旋挖钻机钻杆减振器研究

徐信芯,焦生杰,成建联,顾海荣,李金平

(长安大学 公路养护装备国家工程实验室,陕西 西安　710064)



旋挖钻机钻杆减振器研究

徐信芯,焦生杰,成建联,顾海荣,李金平

(长安大学 公路养护装备国家工程实验室,陕西 西安710064)

摘要:为了有效地控制和减弱旋挖钻机钻杆的纵向振动,文章基于吸振原理设计了一种旋挖钻机钻杆减振器。根据钻杆纵向振动的特点,分别建立了钻杆-钻头-减振器系统与孔底无碰撞作用、钻杆-钻头-减振器系统与孔底有碰撞作用、系统受到一个周期性轴向外力激励3种典型作用状态的动力学模型,并通过仿真验证了减振器的减振效果；建立旋挖钻机钻杆减振系统，并进行试验研究其对减振器的减振效果,试验结果表明，安装减振器后钻杆的纵向振动幅度明显减小,钻杆减振器具有显著的减振作用。该研究对工程机械其他产品的减振研究具有一定的参考价值。

关键词:旋挖钻机;钻杆振动;吸振原理;减振器

0引言

钻杆作为旋挖钻机传输动力的重要装置,是连接动力头和钻头的部件。旋挖钻机的钻杆采用伸缩钻杆,一般由4～6节杆组成。旋挖钻机在钻进过程中,钻头对岩石等地层的切削作用将引起钻杆的纵向冲击振动[1],易使钻杆产生振动裂纹,甚至引起断裂并造成严重的成孔质量事故。

吸振主要是在主系统上附加一个较小质量的弹性子系统。当整个系统受到振源激励时,主系统和附加的子系统将产生同频率的响应,振源的激励能量主要由附加的子系统吸收而对主系统的影响作用较小,从而达到降低振动的目的。已有不少研究采用吸振原理来减弱系统的振动能量。文献[2]最早采用数值优化方法得到吸振器的优化参数;文献[3-5]讨论了吸振器的振动能量耗散性能,主要集中在利用数值仿真的方法研究吸振器的结构参数对振动能量耗散的影响规律;文献[6]提出将吸振器放置在线性梁质心与端部的中间位置时,将大幅度提高吸振器对振动能量的耗散;文献[7]在理论基础上研究了周期性的外力激励作用时吸振器对振动能量的耗散;文献[8]研究了在准周期随机外力激励作用时吸振器对振动能量的耗散。可见,国内外已对减振器进行了较为广泛的理论研究,但已有的减振器并不能直接应用于旋挖钻机钻杆的减振。

本文以吸振原理为基础,设计了一种用于旋挖钻机钻杆的减振器,并利用动力学分析从理论上验证了减振器的减振效果；同时,通过试验验证了此减振器能有效地抑制旋挖钻机钻杆的振动,对延长钻杆的使用寿命、提高施工效率具有一定的意义。

1旋挖钻机钻杆减振器结构

旋挖钻机钻杆振动的源头主要来自于钻头对岩石等地层的切削作用,考虑到减振器的安装空间和安装后加工操作的方便性等,选择将减振器安装在钻头的内部空间,并用箱体封装,如图1所示。

图1　减振器的安装位置

本文设计的钻杆减振器结构如图2所示。减振器装置主要由2个非线性弹簧3、质量块10、挡板调节装置2以及黏性阻尼硅油5组成。通过螺栓8将支座6与待减振结构7固定连接,通过调整调节装置2的高度,使下端与质量块10之间有间隙。质量块10与导柱9滑动连接并与2个非线性弹簧3固定连接。箱体4为密封箱体,内部装有硅油5。凸耳1的设置主要是便于将多个减振器本体相连接,以实现多个减振器联合减振。

1.凸耳　2.挡板调节装置　3.非线性弹簧　4.箱体　5.硅油　6.连接支座　7.待减振结构　8.螺栓　9.导柱　10.质量块

当待减振结构7产生冲击振动时,振动通过连接支座6传递到箱体4上,进而传给2个非线性弹簧3,此时部分振动能量被耗散;由于质量块10在振动过程中与调节装置2发生碰撞,部分振动能量将在碰撞过程中消耗;同时振动通过箱体4引起硅油5晃动,将部分振动能量转变为热能;另外,由于质量块10的上下运动会搅动硅油5,利用硅油5对质量块10产生的阻尼作用来消耗能量。经过以上能量转移和耗散,待减振结构件7的振动得到有效减弱[9]。

2减振器减振性能理论分析

系统的动力学分析模型如图3所示。将系统简化为一个二自由度的系统,其中旋挖钻机钻杆-钻头系统可看作一个振荡系统,质量为m1,弹簧刚度为k1,阻尼为c1。其连接的减振器可看作一个具有三次方非线性弹簧刚度和线性阻尼的减振系统,质量为m2,弹簧刚度为k2,阻尼为c2。

图3　与孔底无碰撞作用时系统的动力学模型

钻杆的纵向振动主要是钻头连续循环地冲击岩土等地层引起的,因此根据振动特点,将分别建立钻杆-钻头-减振器系统与孔底无碰撞作用、钻杆-钻头-减振器系统与孔底有碰撞作用、系统受到一个周期性轴向外力激励3种典型作业状态的动力学模型,研究钻杆减振器对钻杆的减振效果。

2.1系统与孔底无碰撞作用

当钻杆-钻头-减振器系统与孔底无碰撞作用时(图3)，系统的运动方程为:

k1x1+k2(x1-x2)3=0,

(1)

其中,x1和x2分别为振荡系统和减振器的位移。

为了方便分析,对(1)式进行无量纲处理,令

则(1)式可转化为:

(2)

通常认为减振器的质量较轻,即0<τ≪1,这个质量假设对结构设计处理很重要,因为在实际工程应用中,减振器将不会明显增加结构的质量,并且对整体的结构参数改变较小。

为了更好地描述减振器的减振效果,利用减振器的瞬时能量吸收率来衡量,表达式为[10]:

(3)

假设整个系统的初始状态是静止的,但对振荡器有一个冲击量级μ,即

(4)

对整个系统进行仿真计算,参数设置为:τ=0.04,ω0=R=1,ζ1=ζ2=0.002,μ=0.2。采用四阶Runge-Kuta算法求解(2)式。

钻杆-钻头-减振器系统与孔底无碰撞作用时,系统的瞬态响应如图4所示。图4a和图4b分别为振荡器和减振器的瞬时位移响应,可以明显看出,与振荡器的振动位移相比,减振器产生了较大的振动位移,因此减振器被激活。由图4c可以看出,在初始状态,系统产生的振动能量完全储存在振荡器中,但是很快系统振动能量从振荡器传递到减振器中,在t=7.7 s时,52%的系统瞬时能量被减振器吸收,随着时间的推移,在t约为300 s时,瞬时的振动能量将完全从振荡器传输到减振器中。因此,减振器能主动地吸收系统的振动能量,这也表明减振器通过对系统瞬时振动能量的吸收,达到了减振的目的。

图4　与孔底无碰撞作用时系统的瞬态响应

2.2系统与孔底有碰撞作用

钻杆-钻头-减振器系统与孔底碰撞时系统动力学模型简图如图5所示。

图5　与孔底有碰撞作用时系统的动力学模型

设系统与孔底的距离为d0,当x2≥d0时,系统将与孔底发生碰撞,碰撞方程为:

(5)

对整个系统进行仿真计算时,为了同系统与孔底无碰撞时的响应作对比,参数的设置相同,同时令d0=0.05 m,碰撞恢复系数c=0.8。

钻杆-钻头-减振器系统与孔底有碰撞作用时,系统的瞬态响应如图6所示。由图6a和图6b可以看出,减振器产生了较大的振动位移,因此减振器被激活。由图6c所示可以看出，在开始瞬时振动时,约有50%的瞬时能量从振荡器传输到减振器,在t=66.4 s时,86%的瞬时能量储存在减振器,因此在瞬时状态时大部分能量被减振器吸收和耗散。

图6　与孔底有碰撞作用时系统的瞬态响应

2.3系统受到周期性轴向外力激励

当系统受到的周期性轴向外力激励为Fcosωt时,系统的运动方程为:

(6)

采用复化平均技术[11-12]来分析系统的响应,复化平均技术已经广泛地应用于动力学和波动现象的分析。现定义2个变量如下:

(7)

其中

(8)

其中,上标*为共轭复数。

本文主要研究振荡器-减振器系统和外部激励在相同主频率下振动的响应特性,因此系统的振荡频率为外部的激励频率ω。(7)式可表示为:

(9)

将(8)式和(9)式代入(6)式,可得:

(10)

为了简化计算,假设ω0=1,ζ1=ζ2=λ,(10)式可化简为:

(11)

一般情况下(11)式是不能求解的,因此必须进一步简化。在极坐标里描述复数幅值变化,令

(12)

将(12)式代入(11)式,得到系统幅值和相位的4个方程,分别为:

(13)

(13)式为控制幅值和相位的调制方程,它的固定点与(6)式的周期解相对应,即

本文主要分析振荡器-减振器系统和外部激励在相同主频率下的振动,即满足γ1=γ2,则Y1、Y2分别为:

(14)

通过求解(14)式,得到幅值Z1和Z2为:

(15)

因此,系统的周期解为:

(16)

设系统的参数为:ω=ω0=1,F=10。(16)式给出了当系统受到轴向周期激励时的近似解析解,同时利用Runge-Kuta法对(6)式进行数值仿真,2种解法的对比结果如图7所示。由图7可以看出,数值仿真解和解析近似解的吻合性极高,因此采用数值解法也能较好地反映当钻杆-钻头-减振器系统受到周期性外力激励时的响应。

图7　数值仿真解和解析解的对比

数值仿真得到的振荡器和减振器的振动位移如图8所示。

图8　系统的位移响应

从图8中可以看出,减振器的位移比振荡器的位移大,可见减振器已经被激活。

系统在受到周期激励下减振器的能量吸收率如图9所示,在瞬时状态,减振器吸收了系统35%的能量,在相当长的时间内,系统将趋于稳定的周期振动状态并且仍有10%～18%的能量储存在减振器内。

图9　减振器的能量吸收率

3旋挖钻机钻杆减振试验

为了验证减振器的减振效果,对旋挖钻机钻杆进行了现场试验。采用安装减振器的常规钻头和不带减振器的常规钻头。由于旋挖钻机钻杆在孔内旋转钻进且有泥浆等的影响,无法将传感器等贴附在钻杆上,而动力头与第1节钻杆牙嵌板相啮合,且套在第1节钻杆上,在钻杆钻进时动力头保持不动并且一直处于孔外。因此本试验将加速度传感器贴附在动力头的表面来测量钻杆的运动状态。测试所用的加速度传感器类型为FA1105-A1-10G,灵敏度为198.4 mV/g。测点的位置分布如图10所示。

图10　测点分布图

以驾驶室为参考平面,测点测试钻杆的上下振动加速度。试验时旋挖钻机发动机的转速为2 100 r/min,动力头压力为90 kN,加压油缸加压力为64 kN。

为了方便评价钻杆在钻进工况下的减振效果,以振幅降低率p来衡量,其定义为在试验过程中取安装减振器前、后总采样点的加速度幅值的平均值差与安装减振器前的加速度幅值平均值的比值,即

(17)

其中,n为采样点个数;|Xi|为没有安装减振器时第i个测点的振动加速度幅值;|Yi|为安装减振器时第i个测点的振动加速度幅值。

减振试验结果如图11所示。从图11可以看出,测点在无减振时加速度在-0.4g～0.3g之间波动,安装减振器后加速度在-0.12g～0.12g之间波动,安装减振器前后加速度幅值的平均值分别为0.096g和0.046g,振幅降低率为52.1%。这说明本文设计的减振器对旋挖钻机钻杆的振动有显著的减振效果。

图11　减振试验结果

4结论

(1)本文基于吸振原理,设计了一种旋挖钻机钻杆减振器,并根据钻杆纵向振动的特点,建立了钻杆-钻头-减振器系统与孔底无碰撞作用、钻杆-钻头-减振器系统与孔底有碰撞作用、系统受到一个周期性轴向外力激励3种典型作业状态下系统的动力学模型,从理论上验证了减振器的减振效果。

(2)将所设计的减振器安装在旋挖钻机上进行了现场试验,发现减振器安装后钻杆的纵向振动幅度明显降低,表明钻杆减振器具有显著的减振作用。

(3)在钻进工况时,不同地层和钻头的相互作用对钻杆的动力学特性有重要的影响,后续将

利用实验的方法确定切削作用的载荷谱,从而更加准确地模拟钻头与不同地层间的切削作用。

[参考文献]

[1]黎中银，焦生杰，吴方晓.旋挖钻机与施工技术[M].北京:人民交通出版社，2010：1-11.

[2]Bartel D L，Krauter A I.Time domain optimization of a vibration absorber[J].Journal of Engineering for Industry，1971，93(3):799-804.

[3]Gendelman O V，Starosvestsky Y，Feldman M.Attractors of harmonically forced linear oscillator with attached nonlinear energy sinkⅠ:description of response regimes[J].Nonlinear Dynamics，2008，51(1/2):31-46.

[4]Starosvestsky Y，Gendelman O V.Attractors of harmonically forced linear oscillator with attached nonlinear energy sinkⅡ:optimization of a nonlinear vibration absorber [J].Nonlinear Dynamics，2008，51(1/2):47-57.

[5]Starosvestsky Y，Gendelman O V.Bifurcation of attractors in forced system with nonlinear energy sink:the effect of mass asymmetry [J].Nonlinear Dynamics，2010，59(4):711-731.

[6]Georgiade F，Vakakis A F.Dynamics of a linear beam with an attached local nonlinear energy sink [J].Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation,2007,12(5):643-651.

[7]Gendelman O V，Gourdon E，Lamarque C H.Quasiperiodic energy pumping in coupled oscillators under periodic forcing [J].Journal of Sound and Vibration，2006,294(1/2):651-662.

[8]Starosvestsky Y，Gendelman O V.Response regimes in forced system with non-linear energy sink:quasi-periodic and random forcing [J].Nonlinear Dynamics,2011,64(1/2):177-195.

[9]成建联,徐信芯,李兆凯.一种通过非线性能量转移与碰撞耗能作用的减振器:中国，A，ZL201110184107.2[P].2013-9-18.

[10]Cheng J L.Dynamics characteristic of a linear oscillator with nonlinear damped attachment as energy absorber[J].Applied Mechanics and Materials，2010，44/45/46/47:2651-2655.

[11]Manevitch L I.The description of localized normal modes in a chain of nonlinear coupled oscillators using complex variables[J].Nonlinear Dynamics，2001，25(1/2/3):95-109.

[12]Vakakis A F，Manevitch L I，Gendelman O，et al.Dynamics of linear discrete systems connected to local，essentially non-linear attachments[J].Journal of Sound and Vibration，2003，264(3):559-577.

(责任编辑胡亚敏)

Research on drillstring absorber for rotary drilling rig

XU Xin-xin,JIAO Sheng-jie,CHENG Jian-lian,GU Hai-rong,LI Jin-ping

(National Engineering Laboratory of Highway Maintenance Equipment，Chang’an University，Xi’an 710064，China)

Abstract:In order to control and reduce longitudinal vibration of the drillstring of rotary drilling rig more effectively，a drillstring absorber was designed based on vibration absorption principle. According to the longitudinal vibrational properties of drillstring，dynamic models in three typical situations were established respectively,including no colliding between the system of drillstring-drill bit-absorber and the bottom of a borehole，colliding between the system of drillstring-drill bit-absorber and the bottom of a borehole，and subjecting to an external periodic force to the system. Meanwhile the effect of drillstring absorber was proved with simulation. The test of suppressing vibration was set up to verify the effect of absorber. The results show that the system is capable of suppressing vibration with the absorber，and for the longitudinal vibration，the effect of the absorber is better. The research can offer a reference for reducing vibration in other engineering machinery manufacture.

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

收稿日期：2015-02-24；修回日期：2015-10-10

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51408046);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(310825151040);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20110205110002)和陕西省科技统筹创新工程重点实验室资助项目(2014SZS11-Z01)

作者简介：徐信芯(1986-),女,陕西西安人,博士，长安大学讲师.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.06.003

中图分类号:TU67

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)06-0730-07