The purpose of this thesis is design of in-line a five-cylinder diesel engine arrangement with given main parameters, power train design, balancing centrifugal and inertia moments and calculation of torsion vibrations. The proposed engine must be based on four-cylinder diesel Zetor engine.

The point of the dissertation is to describe the design of powertrain of four-cylinder diesel engine equipped with vibration damper. After estimating the discreet model of powertrain, forced vibration calculation is performed to design appropriate vibration damper. The following part describes the safety factor solution of crankshaft fatigue using FEM. The dissertation provides a useful comparison for versions with and without damper. Crankshaft and viscous type vibration damper drawings are also included as appendices.

The aim of this thesis is to find out the influence of eccentricity of crank mechanism on the duration of the force between the piston and the cylinder liner. At the same time I wanted to find out its influence on the balance of the whole system. It is important to design the balance for the selected value of the eccentricity and subsequently put through the crank shaft to stress analysis with torsional vibrations. I got so interested in this problem that in addition to the whole topic I designed a torsional vibration damper.

The goal is to investigate the influence of eccentricity on the force between the piston and the cylinder liner and the influence on balancing of the crank mechanism. For a selected eccentricity suggest a balancing method and perform stress analysis of crankshaft considering torsional vibration. Eccentricity is chosen by the ratio of centric and eccentric mechanism of friction work. The paper shows the effect of eccentricity on the selected kinematics values. Stress analysis is done in the software ANSYS. Using selected eccentricity the friction work was reduced by 10 %.

[pt] Os custos de uma campanha exploratória, incluindo a perfuração de poços de petróleo estão cada vez mais elevados. As vibrações nas colunas de perfuração estão presentes a todo momento nas operações de perfuração, o que podem ocasionar a quebra destas colunas e do BHA (Bottom Hole Assembly), danos em brocas e demais equipamentos. Além do custo do possível dano e/ou perda destes equipamentos, existem os custos da sonda parada e a despesas operacionais das companhias contratadas, o chamado custo de Stand by, e o mais indesejável, a perda do poço. Fenômenos como Bit Bounce, Stick-Slip e Forward/Backward Whril, que advém das vibrações axiais, torcionais e laterais respectivamente, são motivos de vários estudos. Esta dissertação pretende fazer a validação do modelo matemático de dinâmica torcional utilizado na dissertação de mestrado de CAYRES (2013) para gerar mapas de estabilidade para vibrações torcionais. Nesta dissertação parâmetros reais de uma coluna de perfuração foram inseridos no modelo com objetivo de obter mapas de estabilidade de vibrações torcionais para a perfuração de um poço na Bacia de Solimões. Tais mapas de estabilidade foram gerados a partir deste modelo matemático, que na tese de CAYRES (2013), é baseado em procedimento experimental, com um atrito não linear induzindo o fenômeno stick-slip que está associado às vibrações torcionais. Este fenômeno tem relação entre torque e velocidade angular na broca provocando vibrações indesejáveis na coluna de perfuração. A geração destes mapas permitiu que a análise de sensibilidade e a averiguação da ocorrência ou não de vibrações torcionais fossem feitas, bem como a inserção de valores de WOB (peso sobre a broca) e RPM (velocidade de rotação) de um caso real de perfuração de um poço na Bacia do Solimões. Nesta análise de sensibilidade foram considerados, além dos aspectos acima citados, o tipo de broca e formação geológica, permitindo assim a validação do modelo de CAYRES (2013) e contribuindo para a otimização dos processos operacionais da perfuração de poços de petróleo. / [en] The costs of an exploration campaign, including the drilling of oil wells are increasingly high. The vibrations in the drill strings are present at all times in drilling operations that can cause damage of these drill pipe and BHA (Bottom Hole Assembly), as drill bits and other equipment. Besides the cost of a possible damage or loss of such equipment, there are the costs when the rig is not operating and the expenses of all companies involved in the operations, called the cost of stand by, and the worst case scenario of the undesirable loss of the well. The Phenomena like Bit Bounce, Stick-Slip and Forward/Backward Whril, that arises from axial, torsional and lateral vibrations respectively are the motivation of several studies. This dissertation aims to show the validation of the mathematical modeling of the torsional dynamics used in CAYRES (2013) that generate stability maps for torsional vibrations. In this dissertation real parameters from a drill string were inserted in this mathematical modeling, aiming to obtain stability maps for torsional vibrations during a drilling operation of a well in Solimões Basin. Such stability maps were generated from a dynamic model that in CAYRES (2013) thesis is based on an experimental procedure with a nonlinear friction inducing stick-slip phenomenon associated to torsional vibrations. This phenomenon is related to torque and angular velocity on the bit generating undesirable vibrations. Build stability maps and checking when torsional vibrations happen, and then comparing with a real case of WOB (weight on bit) and RPM (rotary speed) in Solimões Basin. In this sensitivity analysis were considered, besides the aspects mentioned above, the kind of bit and geological formation in order to contribute to the optimization of the oil well drilling operational process.

In this diploma thesis is created a cranktrain model in the MBS system ADAMS Engine. The thesis defines basic parameters and proportions of the torsional damper for in-line 5-cylinder engine. This thesis also puts mind to calculation of torsional vibration. In the MBS system ADAMS Engine is demonstrated affect of torsional damper on the torsional vibration of the crankshaft.

O fenômeno de stick-slip, no processo de perfuração de poços de petróleo, é propiciado pela interação entre broca e formação rochosa e pode dar origem a grandes oscilações na velocidade angular podendo provocar danos irreparáveis ao processo. Neste trabalho, analisa-se o desempenho de leis de controle aplicadas à mesa rotativa (responsável por movimentar a coluna de perfuração), visando à redução de stick-slip e de oscilações da velocidade angular da broca. As leis de controle implementadas são do tipo PI (Proporcional-Integral), com parcelas de torque aplicado à mesa rotativa, proporcional e integral à velocidade da mesa, podendo ser com peso na broca constante ou variável. Para a coluna de perfuração, foi proposto um modelo em elementos finitos com função de forma linear. O torque na broca foi modelado segundo atrito de Coulomb pela forma não regularizada, curva esta ajustada pelos dados empíricos conforme propostas da literatura. Diversos critérios de desempenho foram analisados e foi observado que a minimização do desvio médio da velocidade angular em relação à referência propicia melhores condições de operação. Análises paramétricas dos ganhos de controle proporcional e integral foram realizadas, dando origem a curvas de nível para o desvio médio de velocidade angular na broca. A partir destas curvas, foram definidas regiões de estabilidade nas quais o desvio é aceitável. Estas regiões foram observadas serem maiores para menores pesos na broca e maiores velocidades angulares de referência e vice-versa. A adição do controle do peso na broca permitiu uma redução global dos níveis de desvio médio de velocidade angular, dando origem a um aumento das regiões de estabilidade do processo de perfuração. / The stick-slip phenomenon, in the process of drilling oil wells, due to the interaction between drill and rock formation can lead to large fluctuations in drill-bit angular velocity and, thus, cause irreparable damage to the process. In this work, the performance of control laws applied to the rotary table (responsible for moving the drill string) is analyzed, in order to reduce stick-slip and drill-bit angular velocity oscillations. The control laws implemented are based on a PI (Proportional-Integral) controller, for which the torque applied to the rotating table has components proportional and integral to table angular velocity with constant or variable WOB (Weight On Bit). For the drillstring, a finite element model with a linear interpolation was proposed. The torque on the drill-bit was modeled by a non-regularized Coulomb friction model, with parameters that were adjusted using empirical data proposed in literature. Several performance criteria were analyzed and it was observed that the minimization of the mean deviation of the drill-bit angular velocity relative to the target one would provide the best operating condition. Parametric analyses of proportional and integral control gains were performed, yielding level curves for the mean deviation of drill-bit angular velocity. From these curves, stability regions were defined in which the deviation is acceptable. These regions were observed to be wider for smaller values of WOB and higher values of target angular velocity and vice-versa. The inclusion of a controlled dynamic WOB reduced the levels of mean deviation of angular velocity, leading to improved stability regions for the drilling process.

[pt] Sistemas rotativos atuados através de um eixo flexível apresentam um grande desafio para estratégias de controle, uma vez que o atuador não está conectado diretamente ao sistema principal, causando efeitos de propagação de ondas e acúmulos e dissipações de energia no eixo. Este trabalho apresenta um estudo sobre uma das mais notórias aplicações deste problema, sistemas de perfuração de petróleo. Habitualmente, o sistema de perfuração é composto por um motor de topo conectado à broca através de milhares de metros de tubos de aço que transmitem o toque. Diversos tipos de vibrações podem ser observadas: Axiais, de flexão e torcionais, estas últimas ligadas ao fenomeno stick-slip. Para um completo conhecimento do problema, é necessário conhecer cada uma delas. Esta tese trata especificamente das vibrações torsionais através de uma análise com dois diferentes modelos, um primeiro mais simples de fois graus de liberdade (inércia, mola torcional, amortecedor), e um segundo mais completo discretizado em 20 graus de liberdade capaz de considerar a masssa do eixo e efeitos de propagação de ondas mecânicas no eixo. Este trabalho inclui aidna a construção de uma bancada em escala reduzida para observar os fenômenos associados as vibraçoes torcionais. São apresentados ainda estudos numéricos e experimentais de técnicas de controle de minimizar os efeitos do atrito na dinâmica torcional do sistema. Duas estrututas de controle são estudadas nesta tese a fim de reduzir vibrações torcionais em colunas de perfuração. A primeira é um controle simples, de malha aberta, baseado no comportamento do sistema. A segunda é o controle adaptativo L1, que faz uso de um modelo de refeência do sistema em sua estrutura. / [en] Systems actuated trough a highly flexible shaft poses a big challenge to control strategies as the actuator is not connected directly to the end effector, causing propagation effects as well as an energy accumulation and dissipation in the shaft. This thesis focuses the study of one of the most investigated application of this type, the top driven drilling system used in the oil and gas industry. Usually, the drilling system is composed by a top drive linked to the drill bit trough hundreds or even thousands of meters of steel pipes. All kind of vibrations will be found: longitudinal deformations will be associated to the bit bouncing, flexional with rubbing, and torsional with stick-slip effects. A better understanding is only possible when each of these situations is carefully investigated. This thesis focuses on the torsional deformation of the highly flexible string and presents two different models for the drill string, the first is the most common single spring single damper model. The second one is a 20 DOF Lumped parameters that has the advantage of being able to consider the mass of the drill string and propagation of torsional waves in the shaft. The investigation includes the development of a test rig adequate for torsional vibrations under damping that may induce stick-slip in the system. Two control techniques are studied to reduce the torsional vibrations in drill strings with numerical and experimental results presented. The first is a behavior based open loop scheme control, which is very simple and effective to reduce stick-slip oscillations. The second one is the L1 adaptive control that uses a reference model on its structure.

O fenômeno de stick-slip, no processo de perfuração de poços de petróleo, é propiciado pela interação entre broca e formação rochosa e pode dar origem a grandes oscilações na velocidade angular podendo provocar danos irreparáveis ao processo. Neste trabalho, analisa-se o desempenho de leis de controle aplicadas à mesa rotativa (responsável por movimentar a coluna de perfuração), visando à redução de stick-slip e de oscilações da velocidade angular da broca. As leis de controle implementadas são do tipo PI (Proporcional-Integral), com parcelas de torque aplicado à mesa rotativa, proporcional e integral à velocidade da mesa, podendo ser com peso na broca constante ou variável. Para a coluna de perfuração, foi proposto um modelo em elementos finitos com função de forma linear. O torque na broca foi modelado segundo atrito de Coulomb pela forma não regularizada, curva esta ajustada pelos dados empíricos conforme propostas da literatura. Diversos critérios de desempenho foram analisados e foi observado que a minimização do desvio médio da velocidade angular em relação à referência propicia melhores condições de operação. Análises paramétricas dos ganhos de controle proporcional e integral foram realizadas, dando origem a curvas de nível para o desvio médio de velocidade angular na broca. A partir destas curvas, foram definidas regiões de estabilidade nas quais o desvio é aceitável. Estas regiões foram observadas serem maiores para menores pesos na broca e maiores velocidades angulares de referência e vice-versa. A adição do controle do peso na broca permitiu uma redução global dos níveis de desvio médio de velocidade angular, dando origem a um aumento das regiões de estabilidade do processo de perfuração. / The stick-slip phenomenon, in the process of drilling oil wells, due to the interaction between drill and rock formation can lead to large fluctuations in drill-bit angular velocity and, thus, cause irreparable damage to the process. In this work, the performance of control laws applied to the rotary table (responsible for moving the drill string) is analyzed, in order to reduce stick-slip and drill-bit angular velocity oscillations. The control laws implemented are based on a PI (Proportional-Integral) controller, for which the torque applied to the rotating table has components proportional and integral to table angular velocity with constant or variable WOB (Weight On Bit). For the drillstring, a finite element model with a linear interpolation was proposed. The torque on the drill-bit was modeled by a non-regularized Coulomb friction model, with parameters that were adjusted using empirical data proposed in literature. Several performance criteria were analyzed and it was observed that the minimization of the mean deviation of the drill-bit angular velocity relative to the target one would provide the best operating condition. Parametric analyses of proportional and integral control gains were performed, yielding level curves for the mean deviation of drill-bit angular velocity. From these curves, stability regions were defined in which the deviation is acceptable. These regions were observed to be wider for smaller values of WOB and higher values of target angular velocity and vice-versa. The inclusion of a controlled dynamic WOB reduced the levels of mean deviation of angular velocity, leading to improved stability regions for the drilling process.

The aim of this diploma is to design a crankshaft for a six-cylinder commercial vehicle, which is one of the unified motors. The main parts are the design of the crankshaft configuration, the crankshaft balancing method for forces and moments, the crankshaft design documentation, and the crankshaft strength verification. The design of torsional vibration damping characteristics is also made and its effect on torsional vibration and crankshaft strength is determined.