摘要
声频振动钻进技术是一种由液压驱动、无需使用钻井液的高效取芯钻探技术,目前在国外已广泛应用于地质勘探、环境取样、岩土工程施工等领域.国内对声频振动钻机的研制还存在不足,尤其是动力头与钻机本身之间的隔振结构做得还不够好,动力头隔振对延长钻机使用寿命具有重要的意义,本文以声频钻机减振结构为研究对象,建立数学模型、ABAQUS 有限元仿真以及部分实验相结合的方式,对空气隔振系统做了深入研究,得出以下结论.
对空气隔振系统做了详细的理论分析,推导出其回复力、刚度、振幅和位移传递率公式,利用 Origin 软件进行了曲线绘制,并分析了空气弹簧自身的结构参数和外部激振载荷对其性能的影响,对设计和改善空气隔振系统结构具有重要的指导作用.
利用 ABAQUS 软件对空气隔振系统进行建模和有限元分析,得到其静态刚度曲线以及在外部激振载荷和冲击载荷下的动态响应,并得出了不同初始内压和激振频率下,空气隔振系统的位移传递率,了解了其隔振规律,并做出了合理的解释.V 型密封圈除了密封作用以外,还有较大的传递能量的作用,由于轴套极大地限制了密封圈法向位移,增大了密封圈的刚度,提出密封圈属性对隔振系统的重要影响,而且从模拟结果可以看出,空气隔振系统在振动时,轴套在限制密封圈位移时承受了很大的应力.之后,对声频钻进进行了模拟仿真,得到了空气隔振系统在钻进砂岩时的隔振响应,分别输出了芯轴和箱体底座的振动曲线,分析了在振动钻进时不同初始内压对隔振性能的影响.
对空气隔振系统在空载时进行了部分实验,对实验结果和模拟结果进行了对比,得出了其变化规律的一致性.提出了在实验过程中,空气隔振系统的不足之处,为后续的改进做参考.
关键词:声频钻进,空气隔振,V型密封圈,模拟仿真
Abstract
Sonic drilling is a kind of high-efficiency core drilling technology driven byhydraulic pressure without using drilling fluid. It has been widely used in geologicalexploration, environmental sampling, geotechnical engineering and so on. There is alack of in-depth research on sonic drilling rigs in China, especially the vibration isolationof the power head is not good enough. The vibration isolation of the power head is ofgreat significance for extending the service life of the drilling rig. The combination oftheoretical mechanical analysis, ABAQUS finite element simulation and someexperiments have made an in-depth study of the air vibration isolation system, andreached the following conclusions.
A detailed theoretical analysis of the air vibration isolation system was carried out,and its formulas of restoring force, stiffness, amplitude and displacement transmissionrate were derived.
Modeling and finite element analysis of the air vibration isolation system usingABAQUS software, the static stiffness curve and the dynamic response under externalexcitation load and impact load are obtained, and the air under different initial internalpressure and excitation frequency is obtained. The displacement transmission rate of thevibration isolation system has been understood, and a reasonable explanation has beenmade. In addition to the sealing function, the V-shaped seal ring also has a large energytransmission function. It can be seen from the simulation results that when the airvibration isolation system vibrates, the bushing is subjected to a lot of stress whenrestricting the displacement of the seal ring. After that, the sonic drilling was simulated,and the vibration isolation response of the air vibration isolation system was obtained bydrilling sandstone. The vibration curves of the mandrel and the base of the box wereoutput separately. The effect of initial pressure on vibration isolation was obtained.
Partial experiments were carried out on the air vibration isolation system under noload, and the experimental results were compared with the simulation results, and theconsistency of the change rules was obtained.
Keywords: sonic drilling, air vibration isolation, V-ring seal, simulation
目录
第一章 绪论 ..................................................................................................................................... 1
1.1 课题的来源与选题背景 ...................................................................................................... 1
1.2 声频钻机发展现状 .............................................................................................................. 1
1.3 声频钻机隔振技术发展现状 .............................................................................................. 4
1.4 研究内容与技术路线 ........................................................................................................ 11
1.5 本章小结 ............................................................................................................................ 12
第二章 空气隔振系统数学建模 ................................................................................................... 14
2.1 空气隔振系统三维模型 .................................................................................................... 14
2.2 空气隔振系统力学分析 .................................................................................................... 14
2.3 空气弹簧系统隔振传递率 ................................................................................................ 19
2.4 本章小结 ............................................................................................................................ 23
第三章 空气隔振系统有限元分析 ............................................................................................... 24
3.1 空气隔振系统的非线性特性 ............................................................................................ 24
3.2 空气隔振系统有限元建模 ................................................................................................ 25
3.3 空气隔振系统的静态和动态特性分析 ............................................................................ 30
3.4 本章小结 ............................................................................................................................ 38
第四章 声频钻进下的隔振响应特性 ........................................................................................... 39
4.1 岩石变形本构模型 ............................................................................................................ 39
4.2 岩石的破坏准则 ................................................................................................................ 40
4.3 声频钻进有限元建模 ........................................................................................................ 40
4.4 声频钻进仿真结果分析 .................................................................................................... 42
4.5 本章小结 ........................................................................................................................... 43
第五章 隔振系统设计与实验研究 ............................................................................................... 45
5.1 空气隔振系统设计 ............................................................................................................ 45
5.2 空气隔振系统实验 ............................................................................................................ 46
5.3 空气隔振系统改进建议 .................................................................................................... 48
5.4 本章小结 ............................................................................................................................ 48
第六章 结论与展望 ....................................................................................................................... 49
6.1 结论 .................................................................................................................................... 49
6.2 展望 ................................................................................................................................... 49
致谢 .................................................................................................................................................. 51
参考文献........................................................................................................................................... 52
第一章 绪论
1.1 课题的来源与选题背景
1.1.1 课题的来源
本论文受到国家自然科学基金面上项目"声频振动钻进系统共振机理及能量传递规律研究(编号:41672366)"、国家重点研发计划 "场地土壤污染成因与治理技术" 专项课题"多分支水平井导向钻进与精准注入机具研制(编号:2018YFC1802404)"资助.
1.1.2 选题背景
声频振动钻进技术是一种由液压驱动钻具钻进,无需使用钻井液的高效振动钻进技术,适用于地质勘探、浅层地热开发、矿山救援、环境取样、土壤修复、地震勘探、排水工程、炮弹探测、地基工程、矿产取样、考古取样、路基取样、浅海取样、静力触探、水井建设等领域,由于声频振动钻机在钻进时不需要使用水,在干旱缺水地区、松散地层等工况条件下具有不可替代的优势[1].声频振动钻机是由两个(或多个)对称的偏心轴(块)在液压马达的驱动下产生竖直方向相互叠加的高频振动力,水平方向的力由运动方向相反的偏心轴(块)抵消.声频振动钻机在运行时会在竖直方向上产生很强的周期性振动力,振动力通过主轴带动钻杆振动,从而钻进,但是振动力会引起钻机整体振动,钻机的其他部件会由于振动造成损坏,不利于钻机的长期稳定工作.研究表明,很多机械设备的事故都与振动相关,尤其是在航空航天领域,甚至有三分之二的事故都是由于振动造成的[2], 振动不只会影响机械设备的正常运转,降低机械设备的稳定性和缩短机械设备的使用寿命,它产生的噪声对人的身心健康也会造成严重影响[3].由于振动会严重降低钻机的工作效率、稳定性和使用寿命,而隔振器就是为了对钻机起到保护作用,确保向钻杆提供最大的振动能量而不损坏钻机,因此在钻杆上施加的振动力须和钻机相互隔离[4].
1.2 声频钻机发展现状
1.2.1 声频钻机国外发展现状
早在 20 世纪初,英国科学家 George Constantinesco 提出"声波理论",即利用振动能量进行钻进,并开始对声频振动钻机进行研制[5];在 20 世纪中叶,美国与前苏联开始对声频振动钻进技术进行研究;20 世纪 70 年代,小功率振动器在国外问世,该振动器钻速快、岩芯取样率高,在 80 年代的美国,开始在环境钻探等领域大量的使用该振动器;经过不断研制和突破,在 90 年代,声频振动钻进技术逐渐成熟[6],在钻探领域的使用量不断增多.在这之后,国外出现了许多声频钻机的供应商,如加拿大的声波钻机(Sonic Drill)公司和 MIP 钻井公司、美国的宝长年(Boart Longyear)公司、英国的声波钻进供应商(Sonic Drilling Suppliers)公司以及日本的利根钻探(Tone Boring)公司等[7].目前,声频钻进技术在美国、加拿大、英国、日本等国家已经成熟,广泛应用于岩土工程施工、环境钻探、爆破孔钻进、地质勘察等领域[8].Boart Longyear 公司称 SonicDrilling 可以在任何地层中快速钻进和连续取心,而且不需要水、泥浆或空气等冲洗介质;钻进效率高且稳定;由于不使用泥浆等循环介质,钻进过程中产生的废弃物少,相比传统钻机可减少 70%-80%的废弃物,使钻进成本显着降低;钻进深度最深达 182.88m,钻孔直径最大可达 304.8mm.如图 1-1 为美国宝长年公司研制的 LS250 钻机[9],该钻机结构紧凑,尺寸小,运输方便,适用于环境勘察、水文水井施工、采矿、岩土工程施工等领域;拥有钻杆自动排放装置,使得其工作安全性和效率大大增加.除此以外,该钻机还有倾斜的动力头更方便钻机在各个方向钻进,履带宽,接地压力小和噪声低等优点.
加拿大 MIP DRILLING 公司研制了一系列多装载方式的声频振动钻机,用于获取高质量的岩心,可以很好地满足土层取样,具有一系列的优点,钻机可以产生振幅、频率、激振力可调的振动,振动通过钻杆传播,可以减少钻杆与孔壁的摩擦力,更有利于钻进.美国的 PROSONIC 公司认为:声频钻进技术在环境钻探、供水井、地质工程以及矿产勘探等领域都具有许多优点,比传统的冲击回转钻进速度快 2-3 倍,在砂岩、粉砂岩等地层可达 9 倍;获得更准确的地层分层、地下水位位置以及地球物理化学信息;钻进产生的废弃物大量减少,减少了冲洗液对周围环境的污染;使用双管钻进,获得更好的完井性能,减少风险和事故,降低钻探成本[10].美国的 ResonantSonic? International (RSI) 早在 20 世纪 90 年代开始使用声频钻进技术并总结出声频钻进的好处是:真正的连续获取扰动小的柱状样品,比常规回转钻进有更高岩心采取率,比常规回转钻进和螺旋钻进有更快的钻进、取样和完井速度,高精度的斜井钻探取心,有更好的地层适应性等[11].
1.2.2 声频钻机国内发展现状
国内对声频钻机的研究起步较晚,2005 年中国地质大学( 北京) 得到科技部国际合作项目支持,2007 年成功研发我国首台声频振动钻机样机,设计振动深度30m[12],经初步试验,基本实现声频振动取样要求,但仍存在不足.2010 年中国煤炭地质总局第二勘探局与中国地质大学(北京)合作,开始进行钻进深度为 50m的声频振动钻机的研制,在 2011 年便成功研制出 YSZ-50 型声频振动钻机,先后应用于矿产勘查、大坝监测、桩基施工等工程领域,达到设计指标,填补了国内声频钻深 50m 的浅层钻探取芯钻机领域的空白[13-16],图 1-2 为 YSZ-50 型声频钻机.之后,国内钻探设备公司引进日本利根公司的声频钻机动力头技术,研制了 YGL-S100 和 YGL-S50 型声频钻机,并与中国地质大学(武汉)合作研制了适用于松散地层的钻机配套钻具,提高了声频钻进绳索取心的效率和质量[17-20].2017年,中国煤炭地质总局第二勘探局研制了 MGD-S50Ⅱ型声频钻机(如图 1-3 所示),该钻机采用超高频振动钻进方式,不用泥浆等冲洗介质、不污染环境和样品,能够快速、连续地获取无扰动的地层样品,为勘察和勘探工作提供高质量的岩芯[21].
声频钻进技术具有良好的地层适应性、钻进速度快、能够连续进行高质量取心、无污染、施工安全、成本低等优点,其应用范围也覆盖各大工程领域,具有常规钻进不可替代的优势[22].
1.3 声频钻机隔振技术发展现状
1.3.1 隔振技术简介
所谓隔振是在振源与减振体之间安装隔振器材或者隔振设备,利用其弹性变形来吸收振源产生的振动能量,以减小振源传至减振体的振动[23].另一方面,隔振是改变振源对系统激励的能量频谱结构,以减小通过频率的能量来抑制振动,达到隔振的目的[24].根据减振体是否作为运动研究对象,可将隔振系统分为消极隔振系统和积极隔振系统[25].例如,弹性系统悬挂的车架,隔振器支撑的精密仪器,它们既是减振体,也是分析研究的对象,因此它们是消极隔振系统,它们依靠隔振器的弹性变形,减轻减振体的振动强度;例如,一些常用的弹性基础,其作用是缓和机械对周围地面产生振动损坏,地面就是减振体,但是不作为分析研究的对象,因此这类隔振系统为积极隔振系统,上述隔振系统的区别如图 1-4.无论是消极隔振,还是积极隔振,其隔振措施都是在振源与减振体之间加入隔振装置,以此来减少传到减振体上的振动能量[26].
目前,常用的隔振器有橡胶隔振器、复合橡胶隔振器、弹簧隔振器、空气弹簧隔振器、金属橡胶隔振器等[27].随着隔振技术的发展,各式各样的隔振器应运而生,空气弹簧作为一种新型的隔振结构,其具有较多优于普通钢制、橡胶弹簧的性能,空气弹簧具有质量轻,噪音小,自振频率低,刚度可通过初始内压控制,能承受较大荷载,能隔离高频振动等优点,目前广泛应用于机动车辆领域[28-33].
空气弹簧主要由上下盖板、橡胶气囊、附加气室、节流孔、连接管道以及压缩空气等组成[34].附加气室通过节流孔和连接管道与橡胶气囊相通,工作时,上部荷载施加在空气弹簧上盖板上,使得橡胶气囊内的压缩空气压力增大,橡胶气囊变形,吸收部分振动能量,同时由于与附加气室的压缩空气产生压差,主气室内的空气就通过节流孔和管道流入附加气室,保证两气室压力平衡,但是节流孔和连接管道的口径限制了压缩空气的流动速度,使之产生阻尼,消耗掉振动能量[35-36].空气弹簧的承载能力和刚度特性主要取决于气囊压缩空气的性质,在工作中,气囊形状因受力不断发生变化,使压缩空气的压力,体积等参数也跟着不断改变,空气弹簧结构和材料的非线性特点导致空气弹簧极强的非线性效应[37].经计算表明,空气弹簧的垂向静刚度与空气弹簧的有效面积、内压、静平衡位置内压、容积变化率和有效面积变化率成正比;与空气弹簧总容积成反比[38].
在国内,空气弹簧主要有三种类别:囊式空气弹簧、约束膜式空气弹簧和自由膜式空气弹簧.早期囊式空气弹簧为单曲囊式空气弹簧,其承载主要靠外部囊体的挠曲变形[39],受承载能力和垂向刚度特性的限制,后来发展为双曲及三曲囊式空气弹簧,但曲囊不能超出三个,过多的曲囊会影响其稳定性和横向刚度特性[40],如图 1-5 为囊式空气弹簧.
…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件
第六章 结论与展望
6.1 结论
本文通过对声频钻机空气隔振系统进行理论分析、有限元仿真和部分实验相结合的方法,得出了该空气隔振系统的振动特性和隔振效率,具体结论如下:
(1)简化了空气隔振系统的力学模型,对其自身回复力和刚度进行了计算,得到了其刚度在小位移时变化不明显,大位移时呈现出非线性增长;对空气隔振系统的振幅进行了推导,得出其振幅与频率比和阻尼的关系,即频率比越大,振幅越小,在高频振动时阻尼对振幅影响不大.
(2)提出了利用位移传递率对空气隔振系统的隔振性能进行评价,并推导出位移传递率的表达式,得到其大小与频率比和阻尼的关系,即当?? ? √2时,隔振系统才具有隔振效果,频率比越大隔振效果越好,在高频振动时,阻尼对隔振效果影响较小.
(3)隔振系统的刚度与气室初始内压、V 型密封圈的材料属性以及气室与活塞的接触面积和气室高度有关,初始内压和密封圈的硬度越大,则隔振系统的刚度越大;气室与活塞的接触面积越大,系统刚度越大;气室高度越高,系统刚度越小.因此可根据钻进地层的需要,调整这些参数,以改变系统刚度.
(4)隔振系统的隔振效果与 V 型密封圈的硬度、初始内压和激振载荷有关,密封圈的硬度越高,其在轴套的限制下不易变形,位移传递率增大,隔振效果变差;初始内压的大小与密封圈的硬度有关,气室本身的刚度不应大于密封圈受侧限时的刚度,否则位移传递率会增大,也不应过小,否则吸收的能量较小,隔振效果不好;激振载荷增大以及激振频率增大,导致密封圈在外部荷载下产生较大的位移,其积蓄的能量传递给箱体,使得位移传递率增大,但较高的激振载荷有利于提升钻进速度.
6.2 展望
目前国内研发的声频钻机在减振方面的问题一直没有得到较好的解决,减振对钻机的寿命有着重要的影响.本文对隔振系统做了一些新的研究,但是论文中还存在着很多不足,需要在后续中加强:
(1)在理论分析中,没有考虑 V 型密封圈对隔振系统隔振影响,由于密封圈是一种超弹性材料,其在有侧限时的材料属性需通过实验确定,因此理论分析中只单纯研究了空气弹簧的振动特性,在之后的研究中应将V型密封圈考虑在内.
(2)本文虽然对隔振系统空载和钻进两方面做了仿真模拟,但是模拟过于理想化,在实际钻进中,钻具的位移与受力是非常复杂的,钻杆本身会产生较为明显的变形,振动也不仅仅发生在竖直方向,不同深度的岩层性能差异很大,因此在后续,需要通过现场实际钻进,对隔振系统的隔振情况有个更为全面的认识,从而对其参数进行合理的修改.
(3)隔振系统本身的密封是由橡胶密封的,在振动钻进过程中会产生升温老化问题,不利于隔振系统的长久使用,迷宫密封不能达到较好的密封效果,在后续中,应该找到更加合适的密封件对隔振系统进行密封.
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