验证相结合的方法,从涡轮钻具圆柱正弦活齿传动的啮合原理、接触应力、弹性趋近量、动力特性分析和样机试验5个方面进行研究,主要完成了如下几个方面的研究工作:(1)涡轮钻具圆柱正弦活齿减速传动啮合原理研究研究了涡轮钻具圆柱正弦活齿减速传动啮合原理,分析了活齿传动的运动过程,在该新型涡轮钻具活齿减速传动系统中,涡轮动力钻具输出端与圆柱正弦活齿减速器输入轴相连,活齿在输入轴外正弦轨道和壳体内正弦轨道之间啮合传动,驱动活齿架,从而实现将输入轴的高转速低扭矩转换为与活齿架相连的输出轴的低转速高扭矩;对涡轮钻具圆柱正弦活齿减速传动机构尺寸综合、连续运动的条件及布齿规律进行了研究,计算了该机构的自由度和传动比,合理确定了输入轴正弦滚道周期数、壳体正弦滚道周期数和输入轴与活齿架的转向,完成了该减速传动装置的结构设计;推导了涡轮钻具圆柱正弦活齿传动理论齿面方程函数,利用MATLAB软件对齿面方程进行了数值仿真,为齿面加工、齿面接触分析、齿面误差测量以及有限元分析等方面的研究提供了理论基础。(2)涡轮钻具圆柱正弦活齿减速传动接触应力研究根据涡轮钻具圆柱正弦活齿传动系统的结构特点,建立了圆柱正弦活齿传动的空间力学模型,引入变形协调方程及几何方程对其进行了力学分析,采用MATLAB软件求解了活齿接触力数值解;构建了圆柱正弦活齿减速传动接触特性分析的数学模型,确定了啮合副接触力的主要影响因素,考虑涡轮钻具圆柱正弦活齿传动结构及应满足的传动比、连续传动条件及加工装配要求,确定了各影响因素的水平,采用正交试验分析方法研究了圆柱正弦活齿传动的主要结构参数对接触应力的影响规律,通过极差分析得到了主要结构参数对啮合副最大接触应力影响的灵敏度,确定了以最大接触应力最小为目标时各影响因素参数的最优方案;利用有限元数值模拟的方法求解了各啮合副接触应力,分析了理论计算结果与有限元计算结果具有吻合性,为涡轮钻具圆柱正弦活齿传动相关结构参数的确定及疲劳分析提供了理论依据。(3)涡轮钻具圆柱正弦活齿减速传动弹性趋近量研究在涡轮钻具圆柱正弦活齿传动受力分析的基础上,根据赫兹接触理论和接触力影响因素分析,研究了涡轮钻具圆柱正弦活齿传动在工作过程中活齿与输入轴、活齿架及壳体之间啮合时产生的接触变形及相互接触的零部件之间在载荷作用前后各啮合处的空间弹性趋近量的变化规律,分析了各影响因素对各啮合副弹性趋近量的影响程度,给出了以最大弹性趋近量最小为目标的最优方案组合,完成了涡轮钻具圆柱正弦活齿传动弹性趋近量的有限元分析,分析了理论计算结果与有限元计算结果的一致性,得到了啮合副处于不同位置时的弹性趋近量及其周期性分布规律,为圆柱正弦活齿传动整个系统的传动性能、润滑性能、工作寿命及工作可靠性等问题的研究提供了研究的基础。(4)涡轮钻具圆柱正弦活齿减速传动动力特性研究构建了基于等效质量法的涡轮钻具圆柱正弦活齿传动系统动力学分析模型。依据各啮合副的几何关系及传动机构中各部分的扭转刚度及动力学模型分析了各啮合副刚度矩阵,从多自由度时变振动系统刚度矩阵出发,对涡轮钻具圆柱正弦活齿传动啮合副的等效扭转刚度及其整体扭转刚度矩阵进行了分析,利用总体刚度矩阵组装法将动力学模型中各单刚矩阵进行组合,建立了系统整体扭转刚度矩阵。采用MATLAB程序计算了圆柱正弦活齿传动扭转系统的固有频率,分析了该活齿传动各啮合副等效扭转刚度及系统固有频率的周期性变化规律,在此基础上采用有限元法对涡轮钻具圆柱正弦活齿传动主要零件进行了模态分析。(5)完成样机加工制造及装配并利用样机开展其原理性实验在涡轮钻具圆柱正弦活齿传动的啮合原理、接触应力、弹性趋近量及动力特性等理论内容研究的基础上,根据涡轮钻具减速传动的实际工作要求,完成了涡轮钻具圆柱正弦活齿传动装置的样机设计,并进行加工制造及装配,利用样机开展了传动比验证及传动效率测试的原理性实验,对实验数据结果进行了分析,为其推广应用提供理论及技术支撑。