基于有限元法的水平钻机模态及刚度分析

翟群杰

(安徽省地矿局327地质队，安徽 合肥 230011)

0 引 言

随着引水、排(渗)水工程的大量开展，水平钻探设备得到了一定规模的应用。水平钻机是受限空间内水平钻探作业的主要设备，但在施工过程中由于作业条件的限制，往往需要根据现场情况进行改造。由于应用领域较窄、生产厂家少，水平钻机长时间没有大的改进。笔者通过ANSYS-Workbench使用有限元方法对钻机机架进行模态和刚度分析，为后续改进设计提供依据。

1 水平钻机的工作原理

水平钻机一般分为动力部分和主机部分。动力部分主要为液压泵站，主机部分包括机头、机架、机尾、活塞杆、滑架、大油缸和动力头部分等，简易结构如图1所示。施工时，机头孔口对准需要布置水平管的点位，大油缸带动滑架在机架上往机头方向做前进运动时，实现套管的顶进动作；大油缸带动滑架在机架上往机尾方向做前进运动时，实现套管的拖拉动作。

2 水平钻机的模态分析

2.1 模态分析方法

模态分析是研究结构动态特性的一种近似方法，模态分析是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据[1]。

文中通过模态分析，得出水平钻机的前6阶模态和振型。令水平钻机机架动力学方程[2]为：

因为模态分析研究机架结构的固有频率与外部载荷无关，故令F(t)=0；且机架的阻尼矩阵较小，取C=0，可得模态分析方程为：

上述方程的齐次微分解为：

u=u0sin(ωt+φ)

式中：u0为初始位移向量；ω为机架的固有频率；t为时间；φ为初相位。

根据上述理论方程可求得机架的固有频率，振动外力的频率和机架结构固有频率一致或接近则要发生共振，共振因为会使振动变得越来越强，因此在水平钻机的设计时应该避免。

2.2 钻机机架的模态分析

为保证模型计算的精度和正确性，在进行模态分析计算时对模型质量要求较高。因此在实际模型计算时在不影响计算结果的前提下，尽可能将模型简化。在实际施工中，机头、机尾和机架直接都是固定连接的，本文通过SolidWorks软件建立水平钻机的三维模型，为了简化计算，导入workbench后通过布尔运算合成一个整体进行分析。

图2 水平钻机机架前6阶振型位移云图

从图中模态分析结果可以看到机架的前6阶固有频率及振型。前6阶频率从60.134 Hz过渡到116.83 Hz，振型变化主要是机架的变化为主，从振态的形状我们可以知道在某个自然共振频率下，结构的变形趋势，前面3阶振型主要是机架的同向或相向扭曲，后面3阶振型主要是机架下部对外扩张扭曲。

2.3 改变机架尺寸对模态分析的影响

由于结构的固有频率与质量和刚度有关，在此通过适当改变机架的结构来观察固有频率的变化。由于模型的优化与分析[3]是根据整体部件来考虑的，而部分尺寸是定值不能改变。考虑到机架的长度固定，下面通过改变机架厚度和高度来进行模型分析。

通过表1和表2的分析结果可以看出，随着厚度的增加，固有频率越来越小；随着高度的增加，固有频率越来越小，整体变化幅度不大。钻机固有频率在合理的范围内增加机架厚度和高度，对整体机架的固有频率影响有限。

表1 改变机架厚度对固有频率的影响 /Hz

表2 改变机架高度对固有频率的影响 /Hz

3 水平钻机的刚度分析

3.1 水平钻机的应力分析

水平钻探施工过程中，套管在顶进和回拖时，水平钻机机架承受较大的压力。实际施工过程中，为了防止土层抱死套管，顶进施工油缸压力一般控制不超过10 MPa，回拖施工一般控制不超过20 MPa。现通过workbench模拟机架的受力情况如下。

从图3、图4可以看出，水平钻机在顶进施工过程中，最大等效应力为33.823 MPa；在回拖施工过程中，最大等效应力为67.646 MPa，均小于钢铁的许用应力，为安全工况。

图3 顶进施工时钻机机架的等效应力图 图4 回拖施工时钻机机架的等效应力图

3.2 调整后的水平钻机应力分析

为了降低节点应力，让机架受力更均匀，在实际施工过程中，会在机头和机尾方向添加调节顶铁。增加调节顶铁后，位移约束不完全在机架的支撑销轴上。在顶进施工时，机头方向会放置顶铁，回拖施工时，机尾方向也有调节顶铁。考虑顶铁对位移约束的影响，下面以受力较大的回拖施工重新进行应力分析，如图5所示。

从图5可以看出，考虑顶铁的约束后，受力分布更加均匀，最大节点应力也降至46 MPa左右，整体机架的可靠性有了进一步的提升。

图5 回拖施工时钻机机架的等效应力图

4 结 语

本文基于ANSYS-Workbench 对水平钻机的机架进行了模态分析，得出其前六阶模态和振型，通过改变机架厚度和高度进一步分析其规律和特点，从而达到避免共振的目的。通过模拟水平钻机的顶进和回拖过程，分析钻机机架的受力情况，并根据施工现场情况调整相应结构，优化了整机的受力情况，为实际施工时调节顶铁的布置提供指导，为水平钻机的后续优化设计提供依据。

参考文献：

[1] 傅志方，华宏星.模态分析理论与应用[M].上海：上海交通大学出版社，2000.

[2] 于洋涛，陶兆胜，彭 澎.回转支承套圈整形机架刚度及动力学分析[J].龙岩学院学报，2017，35(2)：80-84.

[3] 孙靖民.机械优化设计[M].北京：机械工业出版社，2013.