軸向旋轉沖擊器動態特性分析與壽命研究

馬 冉，樊 軍，陳英杰，胡景松

（1.新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830049；2.河南航天液壓氣動技術有限公司，河南 鄭州 451100）

1 前言

粘滑振動現象是鉆井系統在鉆進的過程中遇到的難題之一。在鉆探過程中，鉆頭遇到強度和抗剪強度更大的巖石時，鉆頭會由于鉆桿提供的扭矩無法使其繼續前進而停止，此時轉盤的運動狀態不發生變化，從而使鉆桿不斷地發生扭轉變形，當鉆桿因此產生了一定的能量，并能夠破碎巖石為止。

而這一過程被稱為粘滑振動現象[1-2]，如圖1所示。而這一現象還會加快鉆頭的磨損程度，嚴重的甚至還會使其產生斷裂與脫落等問題，從而使整套鉆井系統失效[3]，造成經濟利益的損失；而且，鉆桿是鉆進過程中的關鍵設備，承受著拉伸、扭轉等相當復雜的外力，粘滑振動現象會使鉆桿的使用壽命大幅縮短，從而影響到企業的經濟利益[4]。

圖1 粘滑現象過程Fig.1 Dynamic Model of Stick Slip Vibration

文獻[5-6]利用無阻尼縱向振動的偏微分方程方法計算出了粘滑振動在軸向鉆進的固有頻率，并通過實驗形式測得粘滑振動引起鉆桿頂部的位移和力。

文獻[7-9]通過確立鉆頭—鉆柱系統運動方程，研究了粘滑振動的運動規律，給出其產生條件，并對其參數進行優化，使鉆井受粘滑振動的影響降低或消除。

美國某公司、中國某大學和某研究院等研究機構也先后推出軸向扭力沖擊器，但是其工作壽命在同樣實驗條件下均小于50h。

所以這里分析了粘滑振動機理，建立了振動模型，設計一個軸向扭力沖擊器，結合實際工況，并建立動力學模型，對動態特性進行仿真分析。……