旋挖鉆機(jī)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(jī)的關(guān)鍵部件,故鉆桿失效被視為鉆機(jī)施工中最嚴(yán)重的故障之一。鉆機(jī)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(yán)重的成孔質(zhì)量事故,所以鉆桿振動是導(dǎo)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(jì)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(jī)鉆桿在鉆進(jìn)工況和提升工況下的耦合振動進(jìn)行了研究,并根據(jù)

2、鉆桿振動特性設(shè)計了一種旋挖鉆機(jī)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(jié)合有限元方法,應(yīng)用邊界層理論分析了鉆孔的內(nèi)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(jìn)工況下鉆桿的軸向、橫向、扭轉(zhuǎn)的耦合振動的動力學(xué)方程,為研究鉆桿振動特性奠定了理論基礎(chǔ)。
　　2.采用 Newmark-β逐步積分法,利用 MATLAB仿真研究了在

3、鉆進(jìn)工況下加壓力、動力頭扭矩和鉆孔深度等對鉆桿動力學(xué)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(jié)果表明:當(dāng)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(xué)扭矩,加壓力在100kN~150kN時工作較為合適;當(dāng)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(dāng)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(jié)果為鉆進(jìn)工況下鉆桿的減振提供了參考。
　　3.應(yīng)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(xué)方程,仿真研究了提升力對鉆桿動力學(xué)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(jié)果表明:當(dāng)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(jié)果為提升工況下鉆桿的減振提供了參考。
　　4.設(shè)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(xué)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(jié)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(jī)在鉆進(jìn)泥巖砂巖交互層時進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。選取鉆桿在動力頭不合流,加壓