矩形脉冲激励下斜支承弹簧系统冲击特性的研究
脉冲成形滤波器的设计
分类号论文选题类型U D C 编号本科毕业论文（设计）题目脉冲成形滤波器的设计院（系）物理科学与技术学院专业电子信息科学技术年级2007级学生姓名张力学号2007213154指导教师楚育军二○一一年五月华中师范大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。
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本学位论文属于1、保密□，在_____年解密后适用本授权书。
2、不保密□。
（请在以上相应方框内打“√”）学位论文作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日目录内容摘要 (1)关键词 (1)Abstract (1)Key Words (1)1．引言 (2)2．基带脉冲成形滤波的基本原理和设计方法 (3)2.1基本原理 (3)2.2 Matlab设计与仿真 (5)3．基带脉冲成形滤波器的FPGA实现方法 (8)3.1查表法基本原理 (8)3.2实现结构 (8)3.3 quartus仿真结果 (10)4．结论 (11)参考文献 (11)致谢 (12)内容摘要：基带成形滤波器是全数字调制器的重要组成部分之一。
成形滤波运算是调制过程中运算量较大的部分，高效的实现成形滤波对提升调制器的性能有着重要的意义。
本文首先介绍基带脉冲成形滤波器的基本原理，然后介绍采用Matlab设计成形滤波器的方法和仿真结果，最后给出使用查找表在FPGA上实现基带脉冲成形滤波器的设计方法。
考虑支承动刚度的船舶轴系横向冲击响应计算
振 动 与 冲 击第26卷第2期JO U R N A L O F V I B R A TIO N A N D SH O C KV ol .26N o.22006考虑支承动刚度的船舶轴系横向冲击响应计算收稿日期:2004-12-21 修改稿收到日期:2005-03-05第一作者李晓彬男,博士生,1971年月生李晓彬, 杜志鹏, 夏利娟, 金咸定(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院,上海 200030)摘 要 对船舶轴系进行冲击响应计算,通常在轴架支承处采用弹性边界处理,取一个近似的支承静刚度。
本文采用实验方法对某舰尾轴架进行动刚度测量,得到了前尾轴架和后尾轴架的横向动刚度曲线。
以此为基础,对该舰的轴系,建立了有限元模型,轴架支撑处横向动刚度用广义弹簧-阻尼器系统进行模拟,计算了在横向冲击作用下考虑动刚度效应的轴系横向冲击响应。
关键词:前尾轴架,后尾轴架,动刚度,横向冲击响应中图分类号:U 664.2 文献标识码:A0 引 言动刚度是衡量结构抗振能力的常用指标结构在动态力作用下,动刚度越大,振动量越小;反之,动刚度越小,振动量越大。
分析结构的动刚度特性,研究提高动刚度的途径,能较合理地进行结构动态设计,消除结构中的薄弱环节、增强结构的抗振、抗冲击能力[1]。
目前结构的动刚度主要是通过实验的方法得到。
朱振江、严雄[2]采用锤击法对一隔振器的横向动刚度进行了测量。
姜尚崇[3]对一台300M W 的汽轮发电机轴承座的支承动刚度进行了测量,并用测得的动刚度计算汽轮发电机转子的临界转速。
船舶推进轴系是船舶动力系统的一个主要组成部分,轴系在冲击载荷下的位移响应和应力大小直接关系到船舶动力系统的生存能力[4]。
沈荣瀛、张智勇、汪玉[5]采用有限元与数值仿真相结合的方法,建立推进轴系垂向冲击响应计算的数学模型,导出了在加速度冲击输入条件下轴系垂向冲击响应数值仿真方法。
周海亭、沈荣瀛、孙蕙庆[6]对某舰的轴系进行了横向冲击响应计算。
矩形簧片共振频率的研究
式中 ： ｎ 一 振 动 阶数 ， 表示 ｔ ／ ， ＝１ ， ２ ， ３， ４ ， …；
一
： ＿ ＿ ＝ － － ： Ｉ ． ＿ ＿ － ． ． ÷＝ ： ． ＿ ＿ ． ： ． ＿ ． － － ＿ ． ＿ ： ＿ － ． ＝ ． 箍＝ ． ： ＿ ． ． ＿ ＿ ｌ ＿ ： ： ＿ ＝ ． ． ： ． ． ～ ． ＿ ｕ Ｉ ｌ ｌ Ｉ ＿ － ＿
一
簧 片的厚 度 ；
∞ 一 簧 片宽度 ； ｆ 一 簧 片 自由端 长度 ；
ｐ 一 簧 片材料 的密 度 ； ｐ 一液 体介 质 密度 ；
一
哨作为声空化发生器之一 ， 是利用射流喷注冲击簧片 ， 激 发簧片做横向振动 ， 向周 围液体辐射声 波。簧片哨结构 简单 、 坚 固耐 用 、 处理量大 、 耗 电量 小 、 动力 源方 便 ， 在 污
图１ 悬臂 式簧片哨结构 简图
根 据悬 臂式 簧 片 哨在 式 ｌ中， 计算得 出簧片在可 听声
ｐｔ
范 围内 的本 征频 率 如表 １ 所示。
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ５— ０ ３—１ ８
对与 声波 特 征有 关 的频 率 、 声 强 度 等参 量 的控 制 以及 精 确地 预示 ， 为 应 用 带 来 了 困 难 。本 文 在 喷 嘴 的 缝 宽 ， 喷 嘴一 簧 片 的距离 ， 工 作 时液体 的压 力均 为定 值 的情 况 下 ，
研 究 了不 同尺 寸簧 片 的共 振 现象 。为 簧 片哨在 污水 处 理
于污水处理 。同时 当簧片共 振时 ， 其 处理能力最强。在喷嘴的缝 宽 ， 喷嘴一簧片的距离 ， 工作时液体的压力均为定值 的情 况下。发现簧 片在水 中存在着谐
频现象 ， 当簧片的固有频率和射流的频率吻合时 ， 簧片就会发生共振 ， 此时 的声强最大 。
波形弹簧的力学性能分析_秦代成
参考文献：
[1] 卢宝生 , 李长有 . 波形弹簧的优化设计 [J] 焦作大学学 报,1996,1(3):37-39. [2] 罗辉.机械弹簧制造技术[M]机械工业出版社,1985. [3] 雷俊朝 , 李兰生 , 波形弹簧的结构设计及应用 [J], 重型机 械科技,1999(2):9-11. [4] 韩念龙 . 波形弹簧结构设计及计算方法研究 [A]. 中国 航空学会第十四届机械动力传输学术讨论会论文集 [C].2011:90-92. [5] 凌桂龙,丁金滨,温正.ANSYS Workbench 13.0 从入门到 精通[M].清华大学出版社,2012:368-386. [6] 周孜亮,王贵飞,丛明,基于ANSYS Workbench 的主轴箱 有限元分析及优化设计 [J], 组合机床与自动化加工技 术,2012,3(3):17-20. [7] 孟广伟.材料力学[M] 机械工业出版社,2009. [8] 李士琼 . 大型波形弹簧圈成形工艺及关键技术研究 [D]. 燕山大学,2013. 第36卷 第8期 2014-08(上) 【91】
图1 波形弹簧模型图
l 为1/2N波簧长度（mm）， l =
E为弹性模量（N/mm2）； I为截面惯性矩（mm4）， I = N为波弹波数； Dm为波弹中径（mm）； B为波弹宽度（mm）； t为波弹厚度（mm）；
1 理论分析
波浪弹簧的受力情况如图 2 所示 ， 一般可忽 略扭矩的影响 。 波浪弹簧与支撑面得接触方式 ， 随着变形量的变化而变化 ， 当变形量小于某定 值时 ， 波浪弹簧与支撑面为线接触 ， 当变形量大 于一定值时 ， 接触变为面接触 。 载荷大到一定程 度，波浪弹簧全部压平。 假设将波形弹簧沿平均直径展开 ， 转化为置
[39] 大型风电齿轮箱系统耦合动态特性研究_魏静
![[39] 大型风电齿轮箱系统耦合动态特性研究_魏静](https://img.taocdn.com/s3/m/94800df54afe04a1b071dee3.png)
束条件定义为支撑臂上下 Fig． 5 The finite element model 表面的完全约束。 建立齿 轮 － 传动轴 － 轴承 － 箱体 的非线性耦合有限元模型， 如图 5 所示。
图2 齿轮箱传动系统简图 of gearbox for windturbine
耦合有限元模型
2
风电齿轮箱动态激励模拟
图4 齿轮箱内部传动系统实体模型 Fig． 4 Internal transmission solid model of gearbox 图3 齿轮箱系统实体模型
1
齿轮箱系统耦合非线性动力学模型
把一对齿轮副简化为图 1 所示的振动系统， 则一 ［12 ］ 对齿轮的非线性动力学方程可表示为 ： mx + cx + k（ t） ［ x + x s + e（ t） ］ = F s
18
振 动 与 冲 击
2012 年第 31 卷
［4 ］ 动态激励现象称为齿轮啮合的刚度激励 ， 它是齿轮 。 传动中最主要的动态激励形式 由于齿轮时变啮合刚
入和啮出冲击力， 是齿轮啮合过程的动 态 激 励 之 一。 由于啮入冲击的影响比啮出冲击大， 因此只考虑啮入 冲击的影响。关于啮入冲击的冲击速度和冲击力可用 ［14 ］ 式（ 4 ） 、 式（ 5 ） 进行计算 ： 1 υ s = ω1 r g1 1 + i Fm = υs
图5 风电齿轮箱系统
Fig． 1 Vibration model of Gear system
额定功率为 3 ． 0 MW 的某大型风力发电机增速齿 轮箱传动系统原理图如图 2 所示。 该齿轮传动系统是 由内齿圈驱动星型轮系、 定轴轮系和一级平行轴结构 Z p2 、 组成。第一级为内齿圈 Z r 和三个行星齿轮 Z p1 、 Z p3 组成的输入级齿轮副； 第二级为行星齿轮 Z p4 、 Z p5 、 Z p6 和太阳轮 Z s1 组成的中间级齿轮副； 第三级为大齿轮 Z o1 和小齿轮 Z o2 组成的输出级齿轮副。 输入级为斜齿 中间级与输出级为斜齿轮外啮合传动。 轮内啮合传动， 该齿轮箱系统实体模型及内部齿轮系统实体模型如图 3、 图 4 所示。
高速列车交会压力波特性分析
所产生的冲击响应谱进行深入分析袁得到不同阻尼比下的频率响应遥 该文分析结果为进一步研究瞬变交会压力波对车
体侧壁变形的影响尧对列车运行噪声的贡献等提供新的参考依据遥
关键词院高速列车曰交会压力波曰瞬态激励曰振动模态
文献标志码院A
文章编号院1674-5124渊2016冤07-0093-04
Characteristic analysis of air pressure wave generated by high-speed trains passing each other
从表 1 中参数和图 4 可知袁隧道交会 压 [10] 力波
有如下特点院
1冤冲击波持续时间渊脉冲宽冤与车速成反比袁随
着车速的提高袁瞬态性加剧遥
2冤冲击幅度随车速提高增大遥
3冤冲击波前沿上升速度随车速提高而加快袁激
励频带将变宽遥
4冤隧道交会压力波为不对称脉冲渊见图 4冤遥
2.2.2 频域特性
隧道交会压力波的主体近似矩形脉冲袁由傅里
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中国测试
2016 年 7 月
的影响袁对列车运行噪声的贡献等提供了新的参考 依据遥
1 高速列车交会压力波
1.1 交会压力波的形成及危害性 高速运行的上行车和下行车交会时袁在会车面
一侧袁由于两车侧壁间净空截面面积突然变小袁在强 大列车风的作用下袁在交会起点形成脉冲压力波称 为交会压力波袁在整个交会过程中该压力波呈现波 动性变化袁当交会结束的瞬间袁两车侧壁之间净空 截面面积又突然变大袁形成第 2 个脉冲波袁两侧壁间 的压力波又恢复到交会前的原状遥 明线交会和隧道 交会压力波形有一定区别袁形成过程如图 1 所示遥 1.2 明线交会压力波
2 交会压力波特性分析
2.1 明线交会压力波特性分析 由图 3 可知袁明线交会压力波主要由两个冲击峰
振动冲击试验方法与技术(王树荣)
叠加在在宽带随机振动上，对声振试验要在混响声场内进行，电动振动试验系统无法实现。
就冲击类的试验而言，当今环境试验中有：冲击试验、碰撞试验、颠震试验、强碰撞冲
击试验、倾跌与翻倒试验、自由跌落试验、随机跌落试验等。其中可以用电动振动台上完
成的有冲击试验、碰撞试验、颠震试验。在这里还要指出的是颠震试验和碰撞试验其实是
前面已述，正弦振动试验的试验条件（严酷等级）有频率范围，振幅值，试验等持续 三个参数共同确定。
如果有产品安装平台环境条件数据就直接用产品安装平台的数据。如果没有，或是可 用在多种场合使用、或是具有多种用途的货架产品、可以根据下面标准中给出的条件通过 工程判断来确定时间历程振动试验的条件。 12.3.1 频率、频率范围及其选择
同时给出位移幅值和加速度幅值：产品安装（放）平台实际振动的特点是频率愈高加 速度愈大，频率愈低位移幅值愈大，而且是随着振动频率的变化而不断改变的。就对产品 的影响而言，低频主要是位移破坏，高频主要是加速度破坏，而当今的正弦振动试验是建 立在以往科学技术基础上的，当时（形成正弦振动试验时）的试验室模拟技术还不可能实 现像现场振动一样随着振动频率的变化而其振幅有位移幅值不断改变，只能采用尽量逼近 现场振动的方法，因此采用低频段位移幅值不变（称定位移），高频率段加速度幅值不变（称 定加速度），从定位移变到定加速度之间的频率称交越频率（振动特性一种关系变到另一种 关系的频率）。在 IEC 标准和国标中有二种交越频率，即 8~9 Hz 的低交越频率和 57~62 Hz 高交越频率，前者主要用于舰船产品的试验，后者主要用于陆用和空用产品的试验。
5
方法或现场实测的方法来确定其试验的频率及频率范围。 12.3.2 振幅及其选择
在正弦振动试验中，其振幅有位移幅值和加速度幅值二种，在实际试验时，有的试验 仅给出位移幅值，有的试验同时给出位移幅值和加速度幅值。
对挤压油膜阻尼器轴承和旋转机械转子_挤压油膜阻尼器轴承系统动力特性研究的回顾与展
对挤压油膜阻尼器轴承和旋转机械转子—挤压油膜阻尼器轴承系统动力特性研究的回顾与展望ΞRETROSPECT AN D PROSPECT TO THE RESEARCH ON SQUEEZE FI LM DAMPER BEARING (SFDB)AN D ON DY NAMIC CHARACTERISTICSOF ROTATING MACHINER Y ROTOR —SFDB SYSTEM夏 南ΞΞ1 孟 光1,2(1.上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室,上海200030) (2.佛山大学思源研究所,佛山528000)XI A Nan 1 MEN G Guang 1,2(1.State K ey Laboratory o f Vibration ,Shock and Noise ,Shanghai Jiaotong Univer sity ,Shanghai 200030,China )(2.Siyuan Institute ,Foshan Univer sity ,Foshan 528000,China )摘要 简要介绍挤压油膜阻尼器轴承及其基本分类,介绍各种挤压油膜阻尼器轴承的动力学特性研究和建立阻尼器流体动力模型与挤压油膜力的进展情况,总结了支承在挤压油膜阻尼器轴承上的旋转机械转子系统的动态响应特性和稳定性的研究结果及对这类强非线性的转子—阻尼器支承系统的非线性响应特性研究的进展情况,并对该类减振结构的未来发展进行了展望。
关键词 转子动力学 挤压油膜阻尼器轴承 油膜惯性力 回顾与展望中图分类号 TH113 T B535.1 O328Abstract Squeeze film dam per bearing (SFDB )is now widely used in aeroengine and other rotating machineries due to its advantages of obvious is olating effect ,sim ple structure ,small space and easy manu facturing.In this paper ,different kinds of SFDB and the research results on the dynamic characteristics of these SFDB and on the m odels of fluid dynamic and squeeze film force were introduced.The research achievements on the dynamic response characteristics and stability of the rotating machinery rotor supported on SFDB were reviewed.Als o the progressing on the nonlinear responses analysis of such strong nonlinear rotor —dam per support system was introduced.The future development of and research on the SFDB was prospected.K ey w ords R otordynamics;Squeeze film d amper bearing;F luid inertia force ;R etrospect and prospect Correspondent :MENG Guang ,E 2mail :gmeng @mail ,Fax :+862212629322212804The project supported by the National Defense Pre 2Research Project and the University K ey T eacher Support Program of China.Manuscript received 20010128,in revised form 20010412.1 引言自从第一篇有关转子动力学的论文由Rankine [1]发表以来,转子动力学作为动力学的一个独立分支得到了极大的发展。
三维非连续变形分析（3-DDDA）方法的扩展及在地震滑坡脉冲致滑机理研究..
摘要在地震动作用下，边坡受到扰动发生失稳，并产生滑坡运动。
尤其在地质断裂构造较发育的区域，地震动表现出较明显的脉冲特性，其诱发的滑坡运动往往具有速度高、影响区域广等特点，使得人类生命、财产、资源等遭受重大损失，近断层地震动的脉冲成分对滑坡体运动的影响的研究尤为迫切和重要。
在节理裂隙较为发育的岩质滑坡体中，各岩块间及滑坡体与滑动面间表现出高度不连续性，DDA（非连续变形分析方法）不连续性、大变形的特点决定了其适合用于地震滑坡运动等高速远程运动模型的研究。
其中，三维非连续变形分析（3-D DDA）是二维非连续变形分析（2-D DDA）在维数上的延伸与扩展，相较2-D DDA可以同时考虑水平面上的双向地震作用，并且可以模拟块体在三维空间中的运动轨迹及反映最终的堆积情形，是综合考察脉冲地震动作用下滑坡体三维运动特性的有力数值工具。
原3-D DDA程序的地震模块尚不完善，无法较好地考虑地震荷载，限制了研究的进行。
基于原程序扩展了地震模块，实现了将地震加速度时程记录信息输入至3-D DDA 主计算程序，并将地震加速度记录转化为三维块体地震体力的功能。
在此基础上，通过双块体模型验证了新程序地震记录的输入精度，通过斜面滑块模型验证了新程序动力临界滑动条件的识别精度和动力滑移位移的计算精度。
经检验，新地震3-D DDA程序可以正确模拟地震荷载作用下滑块的动力运动。
基于验证后的新程序对滑坡的最简形式：斜面滑块在地震动力作用下的运动特性进行了研究。
结果表明滑块运动位移的增加情况与规律波形（简谐波）高度对应，地震波对基座块体的作用可以通过块体间接触很好地传递至滑块上。
三层滑块模型的模拟结果表明，3-D DDA数值模拟方法弥补了理论方法的不足，可以对多层滑块的动力运动要素进行求解。
在地震3-D DDA程序地震模块功能实现和验证精确的基础上，通过八斜面滑块模型的算例研究了地震脉冲成分的滑块致滑机理与近断层地震动脉冲成分的方向差异性。
基于冲击响应谱高速列车设备冲击环境特性分析
第53卷第5期2022年5月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.53No.5May 2022基于冲击响应谱高速列车设备冲击环境特性分析豆硕，刘志明，王文静，李强，毛立勇(北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京，100044)摘要：为准确描述列车设备受到的冲击环境，基于冲击响应谱模型将基础冲击加速度作用到一系列固有频率变化的单自由度系统上，采用系统的最大响应间接地描述冲击载荷。
首先，对半正弦、梯形、前峰锯齿和后峰锯齿等经典脉冲型冲击加速度进行响应谱分析；其次，对线路实测的高速列车车体、转向架和车轴装设备的加速度振动环境，与IEC61373规范对应的半正弦冲击加速度的响应谱进行对比；最后，提出一种冲击响应谱时域合成方法，通过优化小波的幅值和相位参数使合成的冲击加速度满足目标响应谱精度要求，并反映冲击环境的方向特征。
研究结果表明：脉冲型冲击加速度具有相同的响应谱特性，在低频区，加速度响应谱斜率为6dB/Oct ，速度响应谱为水平的恒速线；在高频区，正值和负值响应谱不等，在不同方向上具有不同的冲击效果；现有规范对于车体、转向架和车轴装设备存在低频过试验问题，转向架和车轴装设备同时存在高频欠试验问题，列车设备受到的均为对称冲击环境，脉冲型冲击加速度不能反映列车设备对冲击环境方向的要求；合成的冲击加速度能精确匹配目标响应谱，可以满足3dB 误差要求，更接近真实的冲击加速度瞬态波形。
关键词：高速列车设备；冲击环境；冲击响应谱；冲击加速度；时域合成中图分类号：U270.12文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2022）05-1843-12Analysis of shock environment characteristics of high-speed trainequipment based on shock response spectrumDOU Shuo,LIU Zhiming,WANG Wenjing,LI Qiang,MAO Liyong(School of Mechanical,Electronic and Control Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)Abstract:To accurately describe the shock environment of train equipment,the shock acceleration was applied to a number of single-degree-of-freedom (SDOF)systems with variation of natural frequency,and the maximum response of the SDOF systems was used to describe the shock load indirectly.Firstly,the shock response spectrum (SRS)characteristics of classical impulse accelerations were analyzed,such as half-sine,trapezoidal,initialpeak收稿日期：2021−09−08；修回日期：2021−12−05基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(11790281)；国铁集团科研计划课题资助项目(P2019J001)(Project(11790281)supported by the National Nature Science Foundation of China;Project(P2019J001)supported by China State Railway Group Co.,Ltd.)通信作者：刘志明，博士，教授，从事疲劳可靠性研究；E-mail:****************.cnDOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2022.05.029引用格式：豆硕,刘志明,王文静,等.基于冲击响应谱高速列车设备冲击环境特性分析[J].中南大学学报(自然科学版),2022,53(5):1843−1854.Citation:DOU Shuo,LIU Zhiming,W ANG Wenjing,et al.Analysis of shock environment characteristics of high-speed train equipment based on shock response spectrum[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2022,53(5):1843−1854.第53卷中南大学学报(自然科学版)sawtooth and final peak sawtooth shock pulse.Secondly,the acceleration response spectrum of high-speed train body,bogie and axle mounted equipment measured on the line were compared with that of the half sine shock acceleration corresponding to IEC61373specification.Finally,a time domain synthesis method of SRS was proposed by optimizing the amplitude and phase parameters of wavelet,which can satisfy the precision of target SRS and reflect the direction characteristics of shock environment.The results show that the acceleration shock pulses have the same response spectrum characteristics.In the low frequency range,the slope of the acceleration response spectrum is6dB/Oct,and the velocity response spectrum is horizontal constant speed line.In the high frequency region,the positive and negative response spectrums show that the acceleration shock pulses have obviously different shock effect in different directions.Moreover,the existing shock resistant specification for car body,bogie and axle mounted equipment have the problems of over test in the low frequency range,and bogie and axle mounted equipment have the problems of fewer test in the high frequency range.The high-speed train equipment is subjected to symmetric shock environment and the specifications can't meet the requirements of shock direction.The synthesized shock acceleration can accurately match the target response spectrum,meet the requirement of3dB error,and is closer to the real acceleration shock waveform.Key words:high-speed train equipment;shock environment;shock response spectrum;shock acceleration;time domain synthesis高速列车在全寿命服役周期中，除了受到正常工况下的稳态激励，还会经历复杂的冲击环境，如列车高速通过道岔、轨缝、变坡点等时会产生超常的冲击载荷，从而引起设备故障[1]。
加速度计对各种冲击脉冲的响应-PB02005015
加速度计对各种冲击脉冲的响应姓名：徐叶松 学号：PB02005015 日期：2005-5-8 一、试验目的：比较加速度计在不同的无阻尼周期T 与p t 之比R ，不同的阻尼情况下，对半正弦波的响应。
二、试验原理：动力学方程(支承激励)ym kz z c z m首先无量纲化：设maxy y ap t t c c cmax20max y z y m kz)(20 m k ppt T t km R2 其中：m ax y ：被测冲击运动的加速度峰值 ：无量纲响应(相对位移z)y ： 被测冲击运动的加速度瞬时值R ：加速度计无阻尼周期T 与p t 之比yy x zp t ：被测冲击运动的脉冲持续时间kmT2 ：加速度计无阻尼周期 方程改写为：a d d R d d R222)2( 三、计算方法：首先解方程:0)2(222d d R d d R 得到单位脉冲响应的解：]*1*2[**1*21*4:_][2*2*222t R Sin e RRt h t R在时间轴到达1之前，半正弦波的作用未完成，卷积到所在的时间即可，积分式子如下： td t h P 0)()(在1时刻之后，没有激励输入，故只需要积分到1即可，积分式子如下：1)()( d t h P利用下面的程序可以直接算出带入不同R ， 时的积分出来的式子。
把这两个函数图像画在一个坐标轴下就得到了响应 和 的响应关系。
四、源程序：使用软件:mathematic 5.1 具体程序如下：2.0 R (*加速度计无阻尼周期T 与p t ，不同的输入时选择不同的值*)0 (*阻尼比，不同的输入时选择不同的值*)]*1*2[**1*21*4:_][2*2*222t R Sin e RRt h t R(*单位脉冲的响应函数*)]*[*][ Sin t h w (*积分函数*)}],0,{,[1t w Integrate w (*单位冲击在时间1之前的响应函数*)}]1,0,{,[2 w Integrate w (*单位冲击在时间1之后的响应函数*)}]"","{"},1,0,{,1[1 AxesLabel t w Plot g (*在0－1区间上画出w1的图像，参数AxesLabel 的意义是，在横坐标上标 ，竖坐标上标 。
等节距截锥涡卷螺旋弹簧静力及模态分析
截锥涡卷弹簧的主要特点是体积小、荷载大及变刚度。截锥涡卷弹簧广泛应用于小空间、大载荷的场合及减震装置。本次研究的对象为等节距截锥涡卷弹簧，且弹簧压并时所有的弹簧圈都会落在支承圈上。本次研究所使用的有限元软件为ANSYS V14.5 Final。
所采用的APDL命令为：
求得的结果为：
***** INDEXOFDATASETSONRESULTSFILE *****
SET TIME/FREQ LOAD STEPSUBSTEP CUMULATIVE
13.45251 1 1
214.1791 2 2
329.6331 3 3
440.3711 4 4
569.7401 5 5
接下来的APDL语言生成模型：
接下来进行接触面设置，直至完成静力分析所需的全部约束。
接下来键入如下APDL命令流进行求解：
ANSYS下求解弹簧压并图：
接下来进行处理，即画出弹簧的荷载-变形曲线以及刚度-变形曲线：
截锥涡卷螺旋弹簧模态分析：
在建立的模型，即截锥涡卷螺旋弹簧的下支撑圈施加，并选用MASS21单元在上支撑圈节点均匀地加上质量块单元，其重力为 ，质量为 ，采用模态分析求解质量弹簧系统的前五阶频率。
摘要：
ANSYS产品具有进行静力学，模态分析功能。通过利用ANSYS建立截锥涡卷螺旋弹簧模型，并对其进行静力分析和模态分析，能够熟悉ANSYS的建模、加载、求解、结果处理等基本流程，为日后的实际应用打下初步基础
天然气输气站工艺管道振动原因及减振措施
$"现场测试
!研究对象 本文研究对象为等径三通$ 简称三通% 及与其 相连的部分管道" 三通所在位置见图 %!图 % 中三 通及与其相连的管道 %&管道 " 为研究对象" 管道 振动位置位于三通和入地弯头处" 该三通为清管三 通!将发球筒管道和输气站出站管道相连接!以实现 管道输气和清管功能"
#$ !"
3,测试状态下!管道内天然气压力为 +,' VP3! 温度为 "# W! 此 测 试 状 态 下 天 然 气 体 积 流 量 为 % ##F /## L' RA"
X,将传感器固定在测点位置!采用 JS.;PI<( 振动信号采集分析仪测试管道振动状态!选用振动 加速度信号传感装置!收集测点振动数据"
Y,采用普通金属锤子在距离测点 #,& L范围内 分别沿水平和竖直方向敲击管道本体!每个测点测 试 + L?6"
Z,对现场采集的振动数据进行时域分析$ 滤波 预处理&信号放大&相关性分析等%&频域分析$ 频谱 图&功率谱等% !从而确定测点复杂振动信号 中的振 动频谱"
采用锤击法测试管段固有频率!得到测点 % [& 固有频率" 通过对脉冲响应的频谱进行分析!可以 得到某段管路固有频率" 分别测试测点 % 在水平和
中图分类号 ()**+,-!!文献标志码 .!!文章编号 %### $//%+"#"'#+ $#0'% $#/
!"概述
管道振动是天然气管道尤其是调压站分输站 中常出现的问题站内弯头三通异径管等较多极 易发生管道振动
冲击螺杆钻具结构设计与参数优化
◀钻井技术与装备▶冲击螺杆钻具结构设计与参数优化∗姜华１ꎬ２㊀李军１㊀张鹏翔３㊀汪伟４㊀查春青４(１ 中国石油大学(北京)石油工程学院㊀２ 中石化华东石油工程有限公司３ 中石油西部钻探吐哈钻井公司㊀４ 北京工业大学材料与制造学部)姜华ꎬ李军ꎬ张鹏翔ꎬ等.冲击螺杆钻具结构设计与参数优化[Ｊ].石油机械ꎬ２０２４ꎬ５２(４):４９－５５.ＪｉａｎｇＨｕａꎬＬｉＪｕｎꎬＺｈａｎｇＰｅｎｇｘｉａｎｇꎬｅｔａｌ.ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎＰＤＭｄｒｉｌｌ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２４ꎬ５２(４):４９－５５.摘要:为了高效钻进硬岩地层ꎬ将螺杆钻具的大扭矩与轴向冲击工具的高频低幅冲击特性相结合ꎬ研制了一种冲击螺杆钻具ꎮ在工具结构原理讨论的基础上ꎬ建立了轴向冲击短节的冲锤运动控制方程ꎬ分析了冲锤的运动特性ꎬ并以工具冲击功和最大能量利用率为评价指标ꎬ采用正交试验方法对主要工具结构参数进行了优化研究ꎮ研究结果表明:冲锤往复运动过程为加速度逐渐减小的非线性加速运动ꎬ节流喷嘴直径和冲锤运动行程是影响冲击功的主要因素ꎬ而冲锤质量㊁承压面积和腔体通孔面积是次要因素ꎮ节流喷嘴直径和冲锤承压面积是影响最大能量利用率的主要因素ꎻ而冲锤运动行程㊁冲锤质量和腔体通孔面积是次要因素ꎮ所得结论可为对冲击螺杆钻具的进一步优化设计和现场应用提供参考ꎮ关键词:冲击螺杆钻具ꎻ运动特性ꎻ正交试验ꎻ冲击功ꎻ最大能量利用率中图分类号:ＴＥ９２１㊀文献标识码:Ａ㊀ＤＯＩ:１０ １６０８２/ｊ ｃｎｋｉ ｉｓｓｎ １００１－４５７８ ２０２４ ０４ ００７ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＤｅｓｉｇｎａｎｄＰａｒａｍｅｔｅｒＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＰｅｒｃｕｓｓｉｏｎＰＤＭＤｒｉｌｌＪｉａｎｇＨｕａ１ꎬ２㊀ＬｉＪｕｎ１㊀ＺｈａｎｇＰｅｎｇｘｉａｎｇ３㊀ＷａｎｇＷｅｉ４㊀ＺｈａＣｈｕｎｑｉｎｇ４(１ ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ(Ｂｅｉｊｉｎｇ)ꎻ２ ＳｉｎｏｐｅｃＥａｓｔＣｈｉｎａＯｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄꎻ３ ＴｕｈａＤｒｉｌｌｉｎｇＣｏｍｐａｎｙｏｆＸＤＥＣꎻ４ ＦａｃｕｌｔｙｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇꎬＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙｄｒｉｌｌｉｎｔｏｈａｒｄｒｏｃｋｆｏｒｍａｔｉｏｎｓꎬａｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎＰＤＭｄｒｉｌｌｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅｈｉｇｈｔｏｒｑｕｅｏｆＰＤＭｄｒｉｌｌｗｉｔｈｔｈｅｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｌｏｗａｍｐｌｉｔｕｄｅｉｍｐａｃｔｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆａｘｉａｌｐｅｒｃｕｓ￣ｓｉｏｎｔｏｏｌ.Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｄｉｓｃｕｓｓｉｎｇｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｏｏｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬａｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｅｑｕａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎｈａｍｍｅｒｏｆａｘｉａｌｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎｐｕｐｊｏｉｎｔｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｍｏｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎｈａｍｍｅｒ.Ｔｈｅｎꎬｔａｋｉｎｇｔｈｅｂａｌｌｉｓｔｉｃｗｏｒｋａｎｄｍａｘｉｍｕｍｅｎｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏａｓｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｉｃａｔｏｒｓꎬｔｈｅｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｃｏｎｄｕｃｔｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｍａｉｎｔｏｏｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ.Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎｈａｍｍｅｒｉｓａｎｏｎｌｉｎｅａｒａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄｍｏｔｉｏｎｗｉｔｈｇｒａｄｕａｌｌｙｄｅｃｒｅａｓｉｎｇａｃｃｅｌｅｒａ￣ｔｉｏｎ.Ｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅｔｈｒｏｔｔｌｅｎｏｚｚｌｅａｎｄｔｈｅｓｔｒｏｋｅｏｆｔｈｅｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎｈａｍｍｅｒｍｏｔｉｏｎａｒｅｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔ￣ｉｎｇｔｈｅｂａｌｌｉｓｔｉｃｗｏｒｋꎬｗｈｉｌｅｔｈｅｍａｓｓａｎｄｂｅａｒｉｎｇａｒｅａｏｆｔｈｅｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎｈａｍｍｅｒａｎｄｔｈｅｔｈｒｏｕｇｈ￣ｈｏｌｅａｒｅａｏｆｔｈｅｃａｖｉｔｙａｒｅｍｉｎｏｒｆａｃｔｏｒｓ.Ｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅｔｈｒｏｔｔｌｅｎｏｚｚｌｅａｎｄｔｈｅｂｅａｒｉｎｇａｒｅａｏｆｔｈｅｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎｈａｍｍｅｒａｒｅｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｅｎｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏꎬｗｈｉｌｅｔｈｅｓｔｒｏｋｅｏｆｔｈｅｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎｈａｍｍｅｒｍｏｔｉｏｎꎬｔｈｅｍａｓｓｏｆｔｈｅｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎｈａｍｍｅｒａｎｄｔｈｅｔｈｒｏｕｇｈ￣ｈｏｌｅｏｆｔｈｅｃａｖｉｔｙａｒｅｍｉｎｏｒｆａｃｔｏｒｓ.Ｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒ￣９４ ㊀２０２４年㊀第５２卷㊀第４期石㊀油㊀机㊀械ＣＨＩＮＡＰＥＴＲＯＬＥＵＭＭＡＣＨＩＮＥＲＹ㊀㊀㊀∗基金项目:国家自然科学基金项目 钻井复杂工况井下实时智能识别系统研制 (５２２２７８０４)㊁ 特深井复杂温度场测量与井筒压力剖面控制基础研究 (Ｕ２２Ｂ２０７２)ꎻ中国石油－中国石油大学(北京)战略合作项目 准噶尔盆地玛湖中下组合和吉木萨尔陆相页岩油高效勘探开发理论及关键技术研究 (ＺＬＺＸ２０２０－０１)ꎮｅｎｃｅｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎａｎｄｆｉｅｌｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎＰＤＭｄｒｉｌｌ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎＰＤＭｄｒｉｌｌｔｏｏｌꎻｍｏｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃꎻｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｅｓｔꎻｂａｌｌｉｓｔｉｃｗｏｒｋꎻｍａｘｉｍｕｍｅｎ￣ｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏ０㊀引㊀言深层油气藏是我国油气勘探开发的重要接续区ꎬ然而ꎬ由于深部地层岩石强度较高㊁可钻性较差ꎬ导致深层钻井岩石破碎效率和机械钻速均大幅降低[１－３]ꎮ如何提高深部地层的机械钻速㊁降低钻井成本成为目前技术攻关的重难点ꎮ工程实践表明ꎬ在当前钻井工艺水平下ꎬ井下动力钻具与冲击钻井技术相结合是深部地层提速的有效途径[４－５]ꎮ螺杆马达具有功率大㊁性能稳定㊁工作寿命长的特点ꎬ广泛应用于钻井作业[６－７]ꎮ冲击钻井技术能够为钻头提供额外的冲击能量ꎬ是提高硬地层破岩效率的有效方法之一[８－９]ꎮ将大功率螺杆马达与冲击钻具相配合ꎬ能够同时为钻头提供大扭矩和冲击动载ꎬ降低岩石抵抗破碎能力ꎬ有助于岩石被旋转剪切破碎ꎬ从而有效提高深部地层的机械钻速[１０]ꎮ现场应用也表明冲击螺杆钻具在深井硬地层中具有明显提速效果[１１－１２]ꎮ张海平[１２]㊁甘心等[１３]提出ꎬ机械式旋冲螺杆通过凸轮与滚轮相配合ꎬ依靠钻柱重力势能产生冲击载荷ꎬ能够提供低频高幅的轴线冲击载荷ꎮ王四一等[１４]㊁王勇军等[１５]设计的冲击螺杆采用凸轮冲锤与弹簧相配合ꎬ依靠弹簧蓄能推动冲锤产生冲击载荷ꎬ能够提供稳定的冲击力ꎮ但以上冲击螺杆工具存在结构复杂㊁凸轮冲击机构易磨损㊁工具寿命较短的问题ꎮ于洋等[１６]应用的旋冲螺杆钻具采用自激振荡腔产生轴向冲击载荷ꎬ但该工具的轴向压力波动对钻井液性质要求较高ꎮ针对目前存在的技术问题ꎬ笔者设计了一种新型冲击螺杆钻具ꎬ利用高压钻井液推动冲锤产生轴向冲击载荷ꎮ该工具兼具螺杆马达和冲击钻井工具的优点ꎬ在螺杆＋转盘复合钻井的同时ꎬ为钻头提供高频低幅的冲击载荷ꎬ以提高破岩效率ꎮ通过对工具结构的优化设计和性能参数的计算分析ꎬ以期为深部硬地层增速提效提供有效的技术手段ꎮ１㊀技术分析１ １㊀工具结构冲击螺杆钻具是在螺杆传动轴下端增加轴向冲击短节形成的一种井下提速工具ꎬ其结构示意图如图１所示ꎮ由图１可知ꎬ轴向冲击短节主要由叶轮转筒㊁换向筒㊁轴向冲锤㊁节流喷嘴以及下接头组成ꎮ轴向冲击短节安装在在螺杆钻具传动轴内部ꎬ下接头与钻头相连接ꎮ１ 螺杆钻具外壳ꎻ２ 螺杆钻具传动轴ꎻ３ 叶轮转筒ꎻ４ 换向筒ꎻ５ 轴向冲锤ꎻ６ 节流喷嘴ꎻ７ 下接头ꎮ图１㊀螺杆轴向冲击钻具结构示意图Ｆｉｇ １㊀ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｆｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｘｉａｌｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎＰＤＭｄｒｉｌｌｔｏｏｌ１ ２㊀工作原理钻进过程中ꎬ螺杆传动轴中心孔内的高压钻井液流入轴向冲击短节ꎬ驱动叶轮转筒连续转动ꎮ叶轮转筒的连续转动使得冲锤上㊁下腔体与工具内部的高㊁低压流道交替连通ꎬ周期性改变作用在冲锤端面的压差力方向ꎬ驱动冲锤沿轴向往复运动ꎮ在正向冲击阶段产生的冲击载荷传递至钻头ꎬ辅助提高钻头破岩效率ꎮ轴向冲击短节利用叶轮旋转配流以实现冲锤换向动作ꎬ冲击频率可通过改变叶轮转速调节ꎮ工具整体结构简单ꎬ冲击短节长度较短ꎬ对螺杆钻具的定向作业影响较小ꎮ１ ３㊀主要技术参数设计的冲击螺杆钻具的主要技术参数如表１所示ꎮ表１㊀工具主要技术参数Ｔａｂｌｅ１㊀Ｍａｉｎｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎ０５ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２４年㊀第５２卷㊀第４期２㊀冲锤运动特性分析２ １㊀冲锤运动控制方程冲锤往复运动与钻头座碰撞产生周期性冲击载荷ꎬ分析冲锤的运动特性能够为工具结构参数和冲击性能的优化设计提供依据ꎮ由于冲锤流道为对称结构设计ꎬ冲锤在正向与反向冲击阶段的钻井液流动过程一致ꎬ以换向筒单侧冲锤回程运动阶段的钻井液流动过程为例进行分析ꎮ图２为冲锤回程阶段的钻井液流动示意图ꎮ图２㊀冲锤回程阶段的钻井液流动示意图Ｆｉｇ ２㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｆｏｒｄｒｉｌｌｉｎｇｆｌｕｉｄｆｌｏｗｄｕｒｉｎｇｒｅｔｕｒｎｓｔａｇｅｏｆｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎｈａｍｍｅｒ由图２可知ꎬ总流量为Ｑ１的高压钻井液进入工具的中心流道后ꎬ一部分通过换向筒侧壁上腔体通孔进入冲锤一侧的高压腔ꎬ剩余部分经由工具内部的节流喷嘴产生压降ꎮ钻井液作用在冲锤端面的压差Δｐｃ为:Δｐｃ＝ｐＨ－ｐＬ＝Δｐｐ－２Δｐｋ(１)式中:ｐＨ为冲锤高压腔压力ꎬＰａꎻｐＬ为冲锤低压腔压力ꎬＰａꎻΔｐｐ和Δｐｋ分别为钻井液流经节流喷嘴和腔体通孔形成的压差ꎬＰａꎮ钻井液通过节流喷嘴和腔体通孔处形成的压差一般计算表达式为:Δｐｐ＝１２ρξＱ２Ａｐæèçöø÷２(２)Δｐｋ１＝１２ρξＱ３Ａｋæèçöø÷２(３)式中:ρ为钻井液密度ꎬｋｇ/ｍ３ꎻＱ２和Ｑ３分别为进入节流喷嘴和高压腔的流量ꎬＬ/ｓꎻＡｐ和Ａｋ分别为节流喷嘴和腔体通孔面积ꎬｍ２ꎻξ为压耗系数ꎬ一般取０ ８~１ １ꎮ进入高压腔的流量与冲锤运动速度相关ꎬ其表达式为:Ｑ３＝ｖｃＡｃ(４)式中:ｖｃ为冲锤运动速度ꎬｍ/ｓꎻＡｃ为冲锤端面承压面积ꎬｍ２ꎮ由牛顿第二定律ꎬ综合式(１)~式(４)ꎬ得到正向冲击阶段和反向复位阶段内冲锤的运动方程:Ｍｃａｃ＝ΔｐｃＡｃ＝ρξＡｃ１２Ｑ１－ｖｃＡｃＡｐæèçöø÷２－ｖｃＡｃＡｋæèçöø÷２éëêêùûúú(５)式中:Ｍｃ为冲锤质量ꎬｋｇꎻａｃ为冲锤的瞬时加速度ꎬｍ/ｓ２ꎮ２ ２㊀冲锤运动规律分析根据式(５)的冲锤运动数学模型ꎬ基于有限差分原理ꎬ利用Ｍａｔｌａｂ编制模拟计算程序ꎬ对所设计的轴向冲击工具进行冲锤运动的迭代计算ꎮ分析采用的工具结构参数为:节流喷嘴直径２０ｍｍꎬ冲锤运动行程４０ｍｍꎬ冲锤质量２０ｋｇꎬ承压面外径１１５ｍｍꎬ承压面内径９５ｍｍꎬ腔体通孔面积４００ｍｍ２ꎮ水力参数为:钻井液排量３０Ｌ/ｓꎬ钻井液密度１ ２ｇ/ｃｍ３ꎮ计算得到在正向冲击阶段ꎬ冲锤速度随位移的变化曲线如图３所示ꎮ图３㊀冲锤速度随位移变化曲线Ｆｉｇ ３㊀Ｖａｒｉａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎｈａｍｍｅｒｓｐｅｅｄｗｉｔｈｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ由图３可以看出ꎬ冲锤速度随运动时间的延长而升高ꎬ但曲线斜率逐渐减小ꎬ冲锤运动为加速度减小的非线性加速运动ꎮ冲锤加速度减小的主要原因是随着冲锤运动速度升高ꎬ进入腔体的高压钻井液瞬时流量Ｑ３增大ꎬ叶轮转筒内流经节流喷嘴处的流量Ｑ２减小ꎬ从而导致钻井液流经喷嘴时形成的压差降低ꎮ与此同时ꎬ腔体通孔产生的压降随瞬时流量的增大而增大ꎬ导致作用在冲锤两端的压差力逐渐减小ꎮ３㊀参数优化设计３ １㊀工具冲击参数在水力参数㊁工具结构参数给定条件下ꎬ根据冲锤运动特性的分析ꎬ得到冲锤在正向冲击阶段的末速度和运动时间ꎬ进而计算用于评价轴向冲击钻１５ ２０２４年㊀第５２卷㊀第４期姜华ꎬ等:冲击螺杆钻具结构设计与参数优化㊀㊀㊀井工具性能的冲击参数ꎬ主要包括冲锤冲击功和最大能量利用率ꎬ具体表达式为:Ｅｃ＝１２Ｍｃｖ２ｅ(６)η＝ＥｃｆｃＰｔｏｔａｌ(７)式中:Ｅｃ为冲锤冲击功ꎬＪꎻｖｅ为冲击末速度ꎬｍ/ｓꎻη为最大能量利用率ꎻｆｃ为固有冲击频率ꎬＨｚꎻＰｔｏｔａｌ为总输入功率ꎬＷꎮ３ ２㊀结构参数对冲击性能的影响从冲锤运动特性分析可知ꎬ影响冲击性能的结构参数涉及节流喷嘴直径㊁运动行程㊁冲锤质量㊁承压面积和腔体通孔面积５个单因素ꎮ其中承压面积与承压面内外径尺寸相关ꎬ分析时保持承压面内径尺寸不变ꎬ仅改变承压面外径尺寸ꎮ计算得到各结构参数对工具冲击性能的影响规律如图４所示ꎮ图４㊀不同结构参数对冲击性能的影响Ｆｉｇ ４㊀Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｉｍｐａｃｔｐｒｏｐｅｒｔｙ㊀㊀由图４可知:随着节流喷嘴直径的增加ꎬ工具冲击功和最大能量利用效率均会逐渐减小ꎻ随着冲锤质量㊁腔体通孔面积的增加ꎬ工具冲击功和最大能量利用效率逐渐增大ꎻ当节流喷嘴直径增加㊁腔体通孔面积的减小时ꎬ喷嘴产生的节流增压效果减弱ꎬ流经通孔产生的压力损失增大ꎬ导致钻井液作用在冲锤端面的压差力减小ꎬ从而引起冲击功的减小ꎬ最大能量利用率随之减小ꎮ在相同作用压差和运动行程条件下ꎬ冲锤冲击速度和冲击频率均随质量的增大而减小ꎻ但在较小的冲锤质量变化范围内ꎬ冲锤冲击速度和频率的减小幅度小于冲锤质量的增大幅度ꎬ因此冲击功和最大能量利用效率仍随冲锤质量的增大而增大ꎮ随着运动行程的增大ꎬ工具冲击功逐渐增大ꎬ而最大能量利用效率则呈现相反的变化规律ꎮ在相同作用压差条件下ꎬ冲锤受钻井液驱动的作用时间随运动行程的增大而延长ꎬ冲锤的冲击速度随之增加ꎬ从而提高工具冲击功ꎻ随着冲锤运动时间的延长ꎬ钻井液流经换向筒上腔体通孔的能量损耗也相应增大ꎬ导致最大能量利用率降低ꎮ２５ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２４年㊀第５２卷㊀第４期随着冲锤承压面外径的增大ꎬ工具冲击功和最大能量利用效率均呈先增大后减小的变化趋势ꎬ即承压面积存在最优值ꎮ当冲锤承压面面积在一定范围增大时ꎬ能够增大钻井液作用在冲锤端面的压差力ꎬ从而增大冲击功和最大能量利用率ꎻ随着冲锤承压面面积的继续增大ꎬ进入高压腔的流量增大ꎬ流入节流喷嘴的流量随之减小ꎬ导致喷嘴产生的节流增压效果减弱ꎬ从而会对冲击功和最大能量利用率产生负面影响ꎮ３ ３㊀多因素变化对冲击性能的影响单因素分析能够研究各结构参数对工具冲击性能的影响规律ꎬ但还存在各因素之间的相互作用ꎬ从而对工具的冲击性能产生额外影响ꎮ正交试验能够分析多个结构参数间的相互作用对工具性能的影响效果ꎬ并筛选最优工具结构参数组合ꎮ设计Ｌ１６(４５)正交试验表格ꎬ将５个因素依次编号为Ａ(节流喷嘴直径)㊁Ｂ(冲锤行程)㊁Ｃ(冲锤质量)㊁Ｄ(承压面外径)㊁Ｅ(腔体通孔面积)ꎬ并计算得到不同参数组合下的单次冲击功和最大能量利用率ꎮ计算过程中钻井液排量取３０Ｌ/ｓꎬ密度为１ ２ｇ/ｃｍ３ꎬ冲锤承压面内径固定为９５ｍｍꎮ其方案及计算结果如表２所示ꎮ表２㊀正交试验方案及计算结果㊀㊀以冲锤冲击功和最大能量利用率作为评价指标ꎬ通过方差分析和直观分析研究各因素的主次关系ꎬ并确定最佳因素水平组合ꎮ以冲锤冲击功为评价指标时ꎬ计算得到各因素方差分析和平均值变化趋势如表３和图５所示ꎮ表３㊀以冲击功为评价指标的方差分析Ｔａｂｌｅ３㊀Ｖａｒｉａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓｔａｋｉｎｇｂａｌｌｉｓｔｉｃｗｏｒｋ图５㊀以冲击功为评价指标的均值随各因素水平的变化趋势Ｆｉｇ ５㊀Ｖａｒｉａｔｉｏｎｔｒｅｎｄｏｆｔｈｅｍｅａｎｖａｌｕｅｔａｋｉｎｇｂａｌｌｉｓｔｉｃｗｏｒｋａｓａｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｉｃａｔｏｒｗｉｔｈｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆｅａｃｈｆａｃｔｏｒ以最大能量利用率为评价指标时ꎬ计算得到各因素方差分析和平均值变化趋势如表４和图６所示ꎮ３５２０２４年㊀第５２卷㊀第４期姜华ꎬ等:冲击螺杆钻具结构设计与参数优化㊀㊀㊀对比表３数据中Ｆ值的大小ꎬ可以得出５个结构参数中ꎬ对冲锤冲击功的影响重要程度排序如下:节流喷嘴直径(Ａ)>运动行程(Ｂ)>冲锤质量(Ｃ)>承压面外径(Ｄ)>腔体通孔面积(Ｅ)ꎮ其中节流喷嘴直径和运动行程是影响冲击功的主要因素ꎬ而冲锤质量㊁承压面外径和腔体通孔面积是次要因素ꎮ由图５可寻求以冲锤冲击功为评价指标的各结构参数最佳组合方式ꎬ最佳组合取各因素较大的平均数对应的水平值ꎮ由图５可知ꎬ冲击功达到最佳的工具结构参数组合:节流喷嘴直径为１８ｍｍꎬ运动行程为５０ｍｍꎬ冲锤质量为３０ｋｇꎬ承压面内径为１１０ｍｍꎬ腔体通孔面积为６００ｍｍ２ꎮ该结构参数组合下的冲击功达到３５２ ９Ｊꎬ相比算例分析中原结构的１６６ ２４Ｊꎬ提高了１１２ ３％ꎮ值得注意的是ꎬ在实际应用中不能一味追求高冲击功ꎬ工具节流喷嘴直径的选择通常还需综合考虑现场钻井液排量和密度ꎬ防止工具压降过高ꎮ表４ 以最大能量利用率为评价指标的方差分析Ｔａｂｌｅ４㊀Ｖａｒｉａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓｔａｋｉｎｇｍａｘｉｍｕｍｅｎｅｒｇｙ图６㊀以最大能量利用率为评价指标的均值随各因素水平的变化趋势Ｆｉｇ ６㊀Ｖａｒｉａｔｉｏｎｔｒｅｎｄｏｆｔｈｅｍｅａｎｖａｌｕｅｔａｋｉｎｇｍａｘｉｍｕｍｅｎｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏａｓａｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｉｃａｔｏｒｗｉｔｈｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆｅａｃｈｆａｃｔｏｒ对比表４数据中Ｆ值的大小ꎬ可以得出各因素对工具最大能量利用率的影响重要程度排序如下:节流喷嘴直径(Ａ)>承压面外径(Ｄ)>冲锤质量(Ｃ)>腔体通孔面积(Ｅ)>运动行程(Ｂ)ꎮ其中节流喷嘴直径和冲锤承压面外径是影响最大能量利用率的主要因素ꎬ而冲锤质量㊁腔体通孔面积和运动行程是次要因素ꎮ由图６可知ꎬ能量利用率达到最优的工具结构参数组合:节流喷嘴直径为１８ｍｍꎬ运动行程为３０ｍｍꎬ冲锤质量为２０ｋｇꎬ承压面内径为１１５ｍｍꎬ腔体通孔面积为６００ｍｍ２ꎮ与高冲击功下的最优参数组合类似ꎬ节流喷嘴直径越小ꎬ工具最大能量利用率越高ꎮ因此ꎬ在实际应用时仍需根据现场工况进行节流喷嘴尺寸的优选ꎮ４㊀结㊀论(１)为提高硬地层机械钻速ꎬ将大功率螺杆与轴向冲击钻具相结合ꎬ研制了一种冲击螺杆钻具ꎬ能够同时为钻头提供大扭矩和高频低幅冲击载荷ꎮ(２)冲锤运动特性分析表明:冲锤运动过程中ꎬ进入高压腔的流量增大ꎬ流入节流喷嘴的流量减小ꎬ喷嘴产生的节流增压效果减弱ꎬ冲锤做加速度减小的非线性加速运动ꎮ(３)工具结构参数优化结果表明:节流喷嘴直径和运动行程是影响冲击功的主要因素ꎬ而冲锤质量㊁承压面积和和腔体通孔面积是次要因素ꎻ节流喷嘴直径和冲锤承压面积是影响最大能量利用率的主要因素ꎬ而运动行程㊁冲锤质量和腔体通孔面积是次要因素ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]㊀李阳ꎬ薛兆杰ꎬ程喆ꎬ等.中国深层油气勘探开发进展与发展方向[Ｊ].中国石油勘探ꎬ２０２０ꎬ２５(１):４５－５７.ＬＩＹꎬＸＵＥＺＪꎬＣＨＥＮＧＺꎬｅｔａｌ.Ｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄｄｅ￣ｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｏｆｄｅｅｐｏｉｌａｎｄｇａｓｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｎＣｈｉｎａ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｘｐｌｏｒａ￣ｔｉｏｎꎬ２０２０ꎬ２５(１):４５－５７[２]㊀李庆辉ꎬ李少轩.超深层砂岩储层岩石力学特性试验研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２０２１ꎬ４０(５):９４８－９５７.ＬＩＱＨꎬＬＩＳＸ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｕｌｔｒａ￣ｄｅｅｐｓａｎｄｓｔｏｎｅ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０２１ꎬ４０(５):９４８－９５７[３]㊀高明忠ꎬ叶思琪ꎬ杨本高ꎬ等.深部原位岩石力学研究进展[Ｊ].中国科学基金ꎬ２０２１ꎬ３５(６):８９５－９０３.ＧＡＯＭＺꎬＹＥＳＱꎬＹＡＮＧＢＧꎬｅｔａｌ.Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｄｅｅｐｉｎｓｉｔｕｒｏｃｋｍｅｃｈａｎｉｃｓ[Ｊ].ＢｕｌｌｅｔｉｎｏｆＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａꎬ２０２１ꎬ４５ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２４年㊀第５２卷㊀第４期３５(６):８９５－９０３[４]㊀陈新勇ꎬ韩煦ꎬ邱爱民ꎬ等.扭力冲击器与螺杆钻具集成ＢＨＡ应用研究[Ｊ].石油机械ꎬ２０２０ꎬ４８(５):３４－３８.ＣＨＥＮＸＹꎬＨＡＮＸꎬＱＩＵＡＭꎬｅｔａｌ.ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆｉｎｔｅｇｒａｔｅｄＢＨＡｗｉｔｈｔｏｒｓｉｏｎａｌｉｍｐａｃｔｏｒａｎｄｓｃｒｅｗｄｒｉｌｌ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２０ꎬ４８(５):３４－３８[５]㊀陈新勇ꎬ付潇ꎬ李亮亮ꎬ等.廊固凹陷安探地区复杂深井钻井关键技术[Ｊ].石油机械ꎬ２０２１ꎬ４９(１２):３６－４１.ＣＨＥＮＸＹꎬＦＵＸꎬＬＩＬＬꎬｅｔａｌ.ＫｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒｃｏｍｐｌｅｘｄｅｅｐｗｅｌｌｄｒｉｌｌｉｎｇｉｎＡｎｔａｎａｒｅａｏｆＬａｎｇｇｕｓａｇ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２１ꎬ４９(１２):３６－４１[６]㊀邱自学ꎬ王璐璐ꎬ徐永和ꎬ等.页岩气钻井螺杆钻具的研究现状及发展趋势[Ｊ].钻采工艺ꎬ２０１９ꎬ４２(２):３６－３７ꎬ４８.ＱＩＵＺＸꎬＷＡＮＧＬＬꎬＸＵＹＨꎬｅｔａｌ.Ｓｔａｔｕｓｑｕｏａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｐｏｓｉｔｉｖｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｏｔｏｒｕｓｅｄｉｎｓｈａｌｅｇａｓｄｒｉｌｌｉｎｇ[Ｊ].Ｄｒｉｌｌｉｎｇ＆ＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏ￣ｇｙꎬ２０１９ꎬ４２(２):３６－３７ꎬ４８[７]㊀李红星ꎬ李辉ꎬ王晓鹏ꎬ等.绥中３６－１油田调整井开窗侧钻高造斜率钻具研制及应用[Ｊ].中国海上油气ꎬ２０１８ꎬ３０(３):１３２－１３６.ＬＩＨＸꎬＬＩＨꎬＷＡＮＧＸＰꎬｅｔａｌ.Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｂｕｉｌｄ￣ｕｐｒａｔｅｄｒｉｌｌｉｎｇｔｏｏｌｓｆｏｒａｄｊｕｓｔ￣ｍｅｎｔｗｅｌｌｓｓｉｄｅｔｒａｃｋｉｎｇｉｎＳＺ３６－１ｏｉｌｆｉｅｌｄ[Ｊ].ＣｈｉｎａＯｆｆｓｈｏｒｅＯｉｌａｎｄＧａｓꎬ２０１８ꎬ３０(３):１３２－１３６ [８]㊀闫炎ꎬ韩礼红ꎬ刘永红ꎬ等.全尺寸ＰＤＣ钻头旋转冲击破岩过程数值模拟[Ｊ].石油机械ꎬ２０２３ꎬ５１(６):３６－４２.ＹＡＮＹꎬＨＡＮＬＨꎬＬＩＵＹＨꎬｅｔａｌ.Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕ￣ｌａｔｉｏｎｏｆｒｏｔａｒｙｉｍｐａｃｔＲｏｃｋ￣ＢｒｅａｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆａＦｕｌｌ￣Ｓｉｚｅｄｒｉｌｌｂｉｔ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２３ꎬ５１(６):３６－４２[９]㊀汪伟ꎬ柳贡慧ꎬ李军ꎬ等.复合冲击钻井工具结构设计与运动特性分析[Ｊ].石油机械ꎬ２０１９ꎬ４７(７):２４－２９.ＷＡＮＧＷꎬＬＩＵＧＨꎬＬＩＪꎬｅｔａｌ.ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｍｏｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎｄｒｉｌｌｉｎｇＴｏｏｌ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０１９ꎬ４７(７):２４－２９[１０]㊀席传明ꎬ穆总结ꎬ罗翼ꎬ等.ＧＣＹ－Ι型冲击螺杆钻井提速技术研究与试验[Ｊ].石油机械ꎬ２０２０ꎬ４８(１０):３９－４３.ＸＩＣＭꎬＭＵＺＪꎬＬＵＯＹꎬｅｔａｌ.ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄｆｉｅｌｄｔｅｓｔｏｆＧＣＹ￣Ιｓｃｒｅｗｉｍｐａｃｔｄｒｉｌｌｉｎｇｔｏｏｌｓ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２０ꎬ４８(１０):３９－４３ [１１]㊀甘心.页岩气钻井用机械式螺杆冲击器结构设计与应用[Ｊ].吉林大学学报(地球科学版)ꎬ２０２２ꎬ５２(４):１２１５－１２２２.ＧＡＮＸ.Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｅｃｈａｎｉ￣ｃａｌＰＤＭｉｍｐａｃｔｏｒｕｓｅｄｉｎｓｈａｌｅｇａｓｗｅｌｌｓ[Ｊ].Ｊｏｕｒ￣ｎａｌｏｆＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(ＥａｒｔｈＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ)ꎬ２０２２ꎬ５２(４):１２１５－１２２２[１２]㊀张海平.机械式旋转冲击钻井工具结构设计与试验[Ｊ].石油机械ꎬ２０２０ꎬ４８(１２):９－１４.ＺＨＡＮＧＨＰ.ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｅｓｔｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｒｏｔａｒｙｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎｄｒｉｌｌｉｎｇＴｏｏｌ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２０ꎬ４８(１２):９－１４[１３]㊀甘心ꎬ梁应红ꎬ李伟廷ꎬ等.螺杆式旋冲工具凸轮机构性能测试装置设计及试验研究[Ｊ].钻采工艺ꎬ２０２１ꎬ４４(６):９３－９６.ＧＡＮＸꎬＬＩＡＮＧＹＨꎬＬＩＷＴꎬｅｔａｌ.Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｅｘ￣ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｔｅｓｔｉｎｇｄｅｖｉｃｅｆｏｒｃａｍｍｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｒｏｔａｒｙ￣ｐｅｒｃｕｓｓｉｖｅＴｏｏｌｂａｓｅｄｏｎｓｃｒｅｗｄｒｉｌｌ[Ｊ].Ｄｒｉｌｌｉｎｇ＆ＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０２１ꎬ４４(６):９３－９６[１４]㊀王四一ꎬ李泉新ꎬ刘建林ꎬ等.冲击螺杆马达研制[Ｊ].煤田地质与勘探ꎬ２０１９ꎬ４７(５):２２５－２３１.ＷＡＮＧＳＹꎬＬＩＱＸꎬＬＩＵＪＬꎬｅｔａｌ.Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｍｐａｃｔｓｃｒｅｗｍｏｔｏｒ[Ｊ].ＣｏａｌＧｅｏｌｏｇｙ＆Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎꎬ２０１９ꎬ４７(５):２２５－２３１[１５]㊀王勇军ꎬ刘刚ꎬ佟铮ꎬ等.旋冲螺杆钻具在硬岩地热钻探中的应用研究[Ｊ].钻探工程ꎬ２０２３ꎬ５０(５):１４６－１５２.ＷＡＮＧＹＪꎬＬＩＵＧꎬＴＯＮＧＺꎬｅｔａｌ.Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔｕｄｙｏｆｒｏｔａｒｙ￣ｐｅｒｃｕｓｓｉｖｅｓｃｒｅｗｄｒｉｌｌｉｎｇｔｏｏｌｉｎｈａｒｄ￣ｒｏｃｋｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｄｒｉｌｌｉｎｇ[Ｊ].ＤｒｉｌｌｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０２３ꎬ５０(５):１４６－１５２[１６]㊀于洋ꎬ刘士银.高速旋冲钻井技术优化及在顺北区块的试验[Ｊ].石油机械ꎬ２０２０ꎬ４８(１０):２４－２９ꎬ３８.ＹＵＹꎬＬＩＵＳＹ.Ｈｉｇｈ￣ＳｐｅｅｄｒｏｔａｒｙｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄｉｔｓｆｉｅｌｄｔｅｓｔｉｎｔｈｅＳｈｕｎｂｅｉｂｌｏｃｋ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２０ꎬ４８(１０):２４－２９ꎬ３８㊀㊀第一作者简介:姜华ꎬ高级工程师ꎬ生于１９７９年ꎬ２００３年毕业于中国石油大学(华东)电气工程及其自动化专业ꎬ现为在读博士研究生ꎬ主要从事石油钻井工具研究工作ꎮ地址:(１０２２４９)北京市昌平区ꎮｅｍａｉｌ:３４７０４９１２＠ｑｑ ｃｏｍꎮ通信作者:李军ꎬｅｍａｉｌ:ｌｉｊｕｎ４４６＠ｖｉｐ １６３ ｃｏｍꎮ㊀收稿日期:２０２３－１１－１０(本文编辑㊀任㊀武)５５２０２４年㊀第５２卷㊀第４期姜华ꎬ等:冲击螺杆钻具结构设计与参数优化㊀㊀㊀。
金属螺旋弹簧动态特性研究
金属螺旋弹簧动态特性研究1刘丽，张卫华西南交通大学牵引动力国家重点试验室，四川成都（610031）E-mail ：tpl@摘 要：车辆悬挂参数（尤其是弹簧动刚度）与车辆的运行性能有着密切联系。
为此以金属螺旋弹簧为例，利用有限元方法，研究弹簧的动态特性，并通过实验对其进行了实验验证，证实金属螺旋弹簧确实存在显著的频变特性。
在弹簧的运用过程中，弹簧除自身质量之外还有簧载质量，由于簧载质量的存在对弹簧的动态特性存在着影响。
为此，我们对簧载质量对弹簧动态特性的影响作了专门的研究，研究表明，随着簧载质量的增大，弹簧自身质量对动态性能影响减弱。
关键词：车辆工程；动刚度；有限元；螺旋弹簧；共振；反共振中图分类号：U463.334 文献标识码：A 文章编号： 1673－7180（2007）09－0. 引言近十年来，中国的铁路发展迅猛，列车经过几次大提速，运行速度有了显著提高。
随着运行速度的提高，不可避免地加剧了机车车辆的振动和噪声，严重影响了列车的舒适性和安全性，因此对列车减振系统相应地提出了更高的要求。
在列车运用中，车辆往往出现这样那样的动力学性能问题，究其原因，一是车辆减振系统的参数（包括刚度和阻尼）随着运用和时间的推移发生了改变；二是悬挂件的刚度和阻尼值与振动的频率有关，到线路运行时，随着运行速度的提高，悬挂件运用在高频振动条件下，动刚度特征明显，导致车辆运行品质降低。
所谓动刚度，即一定条件下，弹簧受到周期载荷作用时，弹簧产生单位弹性位移所需的力，=动刚度力的幅值/位移幅值[1]。
有研究表明[2,3]，橡胶件等减振元件动态特性很显著，而针对金属弹簧的动态特性往往被忽略，而实际上金属弹簧也有与橡胶件类似的特性。
金属弹簧在现役机车车辆减振元件中有着广泛的应用：几乎所有的货车和超过半数的旅客列车的悬挂系统仍在运用金属弹簧。
其在减振降噪方面扮演着相当重要的角色，对车辆的舒适性和安全性也起着相当重要的作用，因此其动刚度的研究十分必要。
速度脉冲型近场地震作用下某混合减震结构动力响应特性研究
速度脉冲型近场地震作用下某混合减震结构动力响应特性研究赵攀宇;吴勇;战祖弘;陶安平;沈佳;曹历
【期刊名称】《建筑结构》
【年(卷),期】2024(54)9
【摘要】近断层地震动的速度脉冲效应对结构的抗震性能具有不利影响,我国规范对近场效应的考虑通过不同断层距的近场增大系数体现。
以距离断裂带不足5km 的某混合减震框架结构为工程背景,选取一组典型的速度脉冲型近场地震波,并用基于小波分析的识别方法进行验证,同时基于抗规选波方式考虑场地地震环境选取另一组地震波,在均满足有效持时、地震动加速度峰值、反应谱相似性的前提下,对比设防、罕遇地震下脉冲波和规范选波结构响应的差异。
结果表明:速度脉冲型地震动对近断层减震项目的结构响应有一定的放大作用,设防地震下基底剪力增大系数约为1.07,罕遇地震下基底剪力增大系数约为1.18~1.19,罕遇地震下消能元件的耗能更充分,结构构件的塑性损伤进一步发展,放大作用较设防地震更为显著;对于短周期减震结构,当选波没有区分速度脉冲地震记录同时又按抗规乘以1.5的近场增大系数时,可能高估结构的响应。
【总页数】8页(P126-133)
【作者】赵攀宇;吴勇;战祖弘;陶安平;沈佳;曹历
【作者单位】华图山鼎设计股份有限公司;西华大学土木建筑与环境学院;四川国恒建筑设计有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TU318.1
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1.近场地震作用下采用拉索减震支座桥梁纵向地震响应特性
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4.近场地震下网壳-支承结构动力响应及速度脉冲放大效应分析
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矩形顶管关键技术研究现状及发展趋势探讨
矩形顶管关键技术研究现状及发展趋势探讨
马鹏;岛田英树;马保松;黄胜;周浩
【期刊名称】《隧道建设(中英文)》
【年(卷),期】2022(42)10
【摘要】首先,对矩形顶管技术的发展历程及其国内外研究现状进行综述,介绍当前矩形顶管技术主要的应用场景,并结合顶推力预测、注浆减阻、背土效应演化机制和控制对策、顶进过程中的地层响应模式和沉降计算、工作面稳定性评估等关键技术问题,对矩形顶管的理论研究进展进行回顾和讨论。
其次,根据矩形断面掘进机的结构形式和切削方式,对国内外矩形顶管掘进机的开发现状及其分类进行介绍。
最后,归纳当前矩形顶管在装备及工程应用领域面临的技术挑战,探讨矩形顶管技术的发展趋势,对矩形顶管装备智能化,矩形曲线顶进,长距离、大断面及复合地层等复杂场景下的矩形顶管技术进行展望。
【总页数】16页(P1677-1692)
【作者】马鹏;岛田英树;马保松;黄胜;周浩
【作者单位】中山大学土木工程学院;九州大学地球資源工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】U45
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矩形波卷积求解方法的研究
矩形波卷积求解方法的研究张志银;刘丹丹【摘要】In this paper,We systematically analyzes the rectangular wave convolution methods,combining with the rectangular wave self characteristics,and we focus on the three relatively simple methods. By contrast,we concluded the advantages of these methods and application objects. Finally,an example is given to illustrate the specific calculation process of each meth-od.%本文详细地分析了矩形波卷积的方法，并结合矩形波本身的特点，重点讨论了三种较为简便的方法。
通过对比，我们总结出这些方法的优点以及适用对象，最后举例说明各个方法的具体计算过程。
【期刊名称】《枣庄学院学报》【年(卷),期】2016(033)005【总页数】6页(P47-52)【关键词】矩形波;卷积;冲激函数;门函数【作者】张志银;刘丹丹【作者单位】郑州升达经贸管理学院数学教研室，河南郑州 451191;中原工学院理学院，河南郑州 450007【正文语种】中文【中图分类】O177.92卷积是一种重要的数学方法，它在信号和系统理论中占有重要地位，特别是在线性时不变系统，简称LTI(Linear Time Invariant)系统中，有着重要的应用，可归结为以下几个方面：(1)任一信号均可分解为冲激信号的叠加，即信号与冲激函数的卷积，从而得到求解LTI系统零状态响应的卷积原理，所以它是时域系统分析的强有力工具，可避免直接求解复杂的微分方程；(2)系统的零状态响应可用输入信号与系统本身的冲激响应进行时域卷积而得到，无论对系统作时域分析还是变换域分析，这个结果都非常重要，可以减少运算量，大大简化计算过程；(3)卷积的实际物理意义就是把某时刻以前的输入对此事的影响都累加起来，这个特点在离散序列里面看得更清楚，这是系统具有必然性的结果.在工程应用中常见的一种信号就是矩形波，它不仅简单而且是组成其它复杂信号的基础，而矩形波卷积是信号与系统分析中经常遇到的问题[1-3].因此，讨论两矩形波卷积的计算方法有着十分重要的意义.1.1 卷积积分设两个实函数为f1(t)和f2(t)，则称积分f(t)为函数与f2(t)的卷积积分，简称卷积，记作f1(t)*f2(t).即f(t)=f1(t)*1.2 卷积的主要性质由定义易知卷积满足交换律、分配律、结合律等代数运算，本文主要讨论矩形波卷积的方法，下面仅列出与矩形波卷积计算关系密切的性质.性质1若f1(t)和f2(t)的取值区间分别为(t1a,t1b)、(t2a,t2b)，则f(t)=f1(t)*f2(t)的取值区间为(t1a+t2a,t1b+t2b).注：此性质也适用于取值区间为闭区间.性质2函数与冲激函数的卷积是它本身，即f(t)*δ(t)=δ(t)*f(t)=f(t)性质3若f(t)=f1(t)*f2(t)，则f1(t-t1)*f2(t-t2)=f1(t-t2)*f2(t-t1)=f(t-t1-t2)此性质十分重要，有利于简化卷积求解的过程.它表明：卷积结果的曲线形状只与相卷的两个函数形状有关，而与相卷两个函数的具体位置无关.这一性质跟信号与系统的理论是相符的.若设f1(t) 为信号，f2(t)为LTI系统，则f2(t-t2)仍为LTI系统，故延迟的信号f1(t-t1)通过LTI系统f2(t-t2)后得到的输出信号形状肯定与未延迟时一致，仅有些延时(位移) 而已.即f1(t)*f2(t) 与f1(t-t1)*f2(t-t2) 形状相同，仅位置不同.性质4(卷积的微分与积分)若f(t)=f1(t)*f2(t)=f2(t)*f1(t)，则其导数*f2(t)=f1(t)*其积分*f2(t)=f1(t)*如果对(4)(5)两式分别求积分或求导，则有**其中，，且设f(-1)(∞)=0.矩形波是一种简单且常见的一种信号，矩形波在信号与系统中占有相当重要的地位，故讨论两矩形波卷积的计算方法有着十分重要的意义.由于矩形波自身函数特点，我们除了直接根据卷积定义计算外，还可结合性质得到几种简便计算方法.本节讨论了矩形波卷积的几种较为简便的计算方法，并比较这些方法的特点及适用对象，以便更好地计算矩形波卷积.2.1 定义法设任意两矩形波，如图1所示，其中d-c≤b-a，求卷积f(t)= f1(t)*f2(t).按照卷积积分的定义，将两信号的函数表达式直接代入公式(1)计算即可.2.2 图解法由性质1知，当t<a+c或t>b+d时，f(t)≡0，故只需求出内的卷积值即可，用图解法，如图2所示.设A 与D 点，C 与B 点，C 与A 点，D 与B 点重合的坐标值分别为t1、t2、t3、t4，两矩形波的高分别为k1，k2，则有t1-c=a⟹t1=a+c，t2-d=b⟹t2=b+d，t3-d=a⟹t3=a+d，t4-c=b⟹t4=b+c.设t由-∞逐渐增大(即f2(t-τ) 由左向右移).当t>t1时，由0开始增大，当t>t3时，达最大值. 由于d-c≤b-a，所以当t>t4时，由最大值开始变小，当t>t2时，又变为零.因此，① 当t1<t<t3，即a+c<t<a+d时，f(t)；② 当t3<t<t4，即a+d<t<b+c时， f(t)；③ 当t4<t<t2，即b+c<t<b+d时，f(t)(b-t+d).其波形图,如图3所示.2.3 门函数法矩形函数常常用阶跃函数来表示.在上图1中，所示的两个矩形波分别表示为f1(t)=ε(t-b)-ε(t-a) ，f2(t)=ε(t-d)-ε(t-c).由于这种简单的表达形式，我们利用公式(3)及常用卷积ε(t)*ε(t)=tε(t)，不用画图便可求出卷积积分f1(t)*f2(t)=[ε(t-b)-ε(t-a)]*[ε(t-d)-ε(t-c)].2.4 微分与积分法利用性质4，可先对f1(t)求导得(t)，对f2(t)求积分得(t)，再求它们的卷积.其波形如图4所示.这种做法简便之处在于矩形波的导数是由冲激函数组成的，利用性质2、性质3以及结合图形可快速的计算出(t)*(t)，从而计算出f1(t)*f2(t).2.5 矩形波卷积的图形由以上分析可知:①两个不等宽矩形波的卷积为一等腰梯形，梯形高为两矩形波高之积与较短矩形波长度的乘积(即k1k2(d-c))，短边长度为两矩形波长度之差，长边长度为两矩形波长度之和.注: 此处的高可为正或负.②两等宽矩形波卷积，结果为一等腰三角形，底边为两矩形波长度之和，高度为两矩形波高度与矩形波长度的乘积.3 实例分析例 f1(t)与f2(t)为如图5所示两矩形波，计算f1(t)*f2(t).解①图解法直接利用2.2图解法的结论，此题为两不等宽的矩形波作卷积，由图5知，a=2，b=6，c=1，d=4，k1=2，k2=1，从而t1=3，t2=10，t3=6，t4=7， k1k2(d-c)=2，故f1(t)*f2(t)的波形取值范围为[3,10]，卷积图形为一等腰梯形，高1×2×(4-3)=2，短边长为4-3=1，长边长度为3+4=7，如图6所示.②门函数法由图5可知，f1(t)=ε(t-1)-ε(t-4)，f2(t)=2[ε(t-2)-ε(t-6)]故f1(t)=[ε(t-1)-ε(t-4)]*2[ε(t-2)-ε(t-6)]此函数波形与图6相同.③利用微分与积分性质分别对矩形波函数f1(t)求导，导函数为(t)：对矩形波函数f2(t)求积分，积分函数为(t)，可直接作图计算，如图7所示.以上，同一例题利用本文给出的三种不同的解法进行计算，通过比较不难得到如下结论：①门函数法计算直接明了，易于求函数表达式，且适用范围广，对两个信号均不是矩形波的情形同样适用，但不易直接得到卷积之后信号的波形；②图解法和微分与积分法都可直接结合图形得到最终的结果，但图解法只适用于两个均是矩形波的情形；微分与积分方法计算较为简单，充分利用了冲激函数和卷积的性质，既可给出函数表达式，也可直接图解，适用范围较广，对一个信号为矩形波，另一个不是矩形波的情形同样适用.本文从卷积的基本概念及性质出发，研究了矩形波卷积的问题，给出了三种较为简便的计算方法，举例说明方法的优点及适用对象. 理论与实践均表明，这些方法简化了矩形波卷积的计算与作图，进一步加深了矩形波卷积的概念与定性的理解，以便更好地应用在信号与系统的分析理论中.【相关文献】[1]郑君里,应君珩,杨为理.信号与系统(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2004.[2]吴大正.信号与线性系统分析(第4版)[M].北京:高等教育出版社,2006.[3]徐天成,谷亚林,虞粉英.卷积的微分与积分递推公式的分析及推广[J].南京理工大学学报(自然科学版),2005,29(5):613-615.[4]曾德藩.卷积在图像平滑中的应用[J].枣庄学院学报,2007,24(5):64-66.[5]任玲芝,鲁业频,朱仁义.任意矩形脉冲信号卷积的研究[J].巢湖学院学报,2009,11(3):51-53.[6]郗艳华.门函数卷积的分析[J].湖州师范学院学报,2010,32(1):112-115.[7]翟学博.一类加权的Jackson型不等式与Marcinkiewicz-Zygmnud型不等式[J].枣庄学院学报,2014,31(2):1-3.[8]毛北行,孟晓玲.两种类型的不定积分问题[J].枣庄学院学报,2014,31(2):12-14.[9]杨溢,盛斌,吴霞,等.基于矩形波谱分析的图像显著性检验[J].浙江大学学报(理学版),2015,42(1):1-8.。
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１ 系统 运 动 方 程及 其 无 量 纲 化
斜 支 承 弹 簧
系 统 如 图 １所 示 ，
献［ ］ ６ 以斜支承弹簧系统为研究对象 ， 在系统非线性振
动方程 的基 础 上 ， 用龙 格 一库 塔 数 值 积 分 法 分 析 系 采
统 的振 动特性 ， 讨论 了不 同支 承 角 、 同振 幅对 系 统振 不 动 的影 响 ， 该 系 统在 包 装 工 程 中的应 用 提 供 了一 定 为 理论依 据 。现有 的有 关斜 支 撑 弹簧 系统 研究 主要 集 中 在针对 系统几 何 非 线 性 ， 讨 系 统 自振 特 性 及 其 影 响 探
起 的几 何 非 线 性 系统 冲 击 特 性 分 析 与评 价 需 进 一 步
研究。
用 ， 际应用 中通 常 垂 直安 装 构 成 线 性 减 振 系 统 。上 实
世纪 ６ ０年代包装 工程 中采用 了斜支 承 弹簧 减 振 系统 ，
本 文 以斜 支 承 弹簧 系统 为研 究 对 象 ， 立 系 统 建
论依 据 。
行 理论分 析 ， 文献 ［ ５ 建 立 了斜支 承 弹簧 减振 系统 的 ４，］
竖 向非线 性振 动 控 制 方程 ， 究 了斜 支 承 弹 簧 减 振 系 研
统 的竖 向非 线 性 自振 问题 ， 过 两 次 近 似 处 理 给 出 了 通
竖 向非线性 自振 的 位移 及 固有 频 率 的 近 似解 ， 论 了 讨 斜 支承条件 下支 承弹簧 的倾 角对 系统 自振 的影 响 。文
非线 性 系 统 。 现 有 的 有 关 系 统 冲 击 特 性 分 析 及 评
价 主要是 针 对 材料 的 非 线 性 ， 由于 结 构 变 化 而 引
ｆ：￣０ｏ ＋（ｓ ｐ 一 ｌ ／ｃ ２０ １ｉ ｏ ） ｚｓ ２ ｏｍ
物体满 足 的平 衡方 程
ｒ
（） １
４ （ｏ—Ｚ） ｉｐ＝ ｍ Ｚ １ｓｍ ｇ
利用其几 何非 线性对 运输 过 程 中 的精 密 仪 器设 备 进行
减振保 护 ， 减 振效 果 优 于 垂 直 悬 挂 弹簧 组 成 的线 性 其
在 矩形 脉 冲激励 下非 线性 动力 学方 程 。 以系统 加速 度 响应峰 值与脉 冲激励 幅值 之 比为反 映 系统在 矩 形脉 冲
激励 下 的响应指 标 ， 以脉 冲激励 时 间 、 并 系统 支撑 角 为
｛ ．
摘 要 ：以斜支承弹簧系统为研究对象， 建立了矩形脉冲激励下系统非线性动力学方程， 利用龙格 一 库塔法对系
统冲击特性进行数值分析。以系统加速度响应峰值与脉冲激励幅值 之比为反 映系统在 冲击作用下的响应 指标 ， 脉冲激励
时间、 系统支撑角作为变量 ， 构建 了系统的三维冲击谱 。讨论 了脉冲激励 幅值 以及系统阻尼等对 冲击谱的影响规 律。研 究表 明， 冲激励 幅值 、 脉 系统支撑角 、 系统 阻尼等对 系统 冲击响应峰值 影响显著 ， 增加 系统阻尼可使 系统 加速度响应峰值
振
第２ ９卷第 ｌ ０期
动ＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩ ＲＡＴ ＯＮ ＡＮＤ Ｓ Ｂ Ｉ ＨＯＣＫ
矩 形脉 冲激 励 下斜 支承 弹 簧 系统冲 击特 性 的研 究
陈安军
（ ． 南大学 包装工程系 ， 锡 １江 无 ２ ４ ２ ；． １１２ ２ 国家 轻 工 业 包 装 制 品 质量 监 督 检 测 中心 ， 锡 无 ２４ ２ ） １１２
系统 。文 献 ［ ］ 理论 上 证 明 了斜 支 承 弹 簧 系统 的减 １从 振 作用优 于垂直 支承 弹簧 系统 ， 献 ［ ，］ 文 ２３ 对包 装 工程
中的斜支 承 弹簧 减 振 系统 作 了简 要 的定 性 论 述 ， 进 未
变 量 ， 建系统 的三维 冲击谱 。探 讨 脉 冲激励 幅值 、 构 脉 冲激 励 时间 、 系统 支撑 角 以及 系 统 阻尼 等 对 冲击 谱 的 影 响规律 。为斜 支撑 弹簧 减振 缓 冲 系统 的设 计提 供 理
长度 ：
振 动是导致 其 损 坏 的 两个 主 要 的动 力 学 因 素 ， 包 装 其
系统 冲击 特 性 及 其 评 价 的研 究 对 产 品 的保 护 意 义 重
大 。文献 ［ ］ 用统 一 的方法 研 究 了多种 典 型 非 线 性 ７采 包装 系统在 典 型激 励 脉 冲下 的 冲击 响应 特 性 ， 到 系 得 统 的冲击 响应谱 和破 损 边 界 ， 破 损 边 界 理 论 拓 展 到 将
被支 承 物 体 Ａ Ｂ质
量为 ｍ， 保 证 物 为
体 的 稳 定 性 用 四 个 刚 度 系 数 及 原
长 完 全 相 同 的 弹
因素 的分析 ， 而对其 冲击特 性分析 未见报 道 。
运 载火箭 、 机 、 飞 船舶 、 辆 以及各 种工 程 机械 ， 车 在 其 运行 中经常 受 到 冲 击作 用 ， 冲击 对 其 结 构 和 性 能 将 产 生有 害的影 响。包 装 工 程 中 ， 品流 通 过 程 冲击 和 产
簧 支 承 ， 簧 原 长 弹 Ａ Ｃ＝Ｂ ， 簧 Ｄ＝ 弹
的 刚 度 为 ｋ 设 弹 ，
图 １ 斜支承系统力学模型
Ｆ ｇ Ｔ ｏ ｅ ｆｓ ｓｅ ｉ ．１ ｈｅｍ ｄ ｌｏ ｙ ｔ ｍ
簧未 变形 时 的支 撑角 ／Ａ Ｄ＝／Ｂ Ｃ＝ ， Ｃ ＿ Ｄ 。 考虑 系统 阻 尼 ， 阻尼 系数 为 Ｃ 系统 在 静 平衡 位 置 时 ， 撑 角变 设 。 支 为 ， 支 承 物 体 竖 直 方 向 位 移 为 ｈ 静 平 衡 时 弹 簧 被 ，
明显降低 。研 究结论可 为斜支撑弹簧减振系统的设计提供 理论依据 。 关键词 ：斜支承弹簧 ； 非线性 ； 三维冲击谱 ； 冲击特性
中图 分 类 号 ：Ｔ ４ ５ ０ ２ Ｂ ８ ； ３８ 文 献 标 识 码 ：Ａ
弹簧作 为减 振 元 件 在 包装 、 械 等工 程 中广 泛 应 机