旋挖鉆機鉆桿減振器研究

徐信芯,焦生杰,成建聯,顧海榮,李金平

(長安大學 公路養護裝備國家工程實驗室,陜西 西安　710064)

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旋挖鉆機鉆桿減振器研究

徐信芯,焦生杰,成建聯,顧海榮,李金平

(長安大學 公路養護裝備國家工程實驗室,陜西 西安710064)

摘要:為了有效地控制和減弱旋挖鉆機鉆桿的縱向振動,文章基于吸振原理設計了一種旋挖鉆機鉆桿減振器。根據鉆桿縱向振動的特點,分別建立了鉆桿-鉆頭-減振器系統與孔底無碰撞作用、鉆桿-鉆頭-減振器系統與孔底有碰撞作用、系統受到一個周期性軸向外力激勵3種典型作用狀態的動力學模型,并通過仿真驗證了減振器的減振效果；建立旋挖鉆機鉆桿減振系統，并進行試驗研究其對減振器的減振效果,試驗結果表明，安裝減振器后鉆桿的縱向振動幅度明顯減小,鉆桿減振器具有顯著的減振作用。該研究對工程機械其他產品的減振研究具有一定的參考價值。

關鍵詞:旋挖鉆機;鉆桿振動;吸振原理;減振器

0引言

鉆桿作為旋挖鉆機傳輸動力的重要裝置,是連接動力頭和鉆頭的部件。旋挖鉆機的鉆桿采用伸縮鉆桿,一般由4～6節桿組成。旋挖鉆機在鉆進過程中,鉆頭對巖石等地層的切削作用將引起鉆桿的縱向沖擊振動[1],易使鉆桿產生振動裂紋,甚至引起斷裂并造成嚴重的成孔質量事故。

吸振主要是在主系統上附加一個較小質量的彈性子系統。當整個系統受到振源激勵時,主系統和附加的子系統將產生同頻率的響應,振源的激勵能量主要由附加的子系統吸收而對主系統的影響作用較小,從而達到降低振動的目的。已有不少研究采用吸振原理來減弱系統的振動能量。文獻[2]最早采用數值優化方法得到吸振器的優化參數;文獻[3-5]討論了吸振器的振動能量耗散性能,主要集中在利用數值仿真的方法研究吸振器的結構參數對振動能量耗散的影響規律;文獻[6]提出將吸振器放置在線性梁質心與端部的中間位置時,將大幅度提高吸振器對振動能量的耗散;文獻[7]在理論基礎上研究了周期性的外力激勵作用時吸振器對振動能量的耗散;文獻[8]研究了在準周期隨機外力激勵作用時吸振器對振動能量的耗散。可見,國內外已對減振器進行了較為廣泛的理論研究,但已有的減振器并不能直接應用于旋挖鉆機鉆桿的減振。

本文以吸振原理為基礎,設計了一種用于旋挖鉆機鉆桿的減振器,并利用動力學分析從理論上驗證了減振器的減振效果；同時,通過試驗驗證了此減振器能有效地抑制旋挖鉆機鉆桿的振動,對延長鉆桿的使用壽命、提高施工效率具有一定的意義。

1旋挖鉆機鉆桿減振器結構

旋挖鉆機鉆桿振動的源頭主要來自于鉆頭對巖石等地層的切削作用,考慮到減振器的安裝空間和安裝后加工操作的方便性等,選擇將減振器安裝在鉆頭的內部空間,并用箱體封裝,如圖1所示。

圖1　減振器的安裝位置

本文設計的鉆桿減振器結構如圖2所示。減振器裝置主要由2個非線性彈簧3、質量塊10、擋板調節裝置2以及黏性阻尼硅油5組成。通過螺栓8將支座6與待減振結構7固定連接,通過調整調節裝置2的高度,使下端與質量塊10之間有間隙。質量塊10與導柱9滑動連接并與2個非線性彈簧3固定連接。箱體4為密封箱體,內部裝有硅油5。凸耳1的設置主要是便于將多個減振器本體相連接,以實現多個減振器聯合減振。

1.凸耳　2.擋板調節裝置　3.非線性彈簧　4.箱體　5.硅油　6.連接支座　7.待減振結構　8.螺栓　9.導柱　10.質量塊

當待減振結構7產生沖擊振動時,振動通過連接支座6傳遞到箱體4上,進而傳給2個非線性彈簧3,此時部分振動能量被耗散;由于質量塊10在振動過程中與調節裝置2發生碰撞,部分振動能量將在碰撞過程中消耗;同時振動通過箱體4引起硅油5晃動,將部分振動能量轉變為熱能;另外,由于質量塊10的上下運動會攪動硅油5,利用硅油5對質量塊10產生的阻尼作用來消耗能量。經過以上能量轉移和耗散,待減振結構件7的振動得到有效減弱[9]。

2減振器減振性能理論分析

系統的動力學分析模型如圖3所示。將系統簡化為一個二自由度的系統,其中旋挖鉆機鉆桿-鉆頭系統可看作一個振蕩系統,質量為m1,彈簧剛度為k1,阻尼為c1。其連接的減振器可看作一個具有三次方非線性彈簧剛度和線性阻尼的減振系統,質量為m2,彈簧剛度為k2,阻尼為c2。

圖3　與孔底無碰撞作用時系統的動力學模型

鉆桿的縱向振動主要是鉆頭連續循環地沖擊巖土等地層引起的,因此根據振動特點,將分別建立鉆桿-鉆頭-減振器系統與孔底無碰撞作用、鉆桿-鉆頭-減振器系統與孔底有碰撞作用、系統受到一個周期性軸向外力激勵3種典型作業狀態的動力學模型,研究鉆桿減振器對鉆桿的減振效果。

2.1系統與孔底無碰撞作用

當鉆桿-鉆頭-減振器系統與孔底無碰撞作用時(圖3)，系統的運動方程為:

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

(1)

其中,x1和x2分別為振蕩系統和減振器的位移。

為了方便分析,對(1)式進行無量綱處理,令

則(1)式可轉化為:

(2)

通常認為減振器的質量較輕,即0<τ?1,這個質量假設對結構設計處理很重要,因為在實際工程應用中,減振器將不會明顯增加結構的質量,并且對整體的結構參數改變較小。

為了更好地描述減振器的減振效果,利用減振器的瞬時能量吸收率來衡量,表達式為[10]:

(3)

假設整個系統的初始狀態是靜止的,但對振蕩器有一個沖擊量級μ,即

(4)

對整個系統進行仿真計算,參數設置為:τ=0.04,ω0=R=1,ζ1=ζ2=0.002,μ=0.2。采用四階Runge-Kuta算法求解(2)式。

鉆桿-鉆頭-減振器系統與孔底無碰撞作用時,系統的瞬態響應如圖4所示。圖4a和圖4b分別為振蕩器和減振器的瞬時位移響應,可以明顯看出,與振蕩器的振動位移相比,減振器產生了較大的振動位移,因此減振器被激活。由圖4c可以看出,在初始狀態,系統產生的振動能量完全儲存在振蕩器中,但是很快系統振動能量從振蕩器傳遞到減振器中,在t=7.7 s時,52%的系統瞬時能量被減振器吸收,隨著時間的推移,在t約為300 s時,瞬時的振動能量將完全從振蕩器傳輸到減振器中。因此,減振器能主動地吸收系統的振動能量,這也表明減振器通過對系統瞬時振動能量的吸收,達到了減振的目的。

圖4　與孔底無碰撞作用時系統的瞬態響應

2.2系統與孔底有碰撞作用

鉆桿-鉆頭-減振器系統與孔底碰撞時系統動力學模型簡圖如圖5所示。

圖5　與孔底有碰撞作用時系統的動力學模型

設系統與孔底的距離為d0,當x2≥d0時,系統將與孔底發生碰撞,碰撞方程為:

(5)

對整個系統進行仿真計算時,為了同系統與孔底無碰撞時的響應作對比,參數的設置相同,同時令d0=0.05 m,碰撞恢復系數c=0.8。

鉆桿-鉆頭-減振器系統與孔底有碰撞作用時,系統的瞬態響應如圖6所示。由圖6a和圖6b可以看出,減振器產生了較大的振動位移,因此減振器被激活。由圖6c所示可以看出，在開始瞬時振動時,約有50%的瞬時能量從振蕩器傳輸到減振器,在t=66.4 s時,86%的瞬時能量儲存在減振器,因此在瞬時狀態時大部分能量被減振器吸收和耗散。

圖6　與孔底有碰撞作用時系統的瞬態響應

2.3系統受到周期性軸向外力激勵

當系統受到的周期性軸向外力激勵為Fcosωt時,系統的運動方程為:

(6)

采用復化平均技術[11-12]來分析系統的響應,復化平均技術已經廣泛地應用于動力學和波動現象的分析。現定義2個變量如下:

(7)

其中

(8)

其中,上標*為共軛復數。

本文主要研究振蕩器-減振器系統和外部激勵在相同主頻率下振動的響應特性,因此系統的振蕩頻率為外部的激勵頻率ω。(7)式可表示為:

(9)

將(8)式和(9)式代入(6)式,可得:

(10)

為了簡化計算,假設ω0=1,ζ1=ζ2=λ,(10)式可化簡為:

(11)

一般情況下(11)式是不能求解的,因此必須進一步簡化。在極坐標里描述復數幅值變化,令

(12)

將(12)式代入(11)式,得到系統幅值和相位的4個方程,分別為:

(13)

(13)式為控制幅值和相位的調制方程,它的固定點與(6)式的周期解相對應,即

本文主要分析振蕩器-減振器系統和外部激勵在相同主頻率下的振動,即滿足γ1=γ2,則Y1、Y2分別為:

(14)

通過求解(14)式,得到幅值Z1和Z2為:

(15)

因此,系統的周期解為:

(16)

設系統的參數為:ω=ω0=1,F=10。(16)式給出了當系統受到軸向周期激勵時的近似解析解,同時利用Runge-Kuta法對(6)式進行數值仿真,2種解法的對比結果如圖7所示。由圖7可以看出,數值仿真解和解析近似解的吻合性極高,因此采用數值解法也能較好地反映當鉆桿-鉆頭-減振器系統受到周期性外力激勵時的響應。

圖7　數值仿真解和解析解的對比

數值仿真得到的振蕩器和減振器的振動位移如圖8所示。

圖8　系統的位移響應

從圖8中可以看出,減振器的位移比振蕩器的位移大,可見減振器已經被激活。

系統在受到周期激勵下減振器的能量吸收率如圖9所示,在瞬時狀態,減振器吸收了系統35%的能量,在相當長的時間內,系統將趨于穩定的周期振動狀態并且仍有10%～18%的能量儲存在減振器內。

圖9　減振器的能量吸收率

3旋挖鉆機鉆桿減振試驗

為了驗證減振器的減振效果,對旋挖鉆機鉆桿進行了現場試驗。采用安裝減振器的常規鉆頭和不帶減振器的常規鉆頭。由于旋挖鉆機鉆桿在孔內旋轉鉆進且有泥漿等的影響,無法將傳感器等貼附在鉆桿上,而動力頭與第1節鉆桿牙嵌板相嚙合,且套在第1節鉆桿上,在鉆桿鉆進時動力頭保持不動并且一直處于孔外。因此本試驗將加速度傳感器貼附在動力頭的表面來測量鉆桿的運動狀態。測試所用的加速度傳感器類型為FA1105-A1-10G,靈敏度為198.4 mV/g。測點的位置分布如圖10所示。

圖10　測點分布圖

以駕駛室為參考平面,測點測試鉆桿的上下振動加速度。試驗時旋挖鉆機發動機的轉速為2 100 r/min,動力頭壓力為90 kN,加壓油缸加壓力為64 kN。

為了方便評價鉆桿在鉆進工況下的減振效果,以振幅降低率p來衡量,其定義為在試驗過程中取安裝減振器前、后總采樣點的加速度幅值的平均值差與安裝減振器前的加速度幅值平均值的比值,即

(17)

其中,n為采樣點個數;|Xi|為沒有安裝減振器時第i個測點的振動加速度幅值;|Yi|為安裝減振器時第i個測點的振動加速度幅值。

減振試驗結果如圖11所示。從圖11可以看出,測點在無減振時加速度在-0.4g～0.3g之間波動,安裝減振器后加速度在-0.12g～0.12g之間波動,安裝減振器前后加速度幅值的平均值分別為0.096g和0.046g,振幅降低率為52.1%。這說明本文設計的減振器對旋挖鉆機鉆桿的振動有顯著的減振效果。

圖11　減振試驗結果

4結論

(1)本文基于吸振原理,設計了一種旋挖鉆機鉆桿減振器,并根據鉆桿縱向振動的特點,建立了鉆桿-鉆頭-減振器系統與孔底無碰撞作用、鉆桿-鉆頭-減振器系統與孔底有碰撞作用、系統受到一個周期性軸向外力激勵3種典型作業狀態下系統的動力學模型,從理論上驗證了減振器的減振效果。

(2)將所設計的減振器安裝在旋挖鉆機上進行了現場試驗,發現減振器安裝后鉆桿的縱向振動幅度明顯降低,表明鉆桿減振器具有顯著的減振作用。

(3)在鉆進工況時,不同地層和鉆頭的相互作用對鉆桿的動力學特性有重要的影響,后續將

利用實驗的方法確定切削作用的載荷譜,從而更加準確地模擬鉆頭與不同地層間的切削作用。

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(責任編輯胡亞敏)

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

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51408046);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(310825151040);高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20110205110002)和陜西省科技統籌創新工程重點實驗室資助項目(2014SZS11-Z01)

作者簡介：徐信芯(1986-),女,陜西西安人,博士，長安大學講師.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.06.003

中圖分類號:TU67

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)06-0730-07