旋挖鉆機鉆桿減振器設計與減振試驗

徐信芯， 焦生杰， 陳以田， 成建聯

(1. 長安大學 公路養護裝備國家工程實驗室，西安　710064； 2.徐工基礎工程有限公司，江蘇徐州　221004)

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旋挖鉆機鉆桿減振器設計與減振試驗

徐信芯1， 焦生杰1， 陳以田2， 成建聯1

(1. 長安大學 公路養護裝備國家工程實驗室，西安710064； 2.徐工基礎工程有限公司，江蘇徐州221004)

摘要：為有效控制、減弱旋挖鉆機鉆桿振動，基于吸振原理設計旋挖鉆機鉆桿減振器；據鉆桿振動特點建立鉆桿-減振器系統動力學模型，并仿真驗證減振器減振效果；建立旋挖鉆機鉆桿減振系統對減振器減振效果進行試驗研究。結果表明，鉆桿安裝減振器后振幅明顯降低，減振作用顯著。

關鍵詞：旋挖鉆機；鉆桿振動；吸振原理；減振器；試驗研究

旋挖鉆機鉆進過程中鉆頭對巖石等地層的切削作用會致鉆桿劇烈振動[1]。韓春杰等[2]通過力學分析知，接近孔底一段鉆桿橫向振動異常突出，較易使鉆桿產生振動裂紋，甚至引起斷裂造成嚴重的成孔質量事故。因此，采取有效減振措施，對延長鉆桿使用壽命、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]。抑制振動主要通過改變工作參數或施工要求實現。而鉆桿施工受諸多外界因素影響，如巖層多樣性、泥漿性質多變性等，較難達到良好的減振目的。因此對旋挖鉆機鉆桿減振多用隔振方法，即隔振、吸振。隔振主要在激振系統與研究系統間加入中間環節，使振源激勵通過中間環節傳遞至待減振系統。中間環節通常為剛度較小的彈性元件；吸振主要在系統上附加較小質量的彈性子系統。當整個系統受振源激勵時，主系統與附加子系統產生同頻率響應，而振源激勵能量主要由附加子系統吸收，從而減小對主系統影響作用，達到降低振動之目的。

為此，夏宏南等[4]設計出泥漿壓差式鉆桿減振器，將泥漿作為減振元件，吸收鉆桿鉆進過程中產生的沖擊能量，減振效果較好。王朝晉[5]認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，仿真結果表明，安裝減振器后能減低鉆具受沖擊作用的應力水平。Mitchell等[7]研制的鉆井振動阻尼系統為帶裝滿磁流變液的減振器接頭，在磁場作用下磁流變液自動增加粘度，從而有效降低鉆井的阻尼振動。魏文忠[8]設計的集鉆桿減振與鉆井液增壓為一體的鉆桿減振增壓裝置，利用鉆桿振動能量作為鉆井液增壓能量來源，實現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，設計的減振器在中高頻脈沖力作用下減振效果較好。Gendelman等[10]基于吸振原理設計非線性減振器，從理論上研究周期性外力激勵作用時減振器對振動能量的耗散。Starosvestsky等[11]研究在準周期隨機外力激勵作用時吸振器對振動能量的耗散。以上對減振器的理論研究較多而實驗研究較少，且此種減振器不能直接用于旋挖鉆機鉆桿減振。

基于此，本文以吸振原理為基礎，設計出用于旋挖鉆機鉆桿的減振器，并利用動力學分析從理論上驗證其減振效果。

1旋挖鉆機鉆桿減振器結構

圖1　旋挖鉆機鉆桿全伸出的結構圖Fig.1 The structure of full trail drillstring

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

旋挖鉆機鉆桿為多節套管結構，每兩節桿間隙僅20 mm，且相對運動頻繁，因此在鉆桿內部無法安裝減振器；鉆桿振動源頭主要源自鉆頭對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部空間，并箱體封裝，見圖2。本文設計的鉆桿減振器結構見圖3。減振器裝置主要由兩非線性彈簧3，質量塊7，擋板調節裝置2及粘性阻尼硅油5組成。通過螺栓10將支座6與待減振結構9固定連接，通過調整調節裝置2高度，使下端與質量塊7間有間隙。質量塊7與導柱8滑動連接并與兩非線性彈簧3固定連接。4為密封箱體，內部有硅油5。凸耳1主要連接多個減振器本體實現聯合減振。

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

圖3　減振器結構簡圖Fig.3 The structure of the drillstring absorber

減振結構9產生沖擊振動時通過連接支座6傳遞到箱體4，進而傳給兩非線性彈簧3，此時部分振動能量被耗散；由于質量塊7在振動中與調節裝置2發生碰撞，部分振動能量在碰撞中消耗；同時振動通過箱體4引起硅油5晃動，將部分振動能量轉變為熱能；由于質量塊7的上下運動會攪動硅油5，利用5對7產生的阻尼作用消耗能量。經能量轉移、耗散，待減振結構件9的振動有效減弱[12]。

2減振器減振性能理論分析

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

圖4　帶減振器系統動力學模型Fig.4 Dynamics model of the system with shock absorber

減振器輕質量對結構設計較重要，因實際工程應用中，輕質量減振器不會明顯增加原結構質量，整體結構參數不會大程度改變。設桿的左邊界固定，在x=a0(到桿左邊夾緊處距離)處作用沖擊力F(t)，且整個系統初值為零。因此，系統的運動控制方程為

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為當前截面轉動慣量；m=M/L為梁單位長度質量；y(x,t)為桿位移；v(t)為減振器位移。

偏微分法簡記為(·)xx≡?2(·)/?x2,(·)t≡?(·)/?t,…。當僅考慮簡支梁標準模型，在無阻尼及外部沖擊載荷作用、無附帶減振器時，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方程及標準正交性條件，即

(3)

式中：δij為Kronecker函數。

對阻尼梁與減振器組合系統而言，通過模擬空間函數中偏微分方程計算瞬態響應，此組空間函數由式(3)的完整正交基確定。為模擬式(3)描述的標準正交模型在無限維數的動態情形，梁的橫向位移函數y(x,t)用表示為

(4)

將式(4)代入式(1)，并乘以任意模型函數φp(x)，對x在0～L間積分，并通過標準模型強制滿足正交條件(式(3))，化簡得微分方程為

式中：ap(t),(p=1,2,…)為模態振幅。

設沖擊激勵為半正弦沖擊，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，用減振器瞬時能量吸收率衡量，表達式為

ENES(t)=

(7)

設系統初始狀態靜止，參數為：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。數值模擬中取式(5)的有限項，等同于對標準模型有限個正交基進行近似模擬。通過收斂性研究確定準確數值模擬所需空間維數。d=0.9時在不同模態下減振器瞬時能量吸收率與減振器剛度變化趨勢見圖5。由圖5看出，N=5時收斂結果滿足截斷模型結果，因此取截斷系統模態N=5。剛度K=1 340時減振器瞬時能量吸收率最大。

系統模態N=5時減振器瞬時能量吸收率與減振器剛度系數、安裝位置關系見圖6。由圖6看出，減振器有兩個能量吸收率較大區域：K=1.34×103，d=0.39時減振器能量吸收率達83%；K=1.34×103，d=0.73時減振器能量吸收率達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K=1.34×103，d=0.7時系統位移響應見圖7。由圖看出，系統帶減振器的位移響應較不帶的小，且帶減振器時系統瞬態響應振幅急劇降低，此因減振器對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　減振器瞬時能量吸收率與減振器剛度、安裝位置關系Fig.6 The relationship diagram of the instantaneous energy absorption, stiffness and installation location of absorber

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

3旋挖鉆機鉆桿減振試驗

為驗證減振器的減振效果，對旋挖鉆機鉆桿進行現場試驗。試驗樣機為某公司的旋挖鉆機并配備5節摩阻鉆桿，鉆頭成孔直徑800 mm。用2個安裝減振器及不帶減振器的相同鉆頭。由于旋挖鉆機鉆桿施工工況復雜，鉆桿在孔內旋轉鉆進有泥漿等影響，無法將傳感器貼附在鉆桿上，測量深入孔內鉆桿運動狀態較困難。由于動力頭與第1節鉆桿牙嵌板嚙合，且套于其上，鉆進時動力頭保持不動且一直處于孔外。因此本試驗將加速度傳感器貼附在動力頭表面測量鉆桿運動狀態。測試用加速度傳感器為FA1105-A1-10G，靈敏度198.4 mV/g。測點分布見圖8。以駕駛室為參考平面，A、B點分別測試鉆桿左右及前后橫向振動加速度。

圖8　測點分布圖Fig.8 Position of measure points

為方便評價鉆桿鉆進工況下減振效果，以振幅降低率p衡量，定義為試驗中取安裝減振器前后總采樣點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為采樣點個數；|Xi|為未安裝減振器第i測點振動加速度幅值；|Yi|為安裝減振器第i測點振動加速度幅值。

試驗時旋挖鉆機發動機轉速2 100 r/min，動力頭壓力90 kN，加壓油缸加壓力64 kN。試驗結果見圖9。由圖9(a)看出，A點在無減振器時加速度在-0.15～0.15 g間波動，安裝減振器后加速度在-0.1～0.05 g間波動。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點在無減振器時加速度在-0.25～0.17 g間波動，安裝減振器后加速度在-0.05～0.05 g間波動，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%。由此表明設計的減振器對旋挖鉆機鉆桿振動減振效果顯著。

圖9　減振試驗結果Fig.9 Results of suppressive experiments

4結論

(1)基于吸振原理，設計出旋挖鉆機鉆桿減振器，并據鉆桿振動特點建立系統動力學模型，從理論上驗證減振器減振效果。

(2)將該減振器安裝在旋挖鉆機進行現場試驗，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

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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:TU67

文獻標志碼：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

基金項目：國家自然科學基金資助(51408046)；教育部博士點基金項目(20110205110002)；中央高校基金基本科研業務費專項資金(310825151040;310825163309)資助；陜西省科技統籌創新工程重點實驗室項目(2014SZS11-Z01)

第一作者 徐信芯 女，博士，講師，1986年生

E-mail: xuxinxin1218@163.com