車裝全液壓鉆機桅桿模態分析及拓撲優化

杜垚森，和國磊，馮起贈，趙 遠*，師 敏，宋志彬，朱芝同，劉曉林，許本沖，秦如雷，馬漢臣，伍曉龍，高鵬舉，3，湯小仁，王曉賽

（1.中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000；2.廊坊職業技術學院，河北 廊坊 065000；3.中國地質大學（北京），北京 100083）

0 引言

車裝全液壓鉆機應用廣泛，可用于水井、煤層氣抽采井、淺層油氣井、搶險救援井、勘探井、物探井及地熱井等鉆井施工［1-3］，可采用空氣潛孔錘、空氣泡沫、液動潛孔錘、氣動潛孔錘反井施工、牙輪正循環、氣舉反循環及跟管鉆進等鉆進工藝，提高鉆進效率。此外，該種類型鉆機可由底盤車的發動機提供動力，能夠滿足野外施工中缺電且經常性搬遷的特殊要求，提高施工的效率［4-6］。桅桿是鉆機的重要組成部分，是動力頭的重要支撐構件，桅桿的動態穩定性對鉆機工作的可靠性具有重要的影響，因此需要對桅桿進行動態分析。為了避免發生共振，需要計算出桅桿的固有頻率。綜合考慮桅桿的強度、剛度和穩定性等因素，對桅桿進行拓撲優化分析，改善桅桿的結構，減輕桅桿的質量，使其具有較好的經濟性。

1 桅桿的結構

以SDC-2500 型車裝全液壓鉆機為例，其桅桿的結構簡圖如圖1 所示。桅桿通過舉升油缸帶動4個滾輪沿桅桿支架滑軌上下移動，進而頂部滑輪組帶動動力頭實現鉆進功能。桅桿的主體結構立梁為箱型截面成型鋼。桅桿的高度為12286 mm，主體結構矩形鋼規格為500 mm×360 mm×8 mm。

圖1 桅桿的結構簡圖Fig.1 Simplified structure of the mast

2 桅桿模態分析

本文對SDC-2500 型車裝全液壓鉆機桅桿進行自由振動和預應力模態分析，桅桿預應力下的動態平衡方程［7-8］：