178型液力衡扭旋沖提速工具本體模態數值模擬

趙 毅，李 鑫，孫秋霞

(1.大慶油田 鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413；2.大慶油田 鉆井一公司，黑龍江 大慶 163411； 3.大慶油田 地質錄井一公司，黑龍江 大慶 163411)①

178型液力衡扭旋沖提速工具本體模態數值模擬

趙 毅1，李 鑫2，孫秋霞3

(1.大慶油田 鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413；2.大慶油田 鉆井一公司，黑龍江 大慶 163411； 3.大慶油田 地質錄井一公司，黑龍江 大慶 163411)①

為了避免液力衡扭旋沖提速工具振動對本體部件的損壞，利用有限元分析軟件對178型液力衡扭旋沖提速工具本體部件的三維有限元模型進行了模態數值模擬，求解出本體部件的前5階固有頻率及振型云圖。通過分析模擬結果得出：工具工作振動頻率與本體部件固有頻率不耦合，本體部件不會與工具振動頻率產生共振而破壞本體。模擬結果為工具振動工作狀態下本體的安全性提供了理論支持，為設計改進及優化工具提供參考。

提速工具；液力衡扭旋沖；模態；有限元分析

1 有限元模型

1.1 工具組成及技術參數

液力衡扭旋沖提速工具主要由動力機構和沖擊機構組成，工具上部連接鉆柱，下部連接鉆頭，伴隨鉆柱旋轉帶動鉆頭工作。動力機構將鉆井液的液體能轉化為機械能，為沖擊機構提供動力；沖擊機構在動力機構的帶動下工作并產生周向錘擊，將能量傳遞給鉆頭，并在鉆壓的作用下輔助鉆頭破巖，從而提高機械鉆速。

通過BSZ600型高級振動分析儀對工具的工作頻率進行了測試，結果如表1所示。

表1 178型液力衡扭旋沖提速工具技術參數

1.2 模態分析

模態分析是研究結構動力學特性的方法，主要用于確定結構或設備部件的振動特性，是結構動態設計及設備故障診斷的重要方法。任何結構都有特定的模態，即固有頻率、阻尼比和振型[6]。當結構所受激勵的頻率接近該結構的固有頻率時，結構發生振動的振幅將會增大，從而使結構在疲勞時受到破壞，例如次聲波武器。如果合理利用結構的共振特性，將會為生產生活帶來益處，例如超聲波清洗等[7]。結構的模態不僅只有1個，而是有許多個，通常在有限元分析時只考慮結構的前幾階模態。本文在分析178型液力衡扭旋沖提速工具本體零件的固有頻率時只以各部件的前5階模態作為分析對象[8]。

1.3 建立有限元模型

178型液力衡扭旋沖提速工具的本體包括沖擊機構外殼、動力機構外殼和連接體。本體材質為40CrNiMoA，材料密度7.87×103kg/m3，彈性模量2.09×1011Pa，泊松比0.295。

為節省模擬計算量，對模型進行簡化處理，在有限元分析軟件中對實體模型進行網格劃分，網格大小設定2 mm，采用SOLID45實體單元，利用四面體，網格采用自由方式進行劃分，生成的有限元模型如圖1所示。產生的單元及節點數量如表2。

a 沖擊機構外殼

b 動力機構外殼

c 連接體

名稱單元數節點數沖擊機構外殼9836625800動力機構外殼474655103704連接體11393824975

2 有限元模擬

由于工具在井下工作的實際工況較為復雜，本文對井下外部載荷采用忽略處理，僅考慮工具自身振動對本體的影響。根據模擬的需要，對沖擊機構外殼、動力機構外殼和連接體的三維有限元模型一端施加固定約束，限制其自由度。模態提取方法采用分塊蘭索斯法，該方法適用于大型特征值求解問題，求解速度快，占用計算空間小。求解方程為[9-10]

(1)

迭代模擬計算后通過后處理器提取固有頻率，結果如表3。

表3 本體部件前5階固有頻率 Hz

3 模擬結果分析

通過后處理，列出沖擊機構外殼1～5階模態位移(振型)云圖，如圖2所示；動力機構外殼1～5階模態位移(振型)云圖，如圖3所示；連接體1～5階模態位移(振型)云圖，如圖4所示。圖中網格模型的位置為模態分析前模型所在的固定位置。

當激勵的振動頻率接近第1階固有頻率時，沖擊機構外殼發生首次彎曲變形；當激勵的振動頻率接近第2階固有頻率時，沖擊機構外殼向相反的方向發生了彎曲變形，2次變形的最大位移量均是11.5 mm；當激勵的振動頻率接近第4階固有頻率時，沖擊機構外殼振型變化并不明顯；當激勵的振動頻率接近第4階固有頻率時，沖擊機構外殼非固定端發生異型變形，且變形較為嚴重；當激勵的振動頻率接近第5階固有頻率時，沖擊機構外殼非約束端發生異型變形形狀與第4階的變形形狀相反。此時的變形對沖擊機構外殼的非固定端的影響較為嚴重，容易致使螺紋脫開或者心部總成脫出，造成井下事故。

a 1階模態

b 2階模態

c 3階模態

d 4階模態

e 5階模態

a 1階模態

b 2階模態

c 3階模態

d 4階模態

e 5階模態

當激勵的振動頻率接近第1階固有頻率時，動力機構外殼發生首次彎曲變形；當激勵的振動頻率接近第2階固有頻率時，動力機構外殼向相反的方向發生了彎曲變形，2次振型的最大位移量均是8.75 mm；當激勵的振動頻率接近第4階和第5階固有頻率時，動力機構外殼發生扭轉彎曲變形，且變形較為嚴重，此時對動力機構外殼的影響最大，不利于工具的穩定。

a 1階模態

b 2階模態

c 3階模態

d 4階模態

e 5階模態

當激勵的振動頻率接近第1階固有頻率時，連接體發生首次彎曲變形；當激勵的振動頻率接近第2階固有頻率時，連接體向相反的方向發生了彎曲變形，2次變形的最大位移量均是8.59 mm；當激勵的振動頻率接近第4階固有頻率時，連接體發生軸向壓縮變形；當激勵的振動頻率接近第5階固有頻率時，連接體發生軸向扭轉彎曲變形。

本體部件前5階最大位移如表4。

表4 本體部件前5階最大位移 mm

通過本體模態的數值模擬得出，178型液力衡扭旋沖提速工具本體部件的前5階固有頻率中最小值為動力機構外殼的第1階固有頻率225.17 Hz，其余零件的固有頻率均高于這個數值，大于178型液力衡扭旋沖提速工具在28～34 L/s排量下的工作頻率30～40 Hz。因此178型液力衡扭旋沖提速工具本體在工具正常工作狀態下不會發生共振現象。

4 結論

1) 采用有限元分析軟件對178型液力衡扭旋沖提速工具本體部件進行模態分析，得出各部件前5階固有頻率、位移和振型云圖。通過對比工具本體固有頻率和實測頻率數據，178型液力衡扭旋沖提速工具工作時本體發生共振的幾率極小，該結構設計安全、可靠。

2) 通過模態數值模擬的方法得出了178型液力衡扭旋沖提速工具本體的固有頻率，避免了大量購置試驗測試的設備，節約了成本。為了進一步印證結果的可靠性，建議通過試驗模態分析的方法對本體進行對比測試。

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Numerical Simulation for Body Modal of 178 Hydraulic Constant Torque Rotary Percussion Tool

ZHAO Yi1，LI Xin2，SUN Qiuxia3

(1.DrillingEngineeringTechnologyResearchInstitute，DaqingOilfield，Daqing163413，China； 2.No.1DrillingCompany，DaqingOilfield，Daqing163411，China； 3.No.1GeologyLoggingCompany，DaqingOilfield，Daqing163411，China)

2016-10-10 基金項目：中國石油天然氣集團公司重大科技專項“重大工程關鍵技術裝備研究與應用”子課題“高效破巖工具”(2013A-B4) 作者簡介：趙 毅(1983-)，男，黑龍江寧安人，工程師，碩士，主要從事鉆完井機械設計工作，E-mail：zhaoyi211@126.com。

1001-3482(2017)02-0030-05

TE921.2

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.007