捷联式自动垂直钻井系统稳定平台测试台架静、动态特性的数值模拟

陈威 谢慧

【摘要】根据捷联式自动垂直钻井系统稳定平台的需要，设计了铝制桁架结构的测试台架，并建立了桁架模型，分析其静强度、稳定性、固有频率和频率响应分析。

【关键词】铝制桁架 屈曲分析 模态分析 频响分析

要完成复杂井眼轨迹，尤其是真正实现井下闭环控制，传统的钻井工具已不能满足要求，必须研制更加灵活的全方位可调的旋转导向井下工具，其核心是能在旋转状态下按控制指令动作改变作用在钻头上的合力或改变钻具偏心程度的稳定平台装置。稳定平台装置实际上是一个测控单元，含有磁通门、重力加速度计、速率陀螺、微处理器以及相关的各种电路。它可以检测接收各种信号，通过一定的算法计算得出正确的数据，并发出指令操纵执行机构完成各种动作。作为捷联式自动垂直钻井系统的重要组成部分，稳定平台内含磁通门等磁性敏感元件，为了模拟自动垂直钻井系统在井下的工作状态，其地面试验设备不仅要能够模拟钻铤的工作状态等条件，还必须满足磁场隔离，即捷联式稳定平台磁通门安装位置1m范围内无磁性材料。

1 测试台架设计及静强度分析

稳定平台测试试验台架由台架、起竖摇摆机构、驱动装置、模拟负载装置、测量检测装置等部分组成，如图1。

由于磁敏感元件磁通门位于稳定平台中心位置，所以台架为无磁材质即可满足要求，设计中采用2A12铝制角铁焊接台架。台架通过起竖摇摆机构实现空间姿态的变化，同时承受稳定平台、驱动装置和模拟及检测装置的重量，以及稳定平台旋转过程中的振动载荷。当台架在水平状态时，起竖摇摆机构为台架的固定点，不考虑起竖摇摆机构受理情况，则台架各个方向的自由度为全约束。

桁架的受力主要是安装在其上的设备重力，同时桁架的自重也需要考虑进去，桁架在水平状态时，其最大应力为24.6MPa，最大位移为11.6mm；查表得到2A12的许用应力为240MPa，可见该结构足以满足强度要求，其最大位移也在工程使用的允许范围内。

2 台架稳定性分析

结构的稳定性分析，也称为屈曲分析，是结构分析的一个重要部分。结构稳定性分析所研究的是特定形式的结构（如薄板、薄壳、以及细长杆等）对特定形式的外载荷（如压载荷、剪载荷）的响应特性。对于本文桁架结构的稳定性分析则属于是细长杆受压的问题（桁架处于竖直状态时）。对于受压的构件，造成结构失稳破坏的原因主要是构件中轴向力的作用。用虚功原理推导刚架单元的刚度矩阵时没有考虑由于横向虚位移所引起的轴向应变。这样推导得到的单元刚度矩阵只能反映单元中轴向力远小于杆件的临界载荷时杆端力与杆端位移的关系。在做结构的内力分析时一般可以忽略轴向力对于杆件刚度的影响，但在做结构的稳定性分析时上述关系必须加以修正。

设在考虑了轴力的影响后单元刚度方程可修改为如下形式：

图3 台架失稳形式图

需要指出的是，在工程实际中，很难达到结构的临界载荷，因为扰动和非线性行为，低于临界载荷时结构就已经变得不稳定了，即实际结构在负载未达到临界载荷时就出现失稳。在本文中，由于临界载荷远大于桁架结构的实际负载，工作过程中不存在非线性行为，所以采用了相对计算快捷的特征直屈曲分析，而不必要进行非线性屈曲分析。

3 台架模态分析与频响分析

测试台架工作过程中被测稳定平台始终保持0rpm-300rpm的转速，且稳定平台存在微小的偏心，要求测试台架必须能够承受一定的动载荷。因此设计过程中对测试台架结构进行模态分析成为必要的工作，以避免激振频率与测试台架结构某阶固有频率接近而引起共振。

利用图2所示的有限元模型，进行模态分析，得到台架的前5阶固有频率如表1所示。

考虑到稳定平台最高转速300rpm，那么其激振频率最高为5Hz，台架一阶固有频率为7.796Hz，工作中不会达到台架共振点，可以认为结构满足工程使用的要求。为了进一步验证系统工作时的动态特性，利用图2所示有限元模型，在系统工作频率范围内对测试台架进行了直接频率响应分析，所施加载荷如表2。

图4及图5给出了测试台架两个具有代表性的节点node244（桁架中部）、node110（桁架顶端）的位移频响曲线。

可以看出，在系统工作频率范围内（0-5Hz），图4中，台架顶端节点110在5Hz时最大位移响应不到0.9mm。测试台架的振幅随频率的增加而增大，但振动幅度都很小，不影响设备的功能。台架的一阶固有频率为7.796Hz，在结构受到未达到该频率的激励时，不会引起结构的共振，因此振幅一般会较小。

图5 测试台架节点110位移、频响曲线

4 结论

在铝制桁架结构强度设计时，根据测试台架的实际工作状态，综合分析其静、动态特性，为设计提供可靠依据，使其能够安全的工作于额定工作范围，其数值模拟分析方法具有普遍适用性。

参考文献

[1] 孙峰，陈威，王义峰.旋转导向钻井系统稳定平台测试台架设计[J].石油机械，2010，3（11）：36-38

作者简介

陈威（1980-），男，安徽固镇人，工程师，在读博士，主要从事井下测控系统研发。