钻机底座的振动分析

图 4 某测点垂直方向振动的频域分析
垂直方向的频域分析结果。结合表 2 可以看出, 不论 是采用三档还是四档钻进, 底座垂直方向振动的各 主要频率与变速箱、万向轴、转盘输入轴的工作频率
第 2 期
杨 超等: 钻机底座的振动分析
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及其倍频接近, 可以认为这些设备是底座垂直方向 振动的主要振源。结合较高频率成分可以看出, 万向 轴是最主要的振源。
把底座及其上面的各旋转设备看作一个大旋转
振动系统, 根据 GB11347-89 所规定的大型旋转机 械振动烈度的评定等级, 则其属于挠性支承设备。从 图 1～图 3 可以看出, 当采用四档钻进时, 底座各测 点处的振动烈度均大于 18 mm/ s, 处于“停机, 不允 许运行”的范围。由此可见, ZJ15 型钻机采用四档钻 进是不合适的。
图 5 和图 6 是分别采用三档、四档钻进时底座 某测点在水平方向的频域分析结果。结合表 2 可以 看出, 不论是采用三档还是四档钻进, 底座水平方向 振动的各主要频率与钻杆、变速箱输出轴、万向轴、 转盘输入轴的工作频率及其倍频接近, 这些设备是 底座水平方向振动的主要振源。
是万向轴及其两端联接轴的工作频率和倍频接近底 座的固有频率而引起共振。前面的频域分析结果中 并不包含钻头、猫头轴及钻铤的振动频率及其倍频 成分, 可见它们对底座的振动没有什么贡献。
1 底座模态测试及分析
1. 1 测试原理
钻机底座是一个结构复杂的多自由度系统, 其 运动方程可表示为[ 1]
Mx( t ) + Cx( t) + Kx( t ) = f ( t)
( 1)
其中: M, C, K 分别为系统的质量、阻尼和刚度矩阵,
x( t) , x( t ) , x( t) , f ( t) 分别为加速度、速度、位称和激 振力向量。
3 实际应用情况
目前, 大庆油田钻井三公司已根据测试、分析结 果对所有 ZJ15 型钻机的传动装置进行了改造, 通过 改变变速箱四档的传动比, 将原来的转速 297 r/ m in 降低到 240 r / min 左右, 其他档位的传动比保持不 变。采用现在的四档钻进, 设备的工作频率避开了底 座振动的固有频率, 底座的振动状况改善了很多, 提 高了安全性, 延长了底座及设备的工作寿命。
结合表 1 和表 2 可以看到, 钻机以四档钻进时, 变速箱的输出轴、万向轴及转盘输入轴的工作频率 及其 2 倍频率分别为 17. 73 Hz 和 35. 46 H z, 与底座 的第 2 阶模态频率 16. 55 Hz 和第 5 阶模态频率 34. 87 Hz 比较接近。另外, 万向轴的两端联接处同时还 存在 53. 19 Hz 的常伴频率, 与底座的第 8 阶模态频 率 53. 88 Hz 非常接近。由此可以得出这样的结论: 钻杆是该底座水平方向振动的最主要振源; 与水平 方向成一定角度的万向轴是引起 3 个方向振动的主 要振源; 四档钻进时底座垂直方向强烈振动的原因
2. 2 采样数据的幅值域分析
所采集数据的幅值域分析结果如图 1～图 3 所 示。可以看出, 采用四档钻进时, 底座在 3 个方向的 振动烈度是采用三档时的 2～7. 5 倍。
收稿日期: 2001-10-31; 修改稿收到日期: 2002-08-07。
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振 动、测 试 与 诊 断 第 23 卷
2 底座工作过程振动测试及分析
2. 1 数据采集
为了比较底座在两种钻井速度、井深范围条件 下的振动情况, 在整个钻井过程中选了 4 个测试段: 井深分别为 160～200 m ; 590～640 m; 830～850 m ; 1040～1070 m 。在每个测试段内, 分别采用三档、四 档钻井, 并进行了数据采集。
L ei X uanyang Song X igeng X u J i cheng
( Inst itute o f I. C. E. of D alian U niver sity of T echnolog y D alian, 116023, China)
2. 3 采样数据的频域分析
2. 3. 1 底座振动的可能振源及振动频率特性 ZJ15 型钻机底座上所采用的电动机、变速箱、
万向轴、转盘及绞车等都是旋转设备, 任何一个转动 部分出现不平衡或不对中时, 都会引起设备和底座 的振动。变速箱和转盘之间用万向轴联接, 由于万向 轴与钻台面之间存在 7°的夹角, 万向轴的轴线与变 速箱的输出轴和转盘的输入轴存在相同的夹角, 即 在两个联接处存在轴线不对中问题。根据文献[ 2] 及 文献[ 3] , 可求得各种振源的工作频率、常伴频率及
对 上式进行拉普拉斯( L aplace ) 变换, 式( 1) 可
变为
{ Ms2 + Cs + K } X ( s) = F( s)
( 2)
进一步简写为
Z( s) X( s) = F( s)
( 3)
其中: Z( s) 是系统在 S 域的阻抗矩阵。对于约束系
统, 它是一个非奇异矩阵, 其任一元素 Zij ( s) 为
H, Z, V
转盘 输入轴
9. 53 38. 12 17. 73 70. 92 19. 06 47. 65 35. 46 88. 65
H, V
钻杆
2. 66 5. 33 4. 95 9. 91 H, Z
转铤扭振 10. 2 及纵振 6. 44
10. 2 6. 44
H, Z, V
钻头
7. 99
14. 86
摘要 针对 ZJ15 型 钻机底座采用高速档钻进时振动强烈 的情况, 对 该型钻机底座进行 了模态测试、振动测试与分 析, 指出钻杆、变速箱、万向轴、转盘输入轴等 设备是其主要振源, 并对钻机底 座的设计制造提出 了改进建议。分析 结果在实际生产中得到应用, 取得了较好的效果。
关键词 模态分析 振动分析 垂直振动 共振 钻机底座 中图分类号 T E 923 O 321
H, Z
注: 底座前台到后台方向为水平纵向, 以 Z 表示; 与之水 平垂直的为水平横向, 以 H 表示; V 表示垂直方向。
2. 3. 2 采样数据的频域分析
以井深 830～850 m 底座振动的测试及分析为
例, 研究底座振动的原因。
图 4 为分别采用三档、四档钻进时底座某测点
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图 3 底座水平纵向振动烈度
H, V
变速箱 输出轴
猫头轴
9. 53 6. 74
2. 55
19. 06 13. 48
5. 09
17. 73 4. 74
35. 46 4. 74
H, V Z, V
万向轴
9. 53 19. 06
28. 59 38. 12 47. 65 57. 18
17. 73 35. 46
53. 19 70. 92 88. 65
表 1 底座前 9 阶模态频率及阻尼比 模态 阶号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 频率
7. 00 16. 55 22. 53 29. 51 34. 87 40. 68 45. 11 53. 88 61. 14 / Hz 阻尼比
8. 26 5. 72 3. 04 2. 37 1. 60 1. 76 2. 33 1. 10 0. 78 /%
第 一作者 简介: 杨 超 男, 1969 年 4 月 生, 讲师。曾发 表“Z J15 型钻机 底座 振动 实验模 型设计 ”( 《石油矿 场机 械》2001 年 第 30 卷第 1 期) 等论文。 E-mail: y ang chao- b9@ 163. com
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Jour na l o f Vibration, M easur ement & Diagno sis V ol. 23
Keywords signal processing t im e-f requency domain t ransfo rmat ion DF T spect rum analysis
Refined Method of Modeling ICE Crankshaft-Flywheel for 3-D Vibration Analysis
国产 ZJ15 型钻机是大庆油田的主力钻机。为了 提高钻井效率, 缩短工作周期, 通常采取提高钻井速 度的方法, 即采用四档钻进。但是, 该型钻机采用四 档钻进时, 钻台的振动非常强烈, 影响正常工作。该 型钻机底座在设计制造时并未考虑其动特性, 出厂 时也未进行特性测试。为弄清底座振动强烈的原因, 对底座进行了模态测试及其工作过程的振动测试。
Zij ( s) = mij s2 + cijs + kij
( 4)
所以
X ( s) = Z- 1 ( s) F ( s) = H( s) F( s)
( 5)
其中: H( s ) =
Z- 1( s) =
adjZ( s) det Z( s)
=
N( s) D( s)
为传递函数
矩阵。
1. 2 测试结果
本次模态测试的主要目的是测试钻机底座在垂 直方向的模态参数。经过传函及模态分析, 求得底座 前 9 阶模态频率及阻尼比, 如表 1 所示。如果钻台面 上的钻井设备的工作频率或其倍频接近底座的模态 频率时, 将会引起钻台面的强烈振动。
4 结论及建议
图 5 某测点水平横向振动的频域分析
图 6 某测点水平纵向振动的频域分析
在图 4～图 6 中, 都包含有万向轴独有的频率 成分, 表明万向轴是底座 3 个方向振动的主要振源。 从图 5 和图 6 还可以看出, 钻杆的转动频率总是水 平方向振动的最主要频率成分。因此可以认为, 钻杆 是底座水平方向振动的最主要振源。
参 考 文 献
1 李 德 葆. 振 动 模 态 分析 及 其 应 用. 北 京: 宇 航 出 版 社, 1989. 59～65
2 韩 捷, 张瑞林, 关惠玲, 等. 旋转机械故障 机理及诊断技 术. 北京: 机械工业出版社, 1997. 91～113
3 Dar eing D W. 钻杆控振指 南. 潘瑞安译 . 油气钻井 译丛, 1986, ( 6) : 16～22
t herefo re in t he DT F T operation, a fraction inst ead of an int eger may be chosen f or t he num ber k t o g et ZOOM ef f ect , pr ovided t he eff ect of t he t ime w indow on t he f requency resolut io n has been proper ly consider ed.
图 1 底座垂直方向振动烈度 图 2 底座水平横向振动烈度
振动方向列于表 2。
表 2 钻机底座上各个可能振源的工作频率及常伴频率
Hz
三档
四档
频率种类 工作 频率
常伴 频率
工作 频率
常 伴 振动方向 频率
电动机 12. 33 24. 67 12. 33 24. 67 H, V
变速箱 输入轴
12. 33 24. 67 12. 33 24. 67
第 23 卷第 2 期 2003 年 6 月
振动、测试与诊断
Journal of Vibration, M easurem ent & Diag nosis
V ol. 23 N o . 2 Jun. 2003
钻机底座的振动分析
杨 超 范士娟
刘常宝
( 华东交通大学机电工程学院 南昌, 330013) ( 大庆 石油管理局钻井二公司 大庆, 163413)
( 1) 钻杆是底座水平方向振动的主要振源。 ( 2) 采用四档钻进时, 底座在 3 个方向的振动 烈度是采用三档时的 2～7. 5 倍; 钻台面上的变速箱 的输出轴、万向轴及转盘输入轴的工作频率及其 2 倍频率分别接近底座的第 2 阶、第 5 阶和第 8 阶模 态频率, 是该底座垂直方向振动强烈的主要原因。 ( 3) 万向轴与钻台面成一定夹角, 造成联接处 轴线不对中, 引起底座 3 个方向的振动; 采用四档钻 进时, 其工作频率及倍频接近该底座的模态频率, 从 而引起底座产生共振。建议在设计制造 ZJ15 钻机底 座时, 合理调整钻台上各转动设备的工作转速, 使各 设备的工作频率及其倍频避开底座的固有频率, 同 时还应注意万向轴的安装。