水平定向钻机底盘有限元模态分析_解艳秋
水平定向钻机大梁的瞬态动力学分析
水 平 定 向钻 机 大梁 的瞬 态 动力 学分 析
解 艳 秋
（ 常州轻Ｘ 职业技术 学院 机械 系，江 苏 常州 ２ ３ ６ ） － １ １４ 摘要 ：以某型水平定 向钻机 的关键部件大梁为研 究对象 ，在其三维实体模型 的基础上建 立 了有 限元模 型，运 用 Ａ Ｓ Ｓ有 限元软件对大梁进 行 了瞬态分析。通过求解 ，确定 了大梁结构 承受 随时 间变化载荷 时的动力 响 ＮＹ 应 ，为定 向钻机结构 的改进和动态特性 的提高提供 了设计依据。
收稿 日 ：２ １ 一４０ ；修 回 日 ：２ １－５ １ 期 ０ １ｏ —２ 期 ０ｉ — ０ ６
量 ，保 证收敛 精度 ，大梁 支架 、调节 拉杆 、液压 缸 等 结构都 以真 实约束 的形 式 加入 到模 型 中去 ，选 用 的单 元 类 型为 Ｓｌ １６ ｏｄ８ ；材料 的弹 性模 量 Ｅ ＝载 荷 简化 模 型
３ 大 梁的建 模 、网格 划分 与加载 在 建立 大梁 三维有 限元 模 型时 ，为 了减少参 数数
３０ｍ 壁厚为 １ ｍ， ０ ｍ， ０ｍ 长度为 ５３０ｍ ， ５ ｍ） 其余还包 括 前脚 板 、大梁支 架 、调节 拉杆 、液压 缸 、支轴 、销 轴等。 为 了能在后 面 的大梁优 化设计 中应 用此 模 型 ，在 Ａ Ｓ Ｓ中运 用 参 数 化 方 式 建 模 ，这 样 可 保 证 更 准 确 ＮＹ 的计算 精度 。图 １为 大梁 的三维 实体模 型 。 ２ 大 梁在 移动载 荷作 用下 的 问题 描述 图 ２为 大梁上 移 动 载荷 简 化模 型 。其 中 ， Ｆ为动 力 头 自重 的分力 ，动 力头 自重 为 １１０ ｋ 。在 水 平定 ０ ｇ
梁强 度 和刚 度要 求 ，设 计趋 于保 守 ，可 以做适 当的结 构优 化设 计 。
定向井钻柱轴向振动有限元分析
第ｌ ９期
２ １ ７月 ０ ０年
科
学
技
术
与
工
程
Ｖ １１ Ｎ ． ９ Ｊ ｌ ０ ０ ｏ． ０ ｏ １ ｕｙ２ １
１７ ・８ ５ ２ １ ）９ ４６ －４ ６ １ １１ （ ００ １—７７ ０
Ｓ ｉ ｅ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ａ ｄ Ｅ ｇｎ ｅｉ ｇ ｅｅ ｎ ｅ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｎ ｉ ｅ ｒ ｎ
＠ ２ １ ＳｉＴ ｃ． ｎｎ． ００ ｃ． ｅｈＥ ｇｇ
石 油 技 术
定 向井 钻柱 轴 向振 动 有限 元 分 析
毕雪亮 王 健 闫 铁 韩春杰
（ 大庆石油学院提高油气采收率教育部重点实验室 ， 大庆 １３ １ ） ６ ３８
摘
要
在定 向井钻井施工 中钻柱 受力是很复杂 的。仅钻柱振动就存在 轴 向振动 、 向振动和扭 转振 动， 中钻柱 轴 向振动 横 其
（ ）钻 柱与井 眼 内壁都 是 刚 性 的 ， 钻 柱 的横 １ 且
截面 圆环形 。
（ ）钻 柱是 小 变形 的 弹 性 体 。并 且 钻 进 过 程 ２
Ｍ＝ＰＮ ｉ（ Ｔ ｌｄ Ｎ
式 （） ： ５ 中 Ⅳ为形 函数矩 阵
（ ５ ）
中， 钻柱 轴线 只是略 微偏离 井 眼轴线 。 将钻 柱离 散成 有 限个 单 元 ， 求 出各 个 单元 特 先
察 轴 向振 动规 律无 论对 钻 杆 柱设 计 ， 还是 对 钻 井 施
当抽象 和概括 ， 只考 虑 由一种 钻 杆 和一 种 钻 铤组 成 的 简单杆 柱系统 ， 么其模 型 如 图 １图 中根 据 钻柱 那 ，
形 态 １２ ３段为钻 杆段 ， 、、 ４为钻铤 段 。
旋转导向钻井工具介绍
静态偏置推靠钻头工作方式
静态偏置指向钻头工作方式
动态偏置推靠钻头工作方式
动态偏置指向钻头工作方式
推靠式旋转导向系统的特点：侧向力大, 造斜率高, 但旋转导向钻出的井眼狗腿大, 轨迹波动大, 不平 滑。钻头和钻头轴承的磨损较严重。
可控弯接头导向结构示意图 可控弯接头导向原理图
指向式旋转导向钻井工具
中国地质大学的李颖对指向式旋转导向钻井工具的 动力学分析和工作性能研究，且做出了偏置导向机 构的实验样机。
偏置单元的实物图
偏置单元样机主要由电机、齿轮同步器传动机构、 两套双丝杠对顶滑块-斜面传动机构等组成。
谢谢
产品特点： 1、系统是全旋转式的。 2、该系统由稳定平台单元、工作液控制分配单元及偏置 执行机构3部分组成。
Pad out
偏置单元
Pad in
导向原理
3.Geo-Pilot旋转导向钻井系统
主要特点：外筒不旋转，改变角度导向
导向原理
偏置原理
旋转导向钻井工具的分类及对比
• 旋转导向系统按导向方式可分为两类：推靠式(Push the bit) 和指向式(Point the bit)。
动态推进式旋转导向钻井工具
• 胜利油田承担国家“863”计划“旋转导向钻井系统关键 技术研究”后,与西安石油大学联合开发
• 原理：斯伦贝谢的PowerDrive基本一样。 • 现状：进行了20 多次的地面试验,2006 年8 月在营122斜
225 井上进行了整个旋转导向钻井系统的联合现场试验, 获得了成功。目前已基本成熟。
定向长钻孔水力冲孔强化瓦斯抽采掩护巷道掘进试验研究
收稿日期:2023-01-08作者简介:李 忠(1986-),男,山西阳泉人,工程师,从事瓦斯治理工作。
doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.08.014定向长钻孔水力冲孔强化瓦斯抽采掩护巷道掘进试验研究李 忠袁郝秀明(阳泉煤业集团兴峪煤业有限责任公司,山西阳泉 045000)摘 要:瓦斯灾害是制约矿井安全生产和经济效益的重大灾害之一。
为了解决兴峪煤业15502回风巷掘进施工时存在的煤层透气性低、瓦斯含量和压力大的问题,结合定向钻进和水力冲孔的技术优势,提出了千米钻机施工定向长钻孔水力冲孔工艺强化掘进工作面掘前瓦斯预抽。
现场试验表明,定向钻孔最大施工深度321m,单孔最大出煤量180m 3,各钻孔平均每米出煤量在0.45~0.6m 3;抽采期间单孔最大瓦斯抽采浓度55.6%,最大抽采纯量0.2m 3/min,累计抽放瓦斯37355m 3,平均瓦斯含量降为5.973m 3/t,平均瓦斯压力降为0.238MPa,瓦斯抽采效果明显,消除了煤层瓦斯突出危险性,预抽结束后回风巷掘进速度平均达到7m /d,该技术能为煤巷高效掘进提供安全保障。
关键词:定向长钻孔;水力冲孔;瓦斯抽采;高瓦斯矿井中图分类号:TD712.6 文献标识码:A 文章编号:1005-2798(2023)08-0048-04 随着现代化矿井生产技术及生产能力日益提高,矿井开采深度不断加深,煤层透气性进一步降低,瓦斯对矿井安全生产的威胁更加严重[1]。
为了实现煤层瓦斯高效治理,非常有必要开发低渗煤层瓦斯强化抽采技术。
千米定向长钻孔技术具有钻孔深和可定向的优点,能有效解决传统钻孔方法存在的效率低、钻孔轨迹无法追寻的问题[2-3]。
水力冲孔是一种利用高压水冲击煤体,使煤体发生破碎运移,形成较大直径孔洞,实现孔洞周围煤体卸压增透,促进瓦斯快速解吸的强化瓦斯抽采技术,特别是针对松软低透性煤层效果十分明显[4-5]。
众多学者对这两种方法进行了相关研究,侯国培等[6]基于“O 形圈”理论,通过对不同布孔高度定向长钻孔的瓦斯抽采数据分析得出了布置定向钻孔的最佳高度;豆旭谦等[7]应用了定向钻进技术来解决巷道掘进探放水钻孔施工的问题,保证了巷道掘进的安全;郝富昌等[8]利用自主研制的应力监测系统,对水力冲孔钻孔周围煤体地应力场和瓦斯场分布规律进行了研究;王恩元等[9]通过分析水力冲孔周围煤体的受力特征,建立了水力冲孔周围煤体塑性模型,分析了水力冲孔工艺的卸压增透效果和孔径变化规律。
ZJ30钻机底座静动态有限元分析
ｚ３ Ｊ ０钻 机 底 座 静 动 态 有 限 元 分 析
黄天 成 ，袁 新 梅 ，周 思 柱 （ 长江大学机械工程学院， 湖北 荆州 ４４２） ３０３
［ 要 ］ 为 验 证 Ｚ３ 摘 Ｊ ０钻 机 工 作 过 程 中的 安 全 性 ，根 据 Ｚ ３ Ｊ Ｏ钻 机 的结 构 特 点 ， 利 用 有 限元 软 件 建 立 了 三 维 有 限元 模 型 ，并 对 其 进 行 了静 动 态 分 析 。 静 态 分 析 结 果 表 明 ， Ｚ ３ Ｊ Ｏ钻 机 底 座 满 足 强 度 及 刚度 要 求 。根 据 模 态分 析 表 明 ，钻 机 底 座 第 ４ 】 ～ １阶 固有 频 率 与钻 机 动 力 设 备 以及 传 动 系 统 的运 转 频 率 较 接 近 ，容 易 发 生共 振 ，通 过 振 型 分 析 给 出 了 改 变钻 机 底 座 的 拉 杆 截 面 形 状 及 尺 寸 和 拉 杆 底 部 的 连 接 方 式 来 避 免 钻 机 底 座 发 生共 振 的建 议 。
２ 静 态 分 析
根 据 钻 机 底 座 的 实 际 工 作 情 况 ，分 ２种 工 况 ：① 钻 机 底 座 在 正 常 工 作 时 ， 各 种 不 同 载 荷 对 钻 机 底 座
［ 收稿 日期］２ １ —０ 来自 ０ ８—０ ３［ 者 简 介 ］ 黄 天 成 （ ９９一 ，男 ，２ ０ 年 大 学毕 业 ，硕 士 ，讲 师 ，现 主 要从 事石 油 机 械 产 品 设 计 方 面 的 教 学与 研 究 工 作 。 作 １７ ） ０２
图１ Ｚ３ 钻机底座结构示意图 Ｊ０
之 间的焊接 处简 化成节 点连 接 ，且假设 各 节点 间的 连接 为刚性 ；③ 为 了使 分析 结果更 加精 确 ，提高分 析 的可靠 性 ，在 网格划分 时进 行手 动设 置 ，每 ８ ｒｍ 划 分一 个梁 单元 。 ０ ａ 根 据 以上模 型建立 及 简化原 则 ，利 用 ＡＮＳ ＹＳ软 件 参 数 化设 计 语 言 Ａ Ｄ Ｐ Ｌ编 写命 令 流 文 件 ，建 立 了 Ｚ３ Ｊ ０钻机 底座 的参 数化 有 限元 模 型 ，该 有 限元模 型共包 含 １ ５ ５个节 点 ，４ ０ １１ ５ ３个单元 。
NF_6风洞洞体有限元计算与水压试验_解亚军
1 .1 结构简化
洞体的主体结构为圆筒形或圆锥形的承压壳体 结构体 , 由 16MnR 钢板卷曲焊接而 成 , 壳体厚度(一 般为 20mm)与壳体中面的最小曲线半径之比均很小 , 故将洞体结构按薄壳结构进行分析 。 所有纵向加强 筋均沿轴线方向布置 , 故在建模时选用平板弯曲壳单 元离散风洞洞体的所有壳体 , 用直梁单元离散内外加 强筋 。对洞体结构主要做了如下简化 : (1)洞体结构简化为带有加强筋的壳体结构 , 内 外加强筋看成弯曲梁结构 ; (2)略去局部小孔(如观察口盖或工艺孔 、吊装 孔等), 以及其他对整体结构力学特性影响不大的构 件 , 如气源管道和拐角导流片等 ;
千万自由度量级有限元模态分析并行计算研究
关键词 ：有 限元法 ； 大规模模态分析 ；并行计算
中 图分 类 号 ：Ｔ Ｂ １ ２ ３ ； Ｔ Ｐ ３ １ １ 文 献 标 志 码 ：Ａ Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． １ ３ ４ ６ ５ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｉ Ｖ Ｓ ． ２ ０ １ ５ ． １ ７ ． ０ １ ３
振
第３ ４卷第 １ ７期
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与冲Βιβλιοθήκη 击 Ｊ ０ＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩ ＢＲＡ ｎ０Ｎ ＡＮＤ Ｓ Ｈ０ＣＫ
千万 自由度量级有限元模态 分析并行计算研究
范宣华 ， 肖世富 ，陈
璞
１ ０ ０ ８ ７ １ ）
（ １ ．中国工 程物理研究院 总体工 程研究 所 ， 四川 Ｉ 绵 阳 ６ ２ １ ９ ９ ９ ； ２ ． 北京大学 工 学院力 学与工程科学系 ， 北京
摘 要 ： 大规模 有限元模 态分析在一 些重大装 备研制过 程 中有迫 切需求 ， 对于 实现装置 系统级分析具 有重要 意
义。基于隐式重启动 Ａ ｒ ｎ ｏ ｌ ｄ ｉ 、 Ｋ ｒ ｙ ｌ ｏ ｖ — Ｓ ｃ ｈ ｕ ｒ 和Ｊ ａ ｃ ｏ ｂ ｉ — Ｄ ａ ｖ ｉ ｄ ｓ ｏ ｎ三种主流算法 和 Ｐ Ａ Ｎ Ｄ Ａ并行 计算框 架 ， 构建 了大规模模 态 分析并行计算体系 ； 将并行求解体系应用 于某光机 主体 结构 ， 实 现 了其 上千万 自由度 、 数 千核 的模 态分析并行计 算 ； 结 合 算 例对三种主流算法 的适应性和并行 可扩 展性 进行 了评估 。研究结果表 明 ， 基于三种算法构 建 的并行求 解体 系均可在 １
ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍｓ ，ｉ ． ｅ ． ，ｉ ｍｐ ｌ ｉ ｃ ｉ ｔ ｌ ｙ ｒ ｅ ｓ ｔ ａ ｒ ｔ ｅ ｄ Ａｒ ｎ ｏ ｌ ｄ ｉ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ， Ｋ ｒ ｙ ｌ ｏ ｖ — Ｓ ｃ ｈ ｕ ｒ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ａ ｎ ｄ Ｊ ａ ｃ ｏ ｂ ｉ — Ｄａ ｖ ｉ ｄ ｓ ｏ ｎ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ａ ｎ ｄ Ｐ ＡＮＤＡ
潜孔钻机钻杆有限元屈曲分析和灵敏度的研究
作 状 态 ，避 免 在 工 作 过 程 中发 生 屈 曲 ；通 过 灵 敏 度分 析 出来 的 各 曲 线 关 系 ， 可 以 根 据 实 际工 况 对 钻 杆 的 长 度 和 轴压 力 进 行调 整 ， 在 满 足 稳 定性 的
和 装配 关 系 ，为 了 在 设 计 中 快速 的 实 现设 计 更 改
参考文献 ：
［ １ １ Ｓ Ｉ Ｅ ＭＥ Ｎ Ｓ ｈ ｔ ｔ ｐ ： ／ ／ ｗｗｗ． ｐ ｌ ｍ． ａ ｕ ｔ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． ｓ ｉ ｅ ｍｅ ｎ ｓ ． ｃ ｏ ｍ ／ ｚ ｈ ＿
ｃ ｒ ｄ ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｓ ／ ｎ ｘ ／ ．
的传 递 ， 可 以 在部 件 参 数 化 的基 础 上 进一 步 利 用
Ｎ Ｘ软 件 的ＷＡ ＶＥ 功能 ，提 供设 计 效率 。
ｓ ｔ ａ ｔ ｏ ｒ ｃ ｏ ｉ ｌ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ［ Ｊ ］ ． Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ＭＥ Ｃ ＨＡＮＩ ＣＳ ， ２ ０ ０ ８ ，
械， ２ ０ １ １ （ ３ ） ： ２ １ － ２ ３ ．
个 合 适 的 屈 服 载 荷 因子 ，查 看 各 参 数 达 到 该 点
【 ３ 】石前列， 吴 向东， 武友德． 基于有限元的落地镗铣床滑枕结
构设计 ［ Ｊ 】 ． 机械设计与制造， ２ ０ １ ２ （ ４ ） ： １ ９ — ２ １ ．
要 求 下找 出符 合该 工况 的最 佳参 数 。
参考文献 ：
基于有限元法的冲击钻机钻塔模态分析
型， 该单元基 于 Ｔ ｍ ｓｅｋ 梁 理论 ， ｉ ｏｈｎ ｏ 包括剪应变 ， 能较好地描述钻塔桁架结构的力学性能。钻塔侧板
采用三维板单元 Ｓ Ｌ ６ 模 型进行离散 ， ＨＥ Ｌ ３ 该单元 根据钻塔的材料参数 ， 在有限元程序 Ａ Ｓ Ｓ Ｎ Ｙ 具有弯矩和薄膜特性 ， 可承受与平面同方 向及法线 中选择合适的单元对钻塔进行离散 ， 如图 １ 所示。 方 向的荷载 。整个 钻塔 一共 离散为 ４ ２６个单 元 。 Ｏ８ 为模拟实际钻塔 的约束状态 ， 在钻塔 的有限元 模型中， 对钻塔侧板底部和支腿底部处节点的所有 平移 自由度和旋转 自由度进行约束 。
量， 在将系统运动方程转换到这组 Ｌ ｎｚｓ ａｃｏ 向量空 间 以后 ， 运 动方程 进行缩 减 ， 对 然后通 过求 解一 次缩
限多个 自由度 的离 散系 统 。离散后 的钻 塔动 力学方
程 为
定性有较大的影 响。在钻机设计过程 中， 首先要求 钻塔 能够满 足静 态 承载 能 力 、 形 能力 和强 度 要 求 变 外； 还要求在钻机工作时， 钻塔结构不能有剧烈的摇 晃 和过 量 的变形 。 实际上， 在钻进过程 中钻塔结构在各种振动源 的激励下会产生振动 ， 如风载 、 钢丝绳冲击载荷引起 的振动等。如果这些振源的激励频率接近于钻塔整 体或局部 的固有频率 ， 便会发生整体或局部共振现 象， 产生剧烈振动， 甚至造成钻塔结构破坏 。为保证 冲击钻机的安全性、 和可靠性 ， 就必须对钻塔结构的 固有频率进行分析 ， 通过结构设计避开各种振源的
阵之间为正交关系 。在嵌 入钻塔 的几何边界条 件 后， 求解式（） ４ 即可得到钻塔的 自振频率和振型。 ３ 冲击钻机钻塔有限元模型
靠的参数依据和计算方法 。
水平井钻柱系统动力学特性分析模型的建立
◀钻井技术与装备▶水平井钻柱系统动力学特性分析模型的建立∗吴泽兵㊀张文溪㊀袁若飞㊀沈飞㊀刘家乐㊀贺啸林(西安石油大学机械工程学院)吴泽兵,张文溪,袁若飞,等.水平井钻柱系统动力学特性分析模型的建立[J ].石油机械,2023,51(11):61-69,131.Wu Zebing ,Zhang Wenxi ,Yuan Ruofei ,Wu Yanxian ,et al.Establishment of dynamic characteristics analysis mod-el for drill string system of horizontal well [J ].China Petroleum Machinery ,2023,51(11):61-69,131.摘要:相较于直井及斜直井,水平井应用较广,但目前关于水平井整体钻柱动力学特性的研究不够深入㊂为探究其动力学特性,基于有限单元法以及钻柱动力学方程,综合考虑弯曲井眼轨道㊁钻柱与井壁非线性碰撞接触等因素,建立水平井钻柱系统钻进仿真模型,将仿真模型结果与Johancsik 模型对比,验证了仿真模型的准确性㊂通过模拟钻进全程来剖析稳定器㊁大钩载荷以及卡钻情况对钻柱系统整体动力学特性的影响㊂研究结果表明:三维模拟分析钻柱与井壁接触力及钻柱振动验证了稳定器可减少钻柱与井壁的碰撞;当卡钻情况发生时,水平段和竖直段钻柱屈曲特性逐渐从螺旋屈曲转变为正弦屈曲;较之于未施加大钩载荷的情况,施加大钩载荷后降低了钻柱的钻进速度,缓解了钻柱的振动,验证了实际作业中施加大钩载荷的必要性;经模拟分析确定临界大钩载荷,当在钻柱端施加的大钩载荷大于临界值时,钻柱在钻进过程中会发生卡钻的情况;当其小于临界值时,大钩载荷的值越大钻柱轴向进给及横向振动越稳定,钻柱与井壁的接触力越小,在实际钻井作业中可依据井况调整大钩载荷的值㊂研究成果可为钻柱研究设计及结构优化提供参考㊂关键词:水平井;钻柱系统;动力学特性;屈曲;卡钻中图分类号:TE921㊀文献标识码:A㊀DOI:10.16082/ki.issn.1001-4578.2023.11.008Establishment of Dynamic Characteristics Analysis Modelfor Drill String System of Horizontal WellWu Zebing㊀Zhang Wenxi㊀Yuan Ruofei㊀Shen Fei㊀Liu Jiale㊀He Xiaolin(Mechanical Engineering College ,Xi a n Shiyou University )Abstract :Compared with vertical and slant wells,horizontal wells are widely used,but the research on theoverall dynamic characteristics of the drill string in horizontal wells is not deep enough.To explore its dynamiccharacteristics,based on the finite element method and the dynamic equation of the drill string,after having com-prehensively considered factors such as crooked hole trajectory,and nonlinear collision contact between the drill string and the borehole wall,a simulation model for drilling of drill string system in a horizontal well was built;then,the simulation model results were compared with the Johancsik model to verify the accuracy of the simulationmodel;finally,by means of simulating the entire drilling process,the impact of stabilizer,hook load and stickingcondition on the overall dynamic characteristics of the drill string system was analyzed.The research results are as follows.First,the 3D simulation analysis on the contact force between the drill string and the borehole wall as well16 ㊀2023年㊀第51卷㊀第11期石㊀油㊀机㊀械CHINA PETROLEUM MACHINERY㊀㊀㊀∗基金项目:陕西省重点研发计划项目 基于深度学习的智能送钻系统目标钻压实时获取及控制优化 (2022KW -10);西安石油大学研究生创新与实践项目 水平井钻柱系统的工作特性分析 (YCS23114149)㊂as the vibration of the drill string verifies that the stabilizer can reduce the collision between the drill string and the borehole wall.Second,when sticking occurs,the buckling characteristics of the drill string in horizontal and verti-cal sections gradually change from helical buckling to sinusoidal buckling.Third,compared with the situation where the hook load is not applied,the application of the hook load reduces the drilling speed of the drill string, and alleviates the vibration of the drill string,verifying the necessity of applying hook load in actual operation. Fourth,the critical hook load is determined by simulation analysis,when the hook load applied to drill string is greater than the critical value,the drill string suffers from sticking during the drilling process,but when the hook load applied to drill string is less than the critical value,the larger the value of the hook load,the more stable the axial feed and lateral vibration of the drill string,the smaller the contact force between the drill string and the bore-hole wall,and the value of the hook load can be adjusted based on the well conditions in actual drilling operations. The research results provide assistance for the research design and structural optimization of drill strings. Keywords:horizontal well;drill string system;dynamic characteristics;buckling;sticking0㊀引㊀言随着石油钻井技术的应用日益广泛,钻柱失效问题也日益突出㊂因此,钻井工程中急需了解钻柱在井下的运动状态,以进行钻柱的动力学特性方面的研究[1-2]㊂水平井是从垂直井段转变为水平井段,钻井施工难度较大㊂钻柱具有很大的长细比,其动力学特性的研究十分困难[3-4]㊂钻具组合优化㊁钻井参数优选等一系列问题可通过钻柱动力学来解决[5]㊂美国Tulsa大学的M.W.DYKSTRA[6]借鉴其他领域中解决转子动力学问题的方法来研究钻柱并完成了 非线性钻柱动力学 ㊂毛良杰等[7]基于钻柱动力学原理分析了底部钻具组合的疲劳寿命㊂吴泽兵等[8]基于AD-AMS软件,建立水平井全井钻柱-井壁动态非线性接触模型,分析了水平井钻柱接触力分布情况㊂石明顺[9]基于钻井钻柱非线性动力学模型对定向钻井中钻柱-井壁系统进行非线性动力学仿真分析㊂ZHU X.H.等[10]基于考虑了轴向㊁横向和扭转振动的有限元模型,通过改变井身结构和底部钻具组合等,探讨了钻柱系统振动特性差异较大的原因㊂N.K.TENGESDAL等[11]基于拉格朗日方法,提出了一种考虑侧向弯曲㊁纵向运动和扭转变形的钻柱动态模型㊂冯群芳等[12]采用拉格朗日方程建立了斜井下钻柱横-扭耦合非线性动力学模型,总结了钻柱与井壁接触㊁钻柱扭矩耗散和井眼轨迹等因素对钻柱系统动力学特性的影响规律㊂朱杰然等[13]分析了无钻压加载条件下的水平井钻柱系统在不同井段和不同钻井工况参数下的动力学响应㊂亓传宇等[14]分析并总结了钻井深度对煤矿水平井钻柱水平段振动特性的影响规律㊂前期钻柱系统动力学特性分析大多数是对直井或斜井内水平段或造斜段部分钻柱进行研究,分析时假定钻柱已钻进某一特定深度而并未考虑整个钻进过程㊂为此,笔者建立水平井钻柱仿真模型,模拟钻进全过程,揭示了钻柱的整体动力学特性,讨论了稳定器㊁大钩载荷以及卡钻情况对钻柱动力学特性的影响,以期更好地了解井筒内钻柱的实际运动状态,为钻柱研究设计及结构优化提供参考㊂1㊀钻柱动力学模型1.1㊀坐标系及坐标变换水平井井眼轴线的形态是一条曲率不定的空间螺旋线[15]㊂在钻井过程中,假设井眼轴线与钻柱尚未变形时的轴线重合,为了便于描述钻柱的受力变形和井眼的形体,引用了整体坐标系和局部坐标系[16]㊂在整体坐标系中,地理北向为X轴的正向,地理东向为Y轴的正向,而Z轴的正向则是由井口指向井底,井口处设置坐标原点㊂局部坐标系中钻柱的轴线为x轴,其正向为钻柱轴向进给方向; y轴垂直于x轴并指向靠近地面方向,由右手坐标系的规则来确定㊂图1㊀全局坐标与局部坐标示意图Fig.1㊀Schematic diagram of global and local coordinates26 ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械2023年㊀第51卷㊀第11期以整体坐标系X 轴为旋转轴,顺时针旋转α角,就可以从原来的坐标系OXYZ 转变为用来描述钻柱单元的局部坐标系Ox 1y 1z 1,如图2a 所示㊂具体的转换公式为:x y z éëêêêùûúúú=100cos α-sin α0sin αcos αéëêêêùûúúúx 1y 1z 1éëêêêêùûúúúú(1)图2㊀坐标转换示意图Fig.2㊀Schematic diagram of coordinate conversion㊀㊀然后再绕转换后的局部坐标系y 1顺时针转θ角,从Ox 1y 1z 1坐标系转换为用来描述钻柱单元的局部坐标系Ox 2y 2z 2,如图2b 所示㊂其表达式为:x 1y 1z 1éëêêêêùûúúúú=cos θ0sin θ010-sin θcos θéëêêêùûúúúx 2y 2z 2éëêêêêùûúúúú(2)㊀㊀结合式(1)和式(2),整体坐标系转换2次后,转变为描述钻柱单元的局部坐标系,具体转换关系式为:x y z éëêêêùûúúú=cos θ0sin θsin αsin θcos α-sin αcos θ-sin θcos αsin αcos αcos θéëêêêùûúúúx 2y 2z 2éëêêêêùûúúúú(3)1.2㊀动力学模型钻柱单元位移和节点力如图3所示㊂图3㊀钻柱单元节点位移和节点力示图Fig.3㊀Schematic diagram for nodal displacementand nodal force of drill string unit㊀㊀在局部坐标系下,任一钻柱单元在t 时刻的节点广义位移㊁广义速度和广义加速度向量表达式分别为:d e (t )=u i (t ),v i (t ),w i (t ),θix (t ),θiy (t ),θiz (t ),u j (t ),v j (t ),w j (t ),θjx (t ),θjy (t ),θjz (t )[](4)d •e (t )=u •i (t ),v •i (t ),w •i (t ),θ•ix (t ),θ•iy (t ),θ•iz (t ),u •j (t ),v •j (t ),w •j (t ),θ•jx (t ),θ•jy (t ),θ•jz (t )[](5)d ••e (t )=u ••i (t ),v ••i (t ),w ••i (t ),θ••ix (t ),θ••iy (t ),θ••iz (t ),u ••j (t ),v ••j (t ),w ••j (t ),θ••jx (t ),θ••jy (t ),θ••jz (t )[](6)式中:u ㊁v ㊁w 分别为钻柱单元轴向位移㊁y 轴方向位移和z 轴方向位移,m;θ为钻柱单元扭转角度,(ʎ);下标i ㊁j 为钻柆单元两个端点位置的量;d e (t )㊁d •e (t )㊁d ••e (t )分别为t 时刻的节点广义位移㊁广义速度和广义加速度向量㊂钻柱单元广义位移㊁广义速度和广义加速度公式分别为:f (t )=N d e (t )(7)f (t )•=N d •e (t )(8)f (t )••=N d ••e (t )(9)式中:f (t )㊁f (t )•㊁f (t )••分别为广义位移㊁广义速度和广义加速度;N 为形函数矩阵㊂N =N u N v N w N θìîíïïïïïüþýïïïïïN 100000N 200N 3000N 40N 5000N 600N 30-N 4000N 50-N 60000N 100000N 200éëêêêêêêùûúúúúúú(10)式中:N 1=1-x l ;N 2=x l ;N 3=1-3x 2l 2+2x 3l 3;N 4=x -2x 2l +x 3l 2;N 5=3x 2l 2-2x 3l3;N 6=-x 2l -x3l 2;l 为钻柱单元的长度,m㊂钻柱单元的几何方程和物理方程分别为:ε(t )=B L +12B NL (t )d e (t )éëêêùûúú(11)σ(t )=D ε(t )-D ε0+σ0(12)式中:B NL ㊁B L 为应变矩阵;D 为弹性矩阵,Pa;36 2023年㊀第51卷㊀第11期吴泽兵,等:水平井钻柱系统动力学特性分析模型的建立㊀㊀㊀ε0为钻柱单元初应变;ε(t )为t 时刻单元应变;σ(t )为t 时刻单元应力,Pa;σ0为钻柱单元初始应力,Pa㊂基于多自由度系统的Lagrange 方程推导钻柱单元运动方程为:d d t (T -U )d •e {}- (T -U ) d e {}+ R d •e{}={0}(13)T =12ʏV eρf •T f •d V(14)R =c f •T f•(15)U =12ʏV eεT σd V +f T R GN -ʏA ef TP Ad A -ʏV ef TP Vd V -f TP e-d Te Re G(16)式中:T ㊁U ㊁R 分别是钻柱单元的动能(J)㊁势能(J)和耗散函数(J /s);P V ㊁P A ㊁P e 分为单元体力向量(N /m 3)㊁面力向量(N /m 2)和节点力向量(N);ρ为单元密度,g /cm 3;c 为单元阻尼系数,N㊃s /m;f •㊁f •T 为速度及速度转置,m /s;V ㊁V e 为节点体积,m 3;A ㊁A e 为节点面积,m 2㊂将式(14)㊁式(15)㊁式(16)代入式(13),化简后得到钻柱单元动力学方程:M e d ••e (t )+C e (t )d •e +(K e 0+K e N (t )+K e σ(t )+K e G (t ))d e (t )=F e (t )+R e G (t )(17)式中:M e 为钻柱节点质量,kg;C e 为钻柱节点阻尼系数,N㊃s /m ;K e 0为钻柱单元的线性刚度矩阵,N /m;K e N 为单元大位移刚度矩阵,N /m;K eσ为单元几何刚度矩阵,N /m;K e G 为单元动力间隙元刚度矩阵,N /m;F e 为等效节点力向量,N;R e G 为摩阻力和阻力矩阵,N㊂由单元动力学方程得到钻柱系统动力学方程为:M d ••(t )+C (t )d •(t )+K (t )d (t )=F (t )+R G (t )(18)1.3㊀边界条件(1)上边界条件㊂井口边界是地基边界则为固定位移边界㊂在扭转方向上,井口为已知扭转角位移㊁角速度和角加速度边界㊂(2)下边界条件㊂钻头破岩时做轴向移动和旋转运动,钻压和扭矩同时作用于钻头上,将井底钻头处的横向线位移固定㊁角位移自由㊁扭转角位移为已知力边界㊂(3)钻柱与井壁碰撞接触边界㊂钻柱与井壁的碰撞接触沿井深和井眼圆周方向呈多点㊁多方位的随机分布㊂钻柱与井壁的碰撞模型如图4所示㊂钻柱与井壁碰撞接触产生碰撞反力R Gn 的同时还会产生附加力矩,为:R Gt =μ1R GnR GA =μ2R Gn M Gt =d 2R GtM GA =d 2R GA ìîíïïïïïïïï(19)式中:R Gt 为切向摩阻力,N;R GA 为轴向摩阻力,N;μ1为静摩擦因数;μ2为动摩擦因数;M Gt ㊁M GA 分别为扭矩和弯矩,N㊃m㊂1.4㊀Johancsik 模型Johancsik 模型是Johancsik 提出的一种从钻柱底部开始计算,逐步向上进行的一种计算钻柱阻力和轴向力的模型㊂Johancsik 提出钻柱的每一个短单元都对总运行载荷的轴向和扭转载荷有较小的增量[17],从钻柱底部单元开始迭代计算即可推算出每个单元的轴向载荷及顶部单元大钩载荷的值㊂图5a 和图5b 分别说明了钻柱单元受力及钻柱钻进时作用在钻柱元件上的力㊂图4㊀钻柱与井壁碰撞模型Fig.4㊀Collision model of drill string and borehole wall其中,法向力F n 是重力W 和2个拉力F t ㊁F t +ΔF t 的法向分量的负矢量和,表达式为:46 ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械2023年㊀第51卷㊀第11期F n=F tΔαsinθ()2+F tΔθ+W sinθ()2[]⅟(20)㊀㊀由F n的方程式可得到ΔF t的方程式:ΔF t=W cosθ ʃμF n(21)式中:Δα为方位角随元件长度的增加量,rad;Δθ为元件长度上倾角的增加量,rad;θ 为元件的平均倾斜角,(ʎ);μ为钻柱与井筒之间的滑动摩擦因数㊂图5㊀钻柱单元受力分析Fig.5㊀Force analysis of drill string unit2㊀钻柱动力学仿真模型建立2.1㊀基本假设(1)忽略钻柱螺纹连接处㊁局部孔和槽等位置的刚度;(2)保持井眼直径及曲率不变,其横截面始终为圆形;(3)钻柱视为均质圆环截面弹性梁单元组成,钻柱变形处于线弹性;(4)不考虑钻井液的影响;(5)钻柱钻进前,其轴线与井眼轴线重合,钻头与井筒之间无间隙㊂2.2㊀三维仿真模型建立利用SolidWorks软件建立钻柱单元模型㊁扶正器㊁ø311mm钻头以及井壁模型,并完成水平井钻柱模型装配㊂各部件的具体尺寸为:钻柱外径127.0 mm,内径76.0mm,总长480.0mm,密度7801 kg/m3,弹性模量207GPa;井筒外径400.0mm,内径315.0mm,竖直井段长100m,弯曲段曲率半径180m,水平段长100m;钻头最大外径311.0mm㊂2.3㊀钻柱单元柔性化及动力学仿真模型建立为了使仿真模拟更加贴近实际情况,将三维模型导入ADAMS软件后设置钻柱单元材料为刚体,单元与单元之间固定连接,钻柱单元逐个采用AD-AMS软件柔性化模块直接柔性化㊂其他零部件如井筒㊁钻头㊁扶正器等的材料设置成刚体,井筒与大地为固定副,形成刚柔耦合的动力学仿真模型,如图6所示㊂图6㊀钻柱刚柔耦合的动力学仿真模型Fig.6㊀Dynamic simulation model forrigid-flexible coupling of drill string2.4㊀约束条件和接触关系井口钻柱受大钩载荷和转盘约束影响,只能沿轴向运动和绕轴转动,剩余自由度全部约束㊂钻头破岩时做轴向移动和旋转运动,其横向位移受到约束,此外还受钻头与地层的相互作用产生的激振力和扭矩的作用[18]㊂ADAMS提供了3种接触力的计算方法,分别是Restitution㊁Impact和User Defined㊂其中,Im-pact是基于碰撞函数的接触算法,由于井壁和钻柱是随机碰撞接触,所以接触力选用Impact方法求解㊂参数设置:刚度K为35000,阻尼c为28,指数为1.5,透深为0.1,静摩擦因数为0.05,动摩擦因数为0.03㊂2.5㊀模型验证为确保仿真结果的可靠性,用Johancsik模型与笔者建立的水平井钻柱系统钻进仿真模型计算钻柱钻进时产生的轴向力,2种计算结果对比如图7所示㊂图7㊀Johancsik模型与ADAMS模型结果对比Fig.7㊀Comparison of results from Johancsik and ADAMS models562023年㊀第51卷㊀第11期吴泽兵,等:水平井钻柱系统动力学特性分析模型的建立㊀㊀㊀从图7可以看到,2种模型得到的轴向力变化趋势基本一致,进一步验证了仿真模型的正确性㊂3㊀动力学特性分析3.1㊀稳定器对钻柱动力学特性的影响3.1.1㊀稳定器对钻柱接触力的影响在建立的钻柱刚柔耦合仿真模型上添加稳定器来分析稳定器对钻柱动力学特性的影响,仿真结果如图8所示,其中红色箭头为钻柱与井筒的接触力㊂图8㊀水平井钻柱模型钻进仿真结果Fig.8㊀Drilling simulation results ofdrill string model of horizontal well图9为有㊁无稳定器钻头处接触力随时间变化曲线对比㊂从图9可以看出,钻柱加稳定器后,钻头与井壁的接触力幅值变化明显小于未加稳定器的情况㊂这个现象说明,钻柱加稳定器后减少了钻柱与井壁的碰撞,使得钻柱与井壁的接触次数减少,随之产生的接触力也相对较小㊂图9㊀有㊁无稳定器钻头处接触力随时间变化曲线对比Fig.9㊀Variation of contact force overtime at bit with and without stabilizers3.1.2㊀稳定器对钻柱横向振动特性的影响图10展示了钻柱在钻进过程中有㊁无稳定器对钻头处横向位移㊁速度㊁加速度的影响㊂从图10可以发现,加稳定器后钻头处的横向位移㊁速度㊁加速度均减小,即钻头处的横向振动减弱,这进一步验证了前文所述的加稳定器后钻柱与井壁的接触频率降低这一结论的正确性㊂图10㊀有㊁无稳定器钻头处横向振动特性对比曲线Fig.10㊀Lateral vibration characteristics at bit with and without stabilizers3.2㊀卡钻对钻柱屈曲特性的影响3.2.1㊀卡钻对水平段钻柱屈曲特性的影响为分析卡钻对钻柱屈曲特性的影响,模拟卡钻的情况对钻柱进行屈曲特性仿真分析㊂将钻柱-钻头-井壁模型简化为钻柱-井壁模型,以便于仿真计算分析㊂在水平井钻柱钻进的过程中,钻头发生卡钻时,钻柱水平段不同时刻的屈曲特性如图11所示㊂66 ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械2023年㊀第51卷㊀第11期图11㊀钻柱水平段不同时刻屈曲特性Fig.11㊀Buckling characteristics of drill string in horizontal section at different times㊀㊀从图11可以清楚看到,在重力的作用及钻柱底部卡钻的影响下,井眼内的钻柱水平段形态随时间的变化而发生变化㊂从0.6~2.4s 钻柱的截面角位移大于30ʎ,钻柱的屈曲变形为螺旋屈曲;从2.4~3.6s 钻柱产生截面小于30ʎ的角位移,钻柱的屈曲变形为正弦屈曲㊂由此分析可得,钻柱随着时间的延续,钻柱屈曲特性逐步从螺旋屈曲转变为正弦屈曲㊂图11的红色线箭头展示了在不同时刻水平段钻柱与井壁的接触力㊂从图11可以直观地看到钻柱与井壁的接触力的数量也在随时间的延续而增加㊂3.2.2㊀卡钻对竖直段钻柱屈曲特性的影响图12为钻头卡钻情况发生时钻柱竖直段不同时刻的屈曲特性㊂图12㊀钻柱竖直段不同时刻屈曲特性Fig.12㊀Buckling characteristics of drill string in vertical section at different times㊀㊀由图12可知,与钻柱水平段情况相似,在钻柱自重及底部卡钻双重影响下,井眼内的钻柱竖直段形态随时间的变化而变化,钻柱与井壁的接触碰撞也发生相应的变化㊂0.4~1.6s 井筒内的下半段钻柱与井筒外上半段钻柱均出现螺旋屈曲现象;1.6~2.8s 井筒内的下半段钻柱发生正弦屈曲变形,井筒外上半段钻柱依旧发生螺旋屈曲变形;2.8~3.6s 钻柱整体变形为正弦屈曲㊂归纳可得,竖直段钻柱变形规律为随着时间的延续钻柱由螺旋屈曲向正弦屈曲转化㊂3.3㊀大钩载荷对钻柱动力学特性的影响3.3.1㊀大钩载荷对钻柱接触力的影响图13描述了有㊁无大钩载荷时钻头处接触力随时间变化的情况㊂从图13可直观地发现,加大钩载荷后井壁与钻柱的接触力明显减小,这种情况说明大钩载荷有利于减少钻柱与井壁的碰撞以及钻柱失效情况的发生,进一步说明研究大钩载荷对钻柱动力学特性的影响十分必要㊂76 2023年㊀第51卷㊀第11期吴泽兵,等:水平井钻柱系统动力学特性分析模型的建立㊀㊀㊀图13㊀有、无大钩载荷钻头处接触力随时间变化曲线对比Fig.13㊀Variation of contact force overtime at bit with and without hook loads为讨论大钩载荷对钻柱动力学特性的影响且考虑所建钻柱模型重力为311.726kN,笔者对钻柱模型分别施加240㊁250㊁260及270kN 的大钩载荷㊂经仿真分析发现,当施加270kN 的大钩载荷时,钻柱在钻进过程中会发生停止钻进的情况㊂确定在钻柱顶端可施加的临界大钩载荷为260kN 左右㊂这说明在实际作业中,在钻头处施加大钩载荷时,应先模拟计算得到临界大钩载荷值,且应根据实时工况随时调整大钩载荷数值㊂3.3.2㊀大钩载荷对钻柱轴向进给特性的影响大钩载荷对钻头处进给速度及进给加速度的影响如图14所示㊂由图14可得,在钻柱施加大钩载荷后钻柱的进给速度增长明显减缓,钻柱的进给加速度的幅值变化也明显降低㊂其中当施加的大钩载荷小于等于临界值时,大钩载荷数值越大钻柱的进给速度及加速度便越小㊂结果表明,施加大钩载荷后会降低钻柱的钻进速度,减少底部岩石对钻头的破坏,对钻柱有一定的保护作用,亦可通过调节大钩载荷来控制钻柱的钻进速度㊂图14㊀不同大钩载荷时钻柱轴向进给特性Fig.14㊀Axial feed characteristics ofdrill string under different hook loads3.3.3㊀大钩载荷对钻柱横向振动特性的影响图15给出了不同大钩载荷钻头处横向振动特性对比曲线㊂图15㊀不同大钩载荷时钻头处横向振动特性Fig.15㊀Lateral vibration characteristics at bit under different hook loads㊀㊀从图15可以看到,加大钩载荷后钻头处的横向位移㊁速度及加速度明显小于未加大钩载荷时,且这3个变量随大钩载荷的增加而减少㊂这种情况说明钻柱顶部的大钩载荷减少了钻柱的横向振动,恰恰验证了前文所述的施加大钩载荷后降低了钻柱与井壁碰撞频率的正确性,以及当大钩载荷值小于临界载荷时,大钩载荷的值越大钻柱横向振动越稳定,与井壁碰撞频率越低㊂4㊀结论及认识(1)模拟水平井钻柱系统钻进全程,验证了86 ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械2023年㊀第51卷㊀第11期钻柱加稳定器后可减小钻柱与井壁的碰撞频率,使得钻柱与井壁的接触减少,随之产生的接触力及横向振动也相对较小㊂(2)模拟钻头发生卡钻的情况,水平段钻柱随着时间的延续,钻柱屈曲特性逐步从螺旋屈曲转变为正弦屈曲;竖直段钻柱变形规律类似,即随着时间的延续,钻柱由螺旋屈曲向正弦屈曲转化㊂(3)经模拟分析确定临界大钩载荷值为260 kN,当在钻柱端施加的大钩载荷大于临界值时,钻柱在钻进过程中会发生卡钻的情况;当施加的大钩载荷小于临界值时,大钩载荷的值越大,钻柱横向振动越稳定,与井壁碰撞频率越低,钻柱与井壁的接触力也就越小㊂(4)未考虑钻井液㊁槽的刚度等复杂条件对水平井钻柱系统的影响,则模拟结果具有一定的局限性,因此在对钻柱系统动力学特性分析及优化时,应考虑这些复杂条件㊂参㊀考㊀文㊀献[1]㊀张鹤.超深井钻柱振动激励机制及动力学特性分析[D].上海:上海大学,2019.ZHANG H.Research on the mechanism of vibration ex-citation and the drillstring dynamics in ultra-deep wells[D].Shanghai:Shanghai University,2019.[2]㊀孙鸿远.钻柱系统的耦合振动及稳定性研究[D].沈阳:东北大学,2019.SUN H Y.Research on coupled 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Machinery,2022,50(9):1-9.[8]㊀吴泽兵,黄海,郑维新,等.基于机械系统动力学自动分析水平井钻柱-井壁接触仿真分析水平井钻柱-井壁接触仿真分析[J].科学技术与工程,2020,20(33):13762-13768.WU Z B,HUANG H,ZHENG W X,et al.Contactsimulation analysis of horizontal well drillstring-wellborebased on automatic dynamic analysis of mechanical sys-tems software[J].Science Technology and Engineer-ing,2020,20(33):13762-13768.[9]㊀石明顺.煤矿定向井中钻柱非线性动力学特性模拟与分析[D].淮南:安徽理工大学,2020.SHI M S.Simulation and analysis of nonlinear dynamiccharacteristics of drill string in coal mine directional well[D].Huainan:Anhui University of Science and Tech-nology,2020.[10]㊀ZHU X H,ZENG L,LI B.Vibration analysis of adrillstring in horizontal well[J].Computer Modelingin Engineering&Sciences,2019,121(2):631-660.[11]㊀TENGESDAL N K,HOLDEN C,PEDERSEN E.Component-based modeling and simulation of nonlineardrill-string dynamics[J].Journal of Offshore Me-chanics and Arctic 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煤矿井下定向钻孔施工测量精度验证与应用
煤矿井下定向钻孔施工测量精度验证与应用摘要：煤矿钻孔测量与定向钻进技术,能够完成对长距离定向钻孔和井眼轨迹的准确控制。
在煤矿安全与地质调查的研究领域,尤其是在地下瓦斯保护抽放钻孔防水钻井、勘探钻孔等在工程建设中获得了广泛的运用。
在实际使用中,为了实现更精确的穿透与靶向,也实现了精确的定向施工,从而达到了良好的经济效益。
通过精度试验和现场应用,可以更深入掌握钻头构造的精度,从而做出正确的钻头设计。
正是基于此,本章重点对中国煤矿井下定向钻孔测量精度的检验与应用情况进行了分析与研究。
关键词：煤矿井下定向钻孔；施工测量精度定向钻井技术主要来源于石油勘探开采领域。
但随着钻取科学技术的日益发达,定向钻井技术已逐步由传统石油领域走向了地质煤钻取领域,并起到了关键性作用。
煤炭井下打捞近水平定向钻孔技术,是钻进工艺方面的一种新型工艺。
主要进行顶板、亚板岩和中厚煤层瓦斯开采的瓦斯保护抽放钻孔和地质调查研究孔。
而随着定向钻进技术在采煤板块中广泛的应用,对定向钻孔测量的精度计算和应用方法进行深入研究就显得尤为重要了。
在石油勘探开发钻井和非开挖钻出来的等领域,因为水平定向钻井有精确的控制点和目标,所以一般并不考察岩性状态结构。
但在煤矿近水平定向钻孔时,就需要将整个钻孔的测量精确度在煤层瓦斯中尽量增加,以增强瓦斯保护抽放的效应。
所以,受煤层瓦斯地质条件不确定性的影响下,以对钻孔测量精确度的检验与应用为指导定向钻井的主要参考点更为现实。
一、定向钻孔施工的方法原理定向钻孔是一种在钻孔过程中利用水力除渣和测量的钻孔方式。
使用泥浆泵对静压水加压后,将其钻穿钻杆内的供水管道,并转动洞底螺杆电机,给钻头的转动为切割煤岩提供了动能后,水便沿着钻杆与孔道之间的缝隙,清洗出孔内的岩屑。
在施工过程中,通过MWD控制系统可以实时检测地洞钻具的空间调节参数(倾角、方位角、刀具角度等)。
操作者可以通过将实际设计参数和设计参数进行对比来调节油井井底钻具的倾角,以完成下一个钻孔,接着再按照测量精度重新完成设计,直到实际的钻孔线可以沿着施工路线钻至最终钻孔。
龙凯_大型水平轴风力机塔筒门洞屈曲分析研究
Fx_max 8.054 3.135 Fy_min 13.61 13.59 Fy_max 10.88 8.362 Fz_min 56.5 50.072
Fz_max 32.81 32.96 Fr_max 4.45 1.141 8.453 13.73
Mx_min 10.9 Mx_max 13.7
My_min 7.191 7.134 My_max 8.023 3.132 Mz_min 14.77 8.314 Mz_max 14.04 8.759 Mr_max 7.189 7.131
有限元等数值分析方法具有坚实的理论基础与广泛的工程应用近几年来逐步应用于大型化风力机组塔筒结构设计中但是对于塔筒门洞屈曲失稳这类问题有限元法只能作为一种辅助分析手段它需要与其它工程算法相结合来进行分析计算
Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集
大型水平轴风力机塔筒门洞屈曲分析
龙凯 1，谢园奇 2，桑鹏飞 2，吴继秀 1 (1. 华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京，102206) （2. 中国航天万源国际集团有限公司，北京，100176）
相比较工程算法而言，有限元法能处理含门洞、门框等复杂结构。为了进行塔筒门洞段 屈曲分析，被分析塔筒截段的高度最小满足 2.5 倍底部直径值要求，可以截取塔筒底部至上 一法兰段。 采用八节点六面体单元对塔筒门洞结构进行离散以提高分析精度。 全约束塔筒底 部法兰底面，为了方便载荷施加，在顶部法兰中心处建立网状刚性元，在中心处施加三个方 向的力和三个方向的矩。为了考察无门洞、有门洞、有门洞含门框三种不同结构对一阶屈曲 特征值的影响，采用 HyperMesh 软件分别建立了如图 2 所示不同的门洞网格模型。其中含 门框的塔筒门洞模型共包含 47 015 个节点，25 377 个单元。由 Focus 软件输出塔筒段法兰 中心截面处的载荷值，其中共包含 14 个极限工况。x, y ,z 坐标系满足 GL2010 认证规范塔筒 底部坐标系要求，Fx_min 工况表示在所有计算工况中，施加载荷部位的 x 方向力的代数值 对应最小，其它工况依此类推。采用 Radioss 软件进行屈曲特征值求解，不同塔筒门洞在各 工况下的一阶屈曲特征值如表 2 所示。
基于ANSYS Workbench精密轴系摩擦力矩测量仪水平轴系的模态分析
基于ANSYS Workbench精密轴系摩擦力矩测量仪水平轴系的模态分析姜昱婵1，李晓舟2，王晶东，于化东，许金凯，鲁健（1.长春理工大学机电工程学院. 吉林长春,130022，（2.长春理工大学机电工程学院. 吉林长春,130022）摘要：本文以精密轴系摩擦力矩测量仪水平轴系为研究对象，采用CATIA进行三维实体建模，并将模型导入到ANSYS Workbench中，对水平轴系上的扭矩传感器和用联轴器相连接的扭矩电机进行静力学分析，得到扭矩传感器和扭矩电机的等效应力图和位移图，再分别对其进行模态分析，并获得水平轴扭矩传感器和扭矩电机的前六阶固有频率及振型，通过分析，得出结论，该水平轴系不会发生共振，为今后精密轴系摩擦力矩测量仪的结构优化设计提供了良好的理论依据。
关键词：精密轴系；摩擦力矩；水平轴系；ANSYS Workbench ；静力学分析；模态分析中图分类号：TH-3 TH13.O325文献标识码：A文章编号：（编辑部制作）Modal Analysis of the Horizontal Shaft of The Measuring Instruments of Friction Torque of Precision Shaft Based on ANSYS WorkbenchYuchan Jiang1, Xiaozhou Li2(1.Department of Electrical Engineering College.Changchun University of Science and Technology, Changchun, 130022, China,(2.Department of Electrical Engineering College.Changchun University of Science and Technology, Changchun, 130022,China) Abstract:The paper takes the horizontal shaft of the Measuring Instruments of Friction Torque of Precision Shaft as the research object.The three dimensional model is established by using CATIA,and then imported to the ANSYS Workbench .Taking statistic analysis on the torque sensor and the torque motor which is connected with the sensor on the common horizontal shaft respectively by using the software of ANSYS Workbench.The equivalent effect and displacement diagram can be obtained,then taking the modal analysis respectively in order to get the the first six order natural frequency and vibration mode of the torque sensor and the torque motor.Through the analysis .The conclusion comes to that the resonance of the horizontal shaft can not occur.The result provides a better theoretical basis on the stucture optimization of the Measuring Instruments of Friction Torque of Precision Shaft.Keywords: Precision Shaft ; Friction Torque; Horizontal Shaft ; ANSYS Workbench ; Statistic Analysis; Modal Analysis引言精密轴系摩擦力矩测量仪是用于测量轴系的摩擦力矩，故测量仪的水平轴系的动静态特性直接影响其测量仪器的精度、稳定性以及可靠性。
基于ANSYS的水平定向钻机大梁的模态分析与改进设计
筑物等障碍物铺设各种管线（ 包括 电力电缆 、 电讯 电缆 、 热力 管道 、 燃气 管道 、 给排 水 管道等 ） ［ 。
水平定 向钻机的主要功能是为钻杆提供足够 大 的扭 矩 和推拉 力 ， 以实 现导 向钻 进和 回拉 扩孔铺
管 ， 正 向着多 功能 、 其 集成 化 、 自动 化 、 准化 、 标 系列
定向钻机正常工作时液压缸所 能达 到的最大长度 （ 当液压缸达到其最大行程时） 的圆柱杆件来等效 。 虽然 ＡＮＳ ＹＳ在 其 前 处 理 阶段 具 有 较 强 的 建
模 功能 ， 以直 接 在其 中创 建 模 型 ， 是 对 于 复 杂 可 但
的模型 ， 的建模效率 都是很低 的Ｅ 。因此本文 它 ４ ］ 采用三维造型功能强大 、 操作简单 、 与其他三维设
在对 结构 进行 模态 分析 时 ， 建模 型能 够正 确 所 反映结 构 的振 动特性 即可 ， 因此对 于水 平定 向钻 机 大梁 上 的细 微 结构 ， 如尖 角 、 小孔 等 在 建模 时 可 以
收 稿 日期 ：０ ６—０ ２０ ６—０ ６
在建立大梁三维有限元模型时， 所选择的单元 属性如下 ： 单元类型为 Ｓ ｌ４ 。材料属性如下 ： ｏｄ ５ ｉ 弹
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现代设计技术・
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朱宏陪 基于 Ａ Ｓ Ｓ的水平定 向钻机大梁的模态…… ３ ＮＹ ５
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对其整体结构进行网格划分 比较困难。因此 ， 在对 导入模型的所有实体部分实施粘接操作后 ， 分别对
各组 成部 分进 行 网格 划 分 。这样 做可 以大 大 加快 运算 速 度 ， 而且 对 运算 精 度 影 响 也 不 大 实 体 ５。 模 型被转 化为相 应 的有 限元 模 型后 ， 共含有 ４ ５ １１２ 个节点 和 １９６ ４个 单 元 。 图 ２为大 梁 的 有 限元 ７ ０
坑道定向钻进系统在隧洞水平勘探工程中的适应性分析
钻探工程Drilling Engineering第50卷第5期2023年9月Vol. 50 No. 5Sep. 2023：116-124坑道定向钻进系统在隧洞水平勘探工程中的适应性分析胡郁乐1，赵海滨*1，2，姚震桐1（1.中国地质大学（武汉），湖北 武汉 430074； 2.山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250007）摘要：随着城市地铁隧洞、铁路隧道等工程建设的推进，水平孔定向地质勘探法已成为一种新的勘探手段，相较于传统的竖向孔施工，其能回避复杂的施工环境，节省大量钻探工作量，技术经济优势明显。
坑道定向钻进系统用于地表或隧洞勘察具有传统优势，但以取心为主的水平勘探要求更高，坑道定向钻进技术在取心工艺适应性和钻机功能模块等方面需要针对性地改进升级。
围绕水平定向勘察的技术特点，对比分析了典型坑道定向钻进系统在钻杆体系、水平勘察钻机、钻具组合与取心工具、定向钻进仪器和钻探信息化等方面的适应性，总结了构建隧洞水平勘探工程技术体系必须依托的技术集成。
针对高效取心作业和可变轨钻探作业的要求，明确了水平勘探钻机大扭矩强给进能力、多工艺适应能力、高效钻进能力、高效起下钻能力、取心能力和动力头结构的改造方向。
分析了在轨迹变化频繁的定向孔中应用绳索取心钻具的不足和限制，并探索了钻探信息化进程中的信息参数类别和传输路径。
关键词：坑道定向钻进系统；隧洞水平勘探；水平定向勘察；钻探信息化中图分类号：P634；U452.1 文献标识码：A 文章编号：2096-9686（2023）05-0116-09Adaptability analysis of tunnel directional drilling system in tunnelhorizontal exploration engineeringHU Yule 1，ZHAO Haibin *1,2，YAO Zhentong 1(1.China University of Geosciences, Wuhan Hubei 430074, China ；2.The First Geological Team of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources,Jinan Shandong 250007, China )Abstract ： With the advancement of engineering construction such as urban subway tunnels and railway tunnels ， the horizontal directional geological exploration method has become a new exploration method. Compared to traditional vertical hole construction ， it can avoid complex construction environments ， save a lot of drilling workload ， and have obvious technical and economic advantages. The tunnel directional drilling system has traditional advantages for surface or tunnel exploration ， but the horizontal exploration mainly based on coring has higher requirements. The tunnel directional drilling technology needs targeted improvement and upgrading in aspects such as coring process adaptability and drill function module. Focusing on the technical characteristics of horizontal directional exploration ， this paper compares and analyzes the adaptability of typical tunnel directional drilling systems in aspects of drill pipe system ， horizontal exploration rig ， drill assembly and coring tool ， directional drilling instrument and drilling informatization ， and summarizes the technical integration that must be relied on to build the tunnel horizontal exploration engineering technical system. In response to the requirements for efficient coring operations and variable track drilling operations ， the direction for the transformation of the horizontal exploration drilling rig ’s high torque and strong feeding capacity ，收稿日期：2023-02-28； 修回日期：2023-05-27 DOI ：10.12143/j.ztgc.2023.05.017基金项目：国家自然科学基金重点项目（编号：61733016）；山东省第一地质矿产勘查院2020年对外开放基金项目（编号：2020DW01）第一作者：胡郁乐，男，汉族，1970年生，教授，博士生导师，研究方向为钻探（井）工艺技术、井下工具及钻井仪表，湖北省武汉市洪山区鲁磨路388号，************.cn 。
煤矿用定向钻机制动装置的有限元仿真
煤矿 用定 向钻机制动装置的有 限元仿真
邵 俊 杰
（ 中煤科 工集 团西 安研究 院 ， 西 西 安 ７０ ７ ） 陕 １０ ７
摘 要 ： 向钻 机 是 煤矿 井 下 水平 定 向钻 进 系统 的核 心设 备 ， 定 制动 装 置 则是 定 向 钻 机 实现 定 向钻 进 的 主要 功 能 部 件 。 采
以上 ， 图 ２所示 。 如
１ 仿 真 分 析
在设计过程 中， 了校核制动装置的制动能力 ， 为 在有 限元仿 真软件 Ａ ａｕ 中对制动装 置进行有 限 ｂｑ ｓ 元 分 析 ，主要 研究 制 动 装 置在 液压 油 压力 下 的受 力 状况 ， 以及 摩擦 盘 之 间发生 滑动 时 的扭 矩 。总体 思路
１ ０
Ｅ ｕｐ ｎ Ｍａ ｕａ ｔ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｎｏ５， ０ ２ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ｎ ｆｃ ｒ ｇ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ． ２ １ ｉ
程 中的应力场 ， 进行 了数值模拟 ， 得到定 向装置的应
施工新技术【 ． Ｍ］北京 ： 煤炭工业 出版社 ，０ ８ ２０．
ｆ］ ３ 申宝宏 ， 刘见 中 ， 弘． 张 我国煤矿 瓦斯治 理的技术 对策 ｆ． Ｊ ］
用 Ａ ａ ｕ 软件对制动装置进行 了有限元分析， ｂｑ ｓ 对其工作过程 中的应 力场进行 了数值模拟 ， 并通过物理模 拟试验对该仿 真结 果进行 了验证 。 该仿真分析揭示了制动过程 中制动盘的应 力场分布规律 ， 为制动装置的结构设计提供 了重要依 据 ， 物理模拟 结果 为今后的数值仿真参数选取提供 了参考 。 关键词 ： 制动装置 ； 仿真 ； 有限元 ； 定向钻机 ； 煤矿 井下
带旋转导向工具底部钻具组合的动力学特性分析及参数优化
带旋转导向工具底部钻具组合的动力学特性分析及参数优化胡以宝;狄勤丰;李汉兴;王文昌;姚建林【期刊名称】《石油钻采工艺》【年(卷),期】2011(033)002【摘要】带旋转导向的底部钻具组合(RSBHA)在钻井过程中发挥着极其重要的作用,现场更多关注的是其导向能力,对它的工作状态平稳性没有严格要求.为防止RSBHA的剧烈振动和失效事故,建立了RSBHA的动力学模型,运用有限元法分别计算分析了不同结构、不同转速、不同钻压条件下的底部钻具组合的动力学特性,求得了动态位移和动态弯曲应力.结果显示:合理安放稳定器能够有效地减弱RSBHA 的横向振动,降低其动态弯曲应力;转速对RSBHA的动态弯曲应力影响很大,当转速为100 r/min时应力水平最低,180 r/min时应力水平最高;带旋转导向的钻具组合结构合理时,增大钻压时,其横向位移变化较小,动态弯曲应力分布比较合理.该结果为进一步研究RSBHA提供了理论依据.【总页数】4页(P8-11)【作者】胡以宝;狄勤丰;李汉兴;王文昌;姚建林【作者单位】上海大学,上海市应用数学和力学研究所,上海,200072;上海大学,上海市应用数学和力学研究所,上海,200072;中海石油研究中心,北京,100027;上海大学,上海市应用数学和力学研究所,上海,200072;上海大学,上海市应用数学和力学研究所,上海,200072【正文语种】中文【中图分类】TE291【相关文献】1.柔性短节位置对带旋转导向工具底部钻具组合动力学特性的影响 [J], 狄勤丰;王明杰;胡以宝;赵域栋;朱卫平;王文昌2.带旋转导向工具的底部钻具组合动态应力有限元分析及优化 [J], 何保生;王明杰;狄勤丰;王文昌;沈子俊3.新型指向式旋转导向钻井工具关节轴承动力学特性研究 [J], 张光伟;侯朋朋;程礼林;向琳4.带旋转导向工具的底部钻具组合横向振动特性研究 [J], 狄勤丰;芮子翔;周星;冯大军;王文昌;陈锋5.全旋转内置式导向钻井工具动力学分析及仿真 [J], 张光伟;乔阳;田帆;高嗣土;尹福来因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
钻柱振动模态分析的开题报告
钻柱振动模态分析的开题报告
题目：钻柱振动模态分析
一、研究背景和意义
钻柱是石油、天然气等工业领域中重要的钻井工具，其稳定性和振动特性对钻探工艺和井下作业具有重要影响。
因此，对钻柱振动进行分析和研究，有利于优化钻井工艺，提高采油效率。
目前，钻柱振动模态分析已经成为研究热点。
本研究将通过建立钻柱有限元模型，进行模态分析，并对模态振型进行分析和对比，以获取更好的钻柱振动控制方法和钻井过程中的安全措施。
二、研究内容和方法
1.钻柱有限元模型建立与验证
选取某一钻井工程中的钻柱作为研究对象，建立其有限元模型。
采用ANSYS软件进行边界条件和材料属性的设定，通过有限元分析验证模型的有效性。
2.钻柱振动频率特性分析
采用Modal分析方法，分析其固有振动频率、振动模态及其特性。
3.不同条件下钻柱振动特性对比
分别对不同工艺参数和井深条件下的钻柱振动进行模拟分析，并对不同条件下钻柱振动特性进行对比分析，揭示不同工艺和井深条件对钻柱振动的影响。
三、预期成果及应用价值
1.建立钻柱有限元模型，能够验证其应力和振动特性；
2.钻柱振动模态分析能够揭示钻柱固有振动频率、振动模态及其特性，为钻机振动控制提供基础；
3.通过对不同工艺和井深条件下钻柱振动特性进行对比，可为钻井过程中的安全措施提供参考依据。
综上所述，本研究将为优化钻井工艺、提高采油效率、改善作业安全性提供指导。
水平定向钻进施工地表沉降分析
水平定向钻进施工地表沉降分析摘要：水平定向钻进具有对周围交通及环境影响小、施工方便且周期短等优点，目前已得到大量的工程应用。
但其作为地下工程施工的一种，不可避免的会导致地表产生沉降变形。
本文利用FLAC3D有限差分软件，对水平定向钻进导致的地表沉降进行分析，结果可为相关设计和施工提供借鉴意义。
关键词：水平定向钻进；FLAC3D有限差分软件；地表沉降1、概述水平定向钻进技术是指在不开挖地表的条件下，利用地表的定向钻孔设备，结合岩土钻掘及测控导向等技术，铺设各种地下管线的一项技术。
与传统的开挖施工相比，水平定向钻进施工具有施工方便且工程周期短、经济效益显著、对周围交通及环境影响小等优点，自上世纪90年代被引入我国后，已被广泛应用到市政给排水、通讯、天然气、电力等领域的管道铺设和修复。
大量的工程实践表明，地下工程施工都会引起周围地层及地表产生不同程度的沉降变形，水平定向钻进铺管施工作为地下工程施工的一种，也会导致地表产生沉降变形。
在水平定向钻进铺管技术应用较多的城市地区施工时，由于施工区域有限、地表既有建筑物密集以及其它条件的限制，管道铺设深度一般在10m之内，并且施工区域周围环境一般对地表沉降变形较敏感，且引起的后果也较严重，因此对水平定向钻进施工引起的地表沉降变形问题进行研究具有很强的现实意义和工程实用价值。
2、水平定向钻进铺管施工利用水平定向钻进施工一般分为三个步骤：导向孔施工；扩孔；管道回拖。
导向孔施工：安照预先设计的钻孔轨迹，利用导向钻头顶进造斜、旋转直进的原理，在钻头信息发射装置、地面接收设备和钻机操作员控制的共同作用下，精确的对钻孔轨迹进行控制，使之与设计轨迹相符。
扩孔：利用小口径导向钻头完成导向孔施工后，就要换上扩孔钻头对导向孔进行扩孔施工，其方式一般分为多级和一次性扩孔两种。
管道回拖铺管：在管线回拖时，一般要在管道前配制回扩头和分动器，然后通过回转的钻杆拉动管道安照钻孔轨迹铺设。
一般要求扩孔与铺管连续施工，尽可能的减少因钻孔暴露时间过长而导致孔内发生垮塌的可能性。
水平定向钻机工况参数检测系统的研究张峰
煤矿机械Coal Mine Machinery Vol.34No.01 Jan.2013第34卷第01期2013年01月0前言我国对水平定向钻进技术的应用研究相对于国外差距较大，水平定向钻进过程中的技术规范还未形成体系。
在施工过程中经常出现卡钻、冒浆等安全事故，因此对施工地段的前期物探、随钻判层2项指标的技术要求更高。
由于钻进过程中的不可见性和复杂性，很难直接从钻头处获取有效数据，通过钻机各项参数的检测间接获取钻进地层的地质结构成为一种有效的检测方法。
1工程要求（1）信号的抗干扰性参数检测系统所带的无线发射模块的频率为433MHz，而导向仪所使用的频率在413MHz左右（地面接收部分），探棒的频率在33kHz左右。
在保证同步工作的情况下不产生相互干扰，数据稳定有效。
施工地段位于高压线下方，电磁干扰大，需要检验仪器信号的捕捉和放大是否正常，反应是否灵敏。
在出现干扰的情况下，记录仪器的灵敏度下降情况。
（2）设备的抗高温性钻机的液压回路温度可以高达100℃，同时户外环境温度较高，钻机导热效果明显，检测系统所承受的最大温度可能高于100℃。
这样的高温对于设备的性能要求很高，尤其是和钻机直接接触的传感器和零件。
加之钻机振动较大，在长时间振动和摩擦的情况下，应注意共振和漏电等的发生。
（3）系统的兼容性钻机作为检测系统的载体，在其设计时仅仅考水平定向钻机工况参数检测系统的研究张峰1，乌效鸣1，路桂英2，符毕犀1(1.岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉430074；2.中国地质大学（武汉）机电学院，武汉430074)摘要：通过在水平定向钻机上安装的钻进参数自动检测系统，依托各种传感器实时采集导向、扩孔和拉管全过程中的6个关键参数：顶拉力、扭矩、转速、钻速、泥浆压力和流量。
数据经过处理显示出来，同时被存储,上位机软件对数据进行回放和智能分析。
关键词：水平定向钻进；管道穿越；钻进参数；自动检测；智能分析中图分类号：P634.3文献标志码：A文章编号：1003－0794（2013）01－0083－03 Research of HDD Rig Condition Data Detect SystemZHANG Feng1,WU Xiao-ming1,LU Gui-ying2,FU Bi-xi1(1.Engineering Research Center of Rock-Soil Drilling and Excavation and Protection,Ministry of Education,Wuhan 430074,China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering,China University of Geosciences,Wuhan430074,China)Abstract:With the Rig Condition Data Detector on horizontal directional drilling machine,six kind of critical data can be collected by different sensors in whole process of reaming and slide trombone, including jacking pressure,torque,revolution,drilling rate,pump volume,pump pressure.Data handled can be displayed and conserved,data also will be reviewed and have intelligent analysis by the PC software.Key words:HDD；pipeline penetration；drilling parameters；automatically detect；intellectual ability to analyze83虑了施工的安全性和可靠性，而之后的安装虽然和钻机生产厂家进行了沟通，预留了安装空间，获得了零配件支持，其稳定性仍需要验证。
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htt p:∥ZZHD.chinaj ournal .net .cn E 2mail:ZZHD@chainaj ournal .net .cn 《机械制造与自动化》作者简介:解艳秋(1980— ),女,山东巨野人,东南大学硕士研究生,研究方向:机械电子。
水平定向钻机底盘有限元模态分析解艳秋1,2(1.东南大学机械工程学院,江苏南京211189;2.常州轻工职业技术学院,江苏常州213164)摘 要:以水平定向钻机的关键支撑部件底盘为研究对象,在其三维实体模型的基础上建立模态分析的有限元模型,运用ANSYS 有限元软件对底盘进行了模态分析。
通过求解,获得了底盘固有振动频率和模态振型,通过分析其前三阶振动频率和模态振型,判别出底盘的薄弱环节及共振区域,为定向钻机结构的改进和动态特性的提高提供了设计依据。
关键词:水平定向钻机;有限元模型;模态分析;固有频率中图分类号:T H136;TP391.77 文献标识码:A 文章编号:167125276(2008)0520142203F i n ite Elem en tM oda l Ana lysis of Hor i zon t a l D i recti ona l D r iller Cha ssisX I E Yan 2qiu(1.Schoo l o f M e cha n i ca l Eng i ne e ri ng,So u thea st U n i ve rs ity,N an ji ng 211189,C h i na;2.C ha ngzho u I n stitu te o f L i gh t I ndu stry Techno l o gy,C ha ngzho u 213164,C h i na )Abstract:A fi n ite e l em en t m ode l is built up ba se d o n the 32D m o de l o f the ho ri zo nta l d irec ti o na l drill e r cha s s is.The fi n ite e l em e n t a 2na l ys is so ft w a re 2AN S YS is app li e d t o the m o da l ana l ys is of the cha ss is.B y a na l yz i ng the p re ce d i ng th re e step na tu ra l vi bra ti o n fre 2que nc i e s a nd its co rre spondi ng vi bra ti o n m o de s the cha ss is w e ak li nk and re sona nce a re a a re re cogn i ze d.I t is ve ry use fu l t o i m 2p r ove the s truc ture of ho ri zon ta l c ire c ti o na l d rill e r (HDD )a nd t o i nc rea se its dynam i c p e rf o r m a nce.Key words:ho ri zo n ta l d ire c ti o na l drill e r;fi n ite e l em e n t m o de l ;m oda l ana l ys is;na tura l frequency0 引言水平定向钻机(horizontal directi onal driller )是目前广泛使用的一种重要的非开挖施工机械[1],工作原理如图1所示,其结构庞大、设备吨位大、制造费用高,在我国虽已经历了由引进到自行开发近数十年的发展历程,但由于设计起点低,对整机特性的认识不足,在施工应用中常存在振动现象,从而影响了作业精度。
水平定向钻机底盘是其重要的支承件,起着承受力和容纳各种零部件的作用。
支承件的动态性能直接影响到整机工作精度及使用寿命,所以要求设计出的钻机支承件必须具有足够的动、静态刚度。
为此,以一种回拖力为280k N 的某型号水平定向钻机关键支撑部件底盘为对象,计算出该零件的固有频率和振型,为分析底盘的表面振动响应作必要的准备,也为定向钻机的改进设计提供了一定的理论依据。
图1 水平定向钻机工作示意图1 有限元分析前处理1.1 建模在对结构进行模态分析时,所建模型能够正确反映结构的振动特性即可,因此对于水平定向钻机底盘(图2)上的细微结构,如尖角、小孔等在建模时可以忽略[2]。
虽然ANSYS 在其前处理阶段具有较强的建模功能,可以直接在其中创建模型,但是对于复杂的模型,它的建模效率都是很低的[3],因此采用三维造型功能强大、操作简单、与其他三维设计分析软件数据交换能力强的工程建 ・241・M ac hine BuildingA uto mation,O ct 2008,37(5):142～144模软件Pr o /E NGI N EER 来建立底盘的三维实体模型,所建模型如图2(b )所示。
图2 水平定向钻机底盘模型1.2 划分网格利用Pr o /E NGI N EER 与ANSYS 的良好数据接口,将建好的实体模型导入ANSYS 中,为建立底盘的三维有限元模型做准备。
进行求解之前,实体模型必须转化为FE A,即创建节点、单元。
在建立有限元模型时做了如下规定:a )底盘的各部分焊接点均为模型的刚性节点,各连接处均作为模型的刚性节点;b )由于底盘的结构复杂,为提高计算精度采用二次四面体单元Solid92,并应用自由网格划分方式划分网格,底盘被离散为51552个节点,103344个单元。
其材料属性如下:弹性模量E =2.06×105MPa;泊松比μ=0.3;材料密度ρ=7.85×10-6kg/mm 3。
底盘有限元计算模型如图3所示。
图3 底盘有限元模型1.3 加载求解在划分网格结束后,对底盘与其他零部件配合处分别施加零自由度位移约束,然后选择子空间法进行求解,计算出底盘的模态振型。
2 有限元计算与结果分析2.1 有限元计算结果水平定向钻机的底盘是一个具有无限多个自由度的系统,存在对应于其无限多个固有频率的无限多个振型,高阶振型的阻尼值一般也较高,在振动中起的作用也较小[4],所以模态分析主要集中在影响较大的低阶模态上,本文只计算出前三阶模态,表1给出了底盘固有振动频率的ANSYS 有限元计算结果。
各阶模态振型图如图4～图6所示。
表1 底盘的固有振动频率和振型描述阶数频率/Hz振型描述1109.962底盘前端在xy 平面内轻微弯曲及后端在xz 平面内绕y 轴的轻微扭转2123.061底盘前端在xy 平面内轻微弯曲及后端在xz 平面内的轻微弯曲3127.147底盘整体的轻微扭转图4 底盘一阶模态振型图2.2 计算结果分析a )从模态分析的结果可以看到:底盘的振型主要集中在XY 和XZ 平面内的弯曲变形,而且不同的固有频率对应于不同的模态振型。
除了弯曲变形以外,也会发生底盘整体的轻微扭转变形。
底盘后端的扭转变形说明,钻机在工作时,后支架与底盘接合处是底盘结构的薄弱环节之一。
从对底盘各阶固有频率所对应节点的总位移向量云图分析中可见:最大位移一般都发生在底盘的尾部,而且・341・htt p:∥ZZHD.chinaj ournal .net .cn E 2mail:ZZHD@chainaj ournal .net .cn 《机械制造与自动化》图5 底盘二阶模态振型图图6 底盘三阶模态振型图由于支架的位置更靠近底盘的尾部,所以支架与底盘的连接是整个底盘结构的一个关键之处。
b )上述对底盘的模态分析结果,并不能完全反映其实际工作时的情况。
因为在实际工作中,还会在底盘上安装其他装置,包括大梁、发动机、油水散热器、燃油及液压油箱、操纵装置以及底盘行走装置等等。
这些装置会对底盘的模态产生不同程度的影响,有的会影响底盘整体模态,有的会影响其局部模态,即质量矩阵会发生改变,由ω=K /M 可知,无论是整体模态还是局部模态,频率都会有所下降[5]。
但是,底盘的激振源(水平定向钻机的动力源:柴油机)的频率为35Hz,这要比大梁的一阶固有频率值109.962Hz 小很多,所以底盘在实际工作中的真实固有频率虽然较之109.962Hz 会小些,但是也不会小到接近于35Hz,即底盘本身是不会发生共振的,其结构设计是很保守的,有较大的修改余量。
3 结论水平定向钻机性能的提高取决于其固有振动频率的提高和振动形式的改变,底盘是钻机重要的支撑件,它的动态性能直接影响整机的工作性能。
通过对水平定向钻机的底盘进行模态分析,得到其各阶固有频率及相应的模态振型,可见底盘本身是不会发生共振现象的,而且其一阶固有频率值109.962Hz 比激振源的频率35Hz 大,有足够的余量。
在钻机基本结构没有大变动及保证底盘足够刚度的前提下,可以适当减小底盘筋板厚度,这样既可减少整机质量,还可以适当提高其固有振动频率。
水平定向钻机在施工过程中存在振动现象,而由前面的分析可知:其重要部件之一底盘本身并不会发生共振,可见很有必要对水平定向钻机整体进行模态分析,求得整机的固有频率及相应的各阶振型,找出整机的薄弱环节及共振区域,然后进行结构改进,增强整机的动力特性,这是今后迫切需要解决的问题。
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