旋挖鉆機鉆桿耦合振動分析與減振研究.pdf

1、鉆桿作為重要的動力傳輸裝置,是旋挖鉆機的關鍵部件,故鉆桿失效被視為鉆機施工中最嚴重的故障之一。鉆機施工中通常伴隨著鉆桿的劇烈振動,易產(chǎn)生振動裂紋,甚至引起斷裂并造成嚴重的成孔質量事故,所以鉆桿振動是導致鉆桿失效的主要原因。為此,研究鉆桿的振動特性并采取有效的減振措施,對延長鉆桿的使用壽命,提高施工效率與經(jīng)濟效益,具有重要的理論意義和工程價值。本文基于能量法和有限元理論,分別對旋挖鉆機鉆桿在鉆進工況和提升工況下的耦合振動進行了研究,并根據(jù)

2、鉆桿振動特性設計了一種旋挖鉆機鉆桿減振器,通過現(xiàn)場的測試驗證鉆桿減振器的減振效果。主要研究成果如下:
　　1.依據(jù) Hamilton變分原理,結合有限元方法,應用邊界層理論分析了鉆孔的內部泥漿和環(huán)空泥漿對鉆桿變形的影響,同時考慮了鉆桿與孔壁的接觸碰撞作用,建立了鉆進工況下鉆桿的軸向、橫向、扭轉的耦合振動的動力學方程,為研究鉆桿振動特性奠定了理論基礎。
　　2.采用 Newmark-β逐步積分法,利用 MATLAB仿真研究了在

3、鉆進工況下加壓力、動力頭扭矩和鉆孔深度等對鉆桿動力學特性的影響規(guī)律,并確定了三參數(shù)的優(yōu)選工作區(qū)間。結果表明:當鉆桿為全伸出狀態(tài),動力頭扭矩為100 kN m?時,鉆桿的軸向振動幅值隨著加壓力的增大而增大,橫向振動幅值隨著加壓力的增大而減小,對于上面給定的鉆桿伸出量和動力學扭矩,加壓力在100kN~150kN時工作較為合適;當鉆桿為全伸出狀態(tài),加壓力為100kN時,鉆桿的橫向振動幅值隨著動力頭扭矩的增大而增大,對于上面給定的鉆桿伸出量和加

4、壓力,動力頭扭矩在50 kN m?~120 kN m?時工作較為合適;當加壓力為100kN,動力頭扭矩為120 kN m?時,鉆桿的振動幅值隨著鉆孔深度的增加而增大,對于上面給定的加壓力和動力頭扭矩,鉆桿伸出量在2節(jié)桿或3節(jié)桿時振動幅度較小。研究結果為鉆進工況下鉆桿的減振提供了參考。
　　3.應用邊界層理論分析了環(huán)空泥漿的粘滯作用對鉆桿變形的影響,并考慮鉆桿與孔壁的接觸碰撞作用,建立了鉆桿在提升工況下的鉆桿的軸向、橫向耦合振動的動

5、力學方程,仿真研究了提升力對鉆桿動力學性能的影響規(guī)律,并確定了提升力的優(yōu)選工作區(qū)間。結果表明:當提升5節(jié)鉆桿時,鉆桿的振動幅值隨著提升力的增大而增大,提升力在50kN~100kN時工作較為合適。研究結果為提升工況下鉆桿的減振提供了參考。
　　4.設計了一種鉆桿減振器,并給出了減振器主要性能參數(shù)的選取依據(jù),建立了鉆桿減振器對軸向和橫向振動的動力學模型,仿真研究了減振器的減振效果。在研究鉆桿減振器對軸向減振作用時,選取了三種典型作業(yè)狀

6、態(tài),包括鉆桿-鉆頭-減振器系統(tǒng)與孔底無碰撞作用、鉆桿-鉆頭-減振器系統(tǒng)與孔底有碰撞作用、系統(tǒng)受到一個周期性軸向外力激勵,采用四階 Runge-Kuta法分別計算了減振器的瞬時能量吸收率。在研究減振器對橫向減振作用時,選取了系統(tǒng)受到橫向沖擊激勵時的作業(yè)狀態(tài),計算了減振器的瞬時能量吸收率。結果表明:鉆桿減振器具有良好的軸向和橫向減振效果。
　　5.對安裝減振器的旋挖鉆機在鉆進泥巖砂巖交互層時進行了現(xiàn)場試驗。選取鉆桿在動力頭不合流,加壓