旋挖鉆機(jī)鉆桿減振器設(shè)計(jì)與減振試驗(yàn)

徐信芯， 焦生杰， 陳以田， 成建聯(lián)

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安　710064； 2.徐工基礎(chǔ)工程有限公司，江蘇徐州　221004)

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旋挖鉆機(jī)鉆桿減振器設(shè)計(jì)與減振試驗(yàn)

徐信芯1， 焦生杰1， 陳以田2， 成建聯(lián)1

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安710064； 2.徐工基礎(chǔ)工程有限公司，江蘇徐州221004)

摘要：為有效控制、減弱旋挖鉆機(jī)鉆桿振動(dòng)，基于吸振原理設(shè)計(jì)旋挖鉆機(jī)鉆桿減振器；據(jù)鉆桿振動(dòng)特點(diǎn)建立鉆桿-減振器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并仿真驗(yàn)證減振器減振效果；建立旋挖鉆機(jī)鉆桿減振系統(tǒng)對(duì)減振器減振效果進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，鉆桿安裝減振器后振幅明顯降低，減振作用顯著。

關(guān)鍵詞：旋挖鉆機(jī)；鉆桿振動(dòng)；吸振原理；減振器；試驗(yàn)研究

旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭對(duì)巖石等地層的切削作用會(huì)致鉆桿劇烈振動(dòng)[1]。韓春杰等[2]通過(guò)力學(xué)分析知，接近孔底一段鉆桿橫向振動(dòng)異常突出，較易使鉆桿產(chǎn)生振動(dòng)裂紋，甚至引起斷裂造成嚴(yán)重的成孔質(zhì)量事故。因此，采取有效減振措施，對(duì)延長(zhǎng)鉆桿使用壽命、提高施工效率具有重要意義。

減振主要包括抑制、隔離兩種[3]。抑制振動(dòng)主要通過(guò)改變工作參數(shù)或施工要求實(shí)現(xiàn)。而鉆桿施工受諸多外界因素影響，如巖層多樣性、泥漿性質(zhì)多變性等，較難達(dá)到良好的減振目的。因此對(duì)旋挖鉆機(jī)鉆桿減振多用隔振方法，即隔振、吸振。隔振主要在激振系統(tǒng)與研究系統(tǒng)間加入中間環(huán)節(jié)，使振源激勵(lì)通過(guò)中間環(huán)節(jié)傳遞至待減振系統(tǒng)。中間環(huán)節(jié)通常為剛度較小的彈性元件；吸振主要在系統(tǒng)上附加較小質(zhì)量的彈性子系統(tǒng)。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)受振源激勵(lì)時(shí)，主系統(tǒng)與附加子系統(tǒng)產(chǎn)生同頻率響應(yīng)，而振源激勵(lì)能量主要由附加子系統(tǒng)吸收，從而減小對(duì)主系統(tǒng)影響作用，達(dá)到降低振動(dòng)之目的。

為此，夏宏南等[4]設(shè)計(jì)出泥漿壓差式鉆桿減振器，將泥漿作為減振元件，吸收鉆桿鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊能量，減振效果較好。王朝晉[5]認(rèn)為減振器減振效果主要取決于激振頻率與減振器剛度。王希勇等[6]以可壓縮性硅油體積變形減振為主，研制出適合氣體鉆井的減振器，仿真結(jié)果表明，安裝減振器后能減低鉆具受沖擊作用的應(yīng)力水平。Mitchell等[7]研制的鉆井振動(dòng)阻尼系統(tǒng)為帶裝滿磁流變液的減振器接頭，在磁場(chǎng)作用下磁流變液自動(dòng)增加粘度，從而有效降低鉆井的阻尼振動(dòng)。魏文忠[8]設(shè)計(jì)的集鉆桿減振與鉆井液增壓為一體的鉆桿減振增壓裝置，利用鉆桿振動(dòng)能量作為鉆井液增壓能量來(lái)源，實(shí)現(xiàn)井底增壓及鉆桿減振目的。崔之健[9]基于行波法建立鉆柱減振模型表明，設(shè)計(jì)的減振器在中高頻脈沖力作用下減振效果較好。Gendelman等[10]基于吸振原理設(shè)計(jì)非線性減振器，從理論上研究周期性外力激勵(lì)作用時(shí)減振器對(duì)振動(dòng)能量的耗散。Starosvestsky等[11]研究在準(zhǔn)周期隨機(jī)外力激勵(lì)作用時(shí)吸振器對(duì)振動(dòng)能量的耗散。以上對(duì)減振器的理論研究較多而實(shí)驗(yàn)研究較少，且此種減振器不能直接用于旋挖鉆機(jī)鉆桿減振。

基于此，本文以吸振原理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出用于旋挖鉆機(jī)鉆桿的減振器，并利用動(dòng)力學(xué)分析從理論上驗(yàn)證其減振效果。

1旋挖鉆機(jī)鉆桿減振器結(jié)構(gòu)

圖1　旋挖鉆機(jī)鉆桿全伸出的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of full trail drillstring

鉆桿作為旋挖鉆機(jī)傳輸動(dòng)力的重要裝置，是連接動(dòng)力頭與鉆頭的橋梁。旋挖鉆機(jī)采用伸縮鉆桿，一般由4～6節(jié)桿組成，5節(jié)鉆桿全伸出的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。旋挖鉆機(jī)鉆桿通常由直徑大小不等的多節(jié)無(wú)縫圓鋼管套裝組成，在每節(jié)圓鋼管外圓上按120°均布焊接通長(zhǎng)外鍵，主要傳遞扭矩、加壓力；除最里邊一節(jié)桿外每節(jié)桿下部(長(zhǎng)500～1 000 mm)鋼管內(nèi)圓弧面焊接(或安裝)內(nèi)鍵(長(zhǎng)500～900 mm)，以便傳遞扭矩及加壓力、完成與相鄰內(nèi)桿鋼管的徑向定位。3個(gè)內(nèi)鍵槽成120°均勻分布，與其相鄰內(nèi)桿外鍵配裝，留出足夠間隙，使外鍵能在內(nèi)鍵槽內(nèi)全長(zhǎng)自由收縮滑動(dòng)。除1桿外每節(jié)桿上端均焊接擋環(huán)，防止外桿向下伸出時(shí)滑落。

旋挖鉆機(jī)鉆桿為多節(jié)套管結(jié)構(gòu)，每?jī)晒?jié)桿間隙僅20 mm，且相對(duì)運(yùn)動(dòng)頻繁，因此在鉆桿內(nèi)部無(wú)法安裝減振器；鉆桿振動(dòng)源頭主要源自鉆頭對(duì)巖石等地層的切削作用，考慮減振器安裝空間及安裝后加工操作方便等，將減振器安裝于鉆頭內(nèi)部空間，并箱體封裝，見圖2。本文設(shè)計(jì)的鉆桿減振器結(jié)構(gòu)見圖3。減振器裝置主要由兩非線性彈簧3，質(zhì)量塊7，擋板調(diào)節(jié)裝置2及粘性阻尼硅油5組成。通過(guò)螺栓10將支座6與待減振結(jié)構(gòu)9固定連接，通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)裝置2高度，使下端與質(zhì)量塊7間有間隙。質(zhì)量塊7與導(dǎo)柱8滑動(dòng)連接并與兩非線性彈簧3固定連接。4為密封箱體，內(nèi)部有硅油5。凸耳1主要連接多個(gè)減振器本體實(shí)現(xiàn)聯(lián)合減振。

圖2　減振器安裝位置Fig.2 Mounting position of the drillstring absorber

圖3　減振器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 The structure of the drillstring absorber

減振結(jié)構(gòu)9產(chǎn)生沖擊振動(dòng)時(shí)通過(guò)連接支座6傳遞到箱體4，進(jìn)而傳給兩非線性彈簧3，此時(shí)部分振動(dòng)能量被耗散；由于質(zhì)量塊7在振動(dòng)中與調(diào)節(jié)裝置2發(fā)生碰撞，部分振動(dòng)能量在碰撞中消耗；同時(shí)振動(dòng)通過(guò)箱體4引起硅油5晃動(dòng)，將部分振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?；由于質(zhì)量塊7的上下運(yùn)動(dòng)會(huì)攪動(dòng)硅油5，利用5對(duì)7產(chǎn)生的阻尼作用消耗能量。經(jīng)能量轉(zhuǎn)移、耗散，待減振結(jié)構(gòu)件9的振動(dòng)有效減弱[12]。

2減振器減振性能理論分析

將鉆桿簡(jiǎn)化為質(zhì)量M、長(zhǎng)度L、黏性阻尼C1的梁。在x=d(到桿左邊夾緊處距離)處連接質(zhì)量mt、立方非線性剛度常數(shù)K、黏性阻尼系數(shù)C2的減振器，使桿與不接地、輕質(zhì)量(0≤ε?1,ε=mt/M)的附加裝置連接，見圖4。

圖4　帶減振器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型Fig.4 Dynamics model of the system with shock absorber

減振器輕質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較重要，因?qū)嶋H工程應(yīng)用中，輕質(zhì)量減振器不會(huì)明顯增加原結(jié)構(gòu)質(zhì)量，整體結(jié)構(gòu)參數(shù)不會(huì)大程度改變。設(shè)桿的左邊界固定，在x=a0(到桿左邊夾緊處距離)處作用沖擊力F(t)，且整個(gè)系統(tǒng)初值為零。因此，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制方程為

EIyxxxx(x,t)+C1yt(x,t)+mytt(x,t)+

{K[y(d,t)-v(t)]3+C2[yt(d,t)-

(1)

式中：E為楊氏模量；I為當(dāng)前截面轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；m=M/L為梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度質(zhì)量；y(x,t)為桿位移；v(t)為減振器位移。

偏微分法簡(jiǎn)記為(·)xx≡?2(·)/?x2,(·)t≡?(·)/?t,…。當(dāng)僅考慮簡(jiǎn)支梁標(biāo)準(zhǔn)模型，在無(wú)阻尼及外部沖擊載荷作用、無(wú)附帶減振器時(shí)，梁的振型及固有頻率可表示為

(2)

式中：φr(x)，wr分別為梁的振型及固有頻率。

基本特征方程需滿足模態(tài)方程及標(biāo)準(zhǔn)正交性條件，即

(3)

式中：δij為Kronecker函數(shù)。

對(duì)阻尼梁與減振器組合系統(tǒng)而言，通過(guò)模擬空間函數(shù)中偏微分方程計(jì)算瞬態(tài)響應(yīng)，此組空間函數(shù)由式(3)的完整正交基確定。為模擬式(3)描述的標(biāo)準(zhǔn)正交模型在無(wú)限維數(shù)的動(dòng)態(tài)情形，梁的橫向位移函數(shù)y(x,t)用表示為

(4)

將式(4)代入式(1)，并乘以任意模型函數(shù)φp(x)，對(duì)x在0～L間積分，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模型強(qiáng)制滿足正交條件(式(3))，化簡(jiǎn)得微分方程為

式中：ap(t),(p=1,2,…)為模態(tài)振幅。

設(shè)沖擊激勵(lì)為半正弦沖擊，即

F(t)=Asin(2πt/T), (0≤t≤T/2)0, (t>T/2){

(6)

為更好描述減振器的減振效果，用減振器瞬時(shí)能量吸收率衡量，表達(dá)式為

ENES(t)=

(7)

設(shè)系統(tǒng)初始狀態(tài)靜止，參數(shù)為：L=1.0，a0=0.3，t=150，A=10，T=0.4π，EI=1.0，EI=1.0，m=1.0，ε1=0.1，C1=C2=0.05。數(shù)值模擬中取式(5)的有限項(xiàng)，等同于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型有限個(gè)正交基進(jìn)行近似模擬。通過(guò)收斂性研究確定準(zhǔn)確數(shù)值模擬所需空間維數(shù)。d=0.9時(shí)在不同模態(tài)下減振器瞬時(shí)能量吸收率與減振器剛度變化趨勢(shì)見圖5。由圖5看出，N=5時(shí)收斂結(jié)果滿足截?cái)嗄Ｐ徒Y(jié)果，因此取截?cái)嘞到y(tǒng)模態(tài)N=5。剛度K=1 340時(shí)減振器瞬時(shí)能量吸收率最大。

系統(tǒng)模態(tài)N=5時(shí)減振器瞬時(shí)能量吸收率與減振器剛度系數(shù)、安裝位置關(guān)系見圖6。由圖6看出，減振器有兩個(gè)能量吸收率較大區(qū)域：K=1.34×103，d=0.39時(shí)減振器能量吸收率達(dá)83%；K=1.34×103，d=0.73時(shí)減振器能量吸收率達(dá)81%。因此減振器的能量吸收率與其剛度及位置有較大影響，將減振器置于梁接近邊界處，減振效果更好。

減振器剛度系數(shù)K=1.34×103，d=0.7時(shí)系統(tǒng)位移響應(yīng)見圖7。由圖看出，系統(tǒng)帶減振器的位移響應(yīng)較不帶的小，且?guī)p振器時(shí)系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)振幅急劇降低，此因減振器對(duì)沖擊能量的迅速吸收及局部消耗，證明減振器具有減振效果。

圖5　減振器能量吸收率與剛度變化曲線Fig.5 The changing curve of absorber energy absorption rate and the stiffness

圖6　減振器瞬時(shí)能量吸收率與減振器剛度、安裝位置關(guān)系Fig.6 The relationship diagram of the instantaneous energy absorption, stiffness and installation location of absorber

圖7　系統(tǒng)位移響應(yīng)(d=0.7)Fig.7 Displacement response of the system

3旋挖鉆機(jī)鉆桿減振試驗(yàn)

為驗(yàn)證減振器的減振效果，對(duì)旋挖鉆機(jī)鉆桿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)樣機(jī)為某公司的旋挖鉆機(jī)并配備5節(jié)摩阻鉆桿，鉆頭成孔直徑800 mm。用2個(gè)安裝減振器及不帶減振器的相同鉆頭。由于旋挖鉆機(jī)鉆桿施工工況復(fù)雜，鉆桿在孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)有泥漿等影響，無(wú)法將傳感器貼附在鉆桿上，測(cè)量深入孔內(nèi)鉆桿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較困難。由于動(dòng)力頭與第1節(jié)鉆桿牙嵌板嚙合，且套于其上，鉆進(jìn)時(shí)動(dòng)力頭保持不動(dòng)且一直處于孔外。因此本試驗(yàn)將加速度傳感器貼附在動(dòng)力頭表面測(cè)量鉆桿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。測(cè)試用加速度傳感器為FA1105-A1-10G，靈敏度198.4 mV/g。測(cè)點(diǎn)分布見圖8。以駕駛室為參考平面，A、B點(diǎn)分別測(cè)試鉆桿左右及前后橫向振動(dòng)加速度。

圖8　測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.8 Position of measure points

為方便評(píng)價(jià)鉆桿鉆進(jìn)工況下減振效果，以振幅降低率p衡量，定義為試驗(yàn)中取安裝減振器前后總采樣點(diǎn)加速度幅值平均值差與安裝減振器前加速度幅值平均值比值，即

(8)

式中：n為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)；|Xi|為未安裝減振器第i測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度幅值；|Yi|為安裝減振器第i測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度幅值。

試驗(yàn)時(shí)旋挖鉆機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 100 r/min，動(dòng)力頭壓力90 kN，加壓油缸加壓力64 kN。試驗(yàn)結(jié)果見圖9。由圖9(a)看出，A點(diǎn)在無(wú)減振器時(shí)加速度在-0.15～0.15 g間波動(dòng)，安裝減振器后加速度在-0.1～0.05 g間波動(dòng)。安裝減振器前后加速度幅值平均值分別為0.043 g、0.024 g，振幅降低率為44.2%。由圖9(b)看出，B點(diǎn)在無(wú)減振器時(shí)加速度在-0.25～0.17 g間波動(dòng)，安裝減振器后加速度在-0.05～0.05 g間波動(dòng)，安裝減振器前后加速度幅值平均值分別為0.058 g、0.021 g，振幅降低率為63.8%。由此表明設(shè)計(jì)的減振器對(duì)旋挖鉆機(jī)鉆桿振動(dòng)減振效果顯著。

圖9　減振試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Results of suppressive experiments

4結(jié)論

(1)基于吸振原理，設(shè)計(jì)出旋挖鉆機(jī)鉆桿減振器，并據(jù)鉆桿振動(dòng)特點(diǎn)建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，從理論上驗(yàn)證減振器減振效果。

(2)將該減振器安裝在旋挖鉆機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，安裝減振器后鉆桿振幅明顯降低，表明鉆桿減振器減振作用顯著。

參 考 文 獻(xiàn)

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Design and test of drillstring vibration absorber for rotary drilling rigs

XUXin-xin1,JIAOSheng-jie1,CHENYi-tian2,CHENGJian-lian1

(1. Highway Maintenance Equipment National Engineering Laboratory, Chang’an University, Xi’an 710064, China；2. Xuzhou Xugong Foundation Construction Machinery Co., Ltd., Xuzhou 221004, China)

Abstract:In order to more effectively control and reduce the drillstring vibration of rotary drilling rigs, a drillstring absorber was designed based on the vibration absorption principle. According to the vibration characteristics of the drillstring, a dynamic model of a drillstring with the absorber was established and its effect of suppressing vibration was proven with simulation. Then, a suppressing vibration test system was set up to verify the effect of the drillstring absorber. The results show that the vibrations of drillstring are reduced clearly after the installation of the drillstring absorber, and that the drillstring absorber has a better vibration damping effect. The research also serves as a reference in reducing vibration for other engineering machinery manufactures.

Key words:rotary drilling rig; drillstring vibration; vibration absorption principle; absorber; experimental investigation

中圖分類號(hào):TU67

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.06.035

收稿日期：2014-11-19修改稿收到日期：2015-07-02

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助(51408046)；教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20110205110002)；中央高?；鸹究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(310825151040;310825163309)資助；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(2014SZS11-Z01)

第一作者 徐信芯 女，博士，講師，1986年生

E-mail: xuxinxin1218@163.com