178型液力衡扭旋沖提速工具本體模態(tài)數(shù)值模擬

趙 毅，李 鑫，孫秋霞

(1.大慶油田 鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413；2.大慶油田 鉆井一公司，黑龍江 大慶 163411； 3.大慶油田 地質(zhì)錄井一公司，黑龍江 大慶 163411)①

178型液力衡扭旋沖提速工具本體模態(tài)數(shù)值模擬

趙 毅1，李 鑫2，孫秋霞3

(1.大慶油田 鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413；2.大慶油田 鉆井一公司，黑龍江 大慶 163411； 3.大慶油田 地質(zhì)錄井一公司，黑龍江 大慶 163411)①

為了避免液力衡扭旋沖提速工具振動(dòng)對(duì)本體部件的損壞，利用有限元分析軟件對(duì)178型液力衡扭旋沖提速工具本體部件的三維有限元模型進(jìn)行了模態(tài)數(shù)值模擬，求解出本體部件的前5階固有頻率及振型云圖。通過分析模擬結(jié)果得出：工具工作振動(dòng)頻率與本體部件固有頻率不耦合，本體部件不會(huì)與工具振動(dòng)頻率產(chǎn)生共振而破壞本體。模擬結(jié)果為工具振動(dòng)工作狀態(tài)下本體的安全性提供了理論支持，為設(shè)計(jì)改進(jìn)及優(yōu)化工具提供參考。

提速工具；液力衡扭旋沖；模態(tài)；有限元分析

1 有限元模型

1.1 工具組成及技術(shù)參數(shù)

液力衡扭旋沖提速工具主要由動(dòng)力機(jī)構(gòu)和沖擊機(jī)構(gòu)組成，工具上部連接鉆柱，下部連接鉆頭，伴隨鉆柱旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鉆頭工作。動(dòng)力機(jī)構(gòu)將鉆井液的液體能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為沖擊機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力；沖擊機(jī)構(gòu)在動(dòng)力機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下工作并產(chǎn)生周向錘擊，將能量傳遞給鉆頭，并在鉆壓的作用下輔助鉆頭破巖，從而提高機(jī)械鉆速。

通過BSZ600型高級(jí)振動(dòng)分析儀對(duì)工具的工作頻率進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 178型液力衡扭旋沖提速工具技術(shù)參數(shù)

1.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的方法，主要用于確定結(jié)構(gòu)或設(shè)備部件的振動(dòng)特性，是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的重要方法。任何結(jié)構(gòu)都有特定的模態(tài)，即固有頻率、阻尼比和振型[6]。當(dāng)結(jié)構(gòu)所受激勵(lì)的頻率接近該結(jié)構(gòu)的固有頻率時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)的振幅將會(huì)增大，從而使結(jié)構(gòu)在疲勞時(shí)受到破壞，例如次聲波武器。如果合理利用結(jié)構(gòu)的共振特性，將會(huì)為生產(chǎn)生活帶來益處，例如超聲波清洗等[7]。結(jié)構(gòu)的模態(tài)不僅只有1個(gè)，而是有許多個(gè)，通常在有限元分析時(shí)只考慮結(jié)構(gòu)的前幾階模態(tài)。本文在分析178型液力衡扭旋沖提速工具本體零件的固有頻率時(shí)只以各部件的前5階模態(tài)作為分析對(duì)象[8]。

1.3 建立有限元模型

178型液力衡扭旋沖提速工具的本體包括沖擊機(jī)構(gòu)外殼、動(dòng)力機(jī)構(gòu)外殼和連接體。本體材質(zhì)為40CrNiMoA，材料密度7.87×103kg/m3，彈性模量2.09×1011Pa，泊松比0.295。

為節(jié)省模擬計(jì)算量，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，在有限元分析軟件中對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)定2 mm，采用SOLID45實(shí)體單元，利用四面體，網(wǎng)格采用自由方式進(jìn)行劃分，生成的有限元模型如圖1所示。產(chǎn)生的單元及節(jié)點(diǎn)數(shù)量如表2。

a 沖擊機(jī)構(gòu)外殼

b 動(dòng)力機(jī)構(gòu)外殼

c 連接體

名稱單元數(shù)節(jié)點(diǎn)數(shù)沖擊機(jī)構(gòu)外殼9836625800動(dòng)力機(jī)構(gòu)外殼474655103704連接體11393824975

2 有限元模擬

由于工具在井下工作的實(shí)際工況較為復(fù)雜，本文對(duì)井下外部載荷采用忽略處理，僅考慮工具自身振動(dòng)對(duì)本體的影響。根據(jù)模擬的需要，對(duì)沖擊機(jī)構(gòu)外殼、動(dòng)力機(jī)構(gòu)外殼和連接體的三維有限元模型一端施加固定約束，限制其自由度。模態(tài)提取方法采用分塊蘭索斯法，該方法適用于大型特征值求解問題，求解速度快，占用計(jì)算空間小。求解方程為[9-10]

(1)

迭代模擬計(jì)算后通過后處理器提取固有頻率，結(jié)果如表3。

表3 本體部件前5階固有頻率 Hz

3 模擬結(jié)果分析

通過后處理，列出沖擊機(jī)構(gòu)外殼1～5階模態(tài)位移(振型)云圖，如圖2所示；動(dòng)力機(jī)構(gòu)外殼1～5階模態(tài)位移(振型)云圖，如圖3所示；連接體1～5階模態(tài)位移(振型)云圖，如圖4所示。圖中網(wǎng)格模型的位置為模態(tài)分析前模型所在的固定位置。

當(dāng)激勵(lì)的振動(dòng)頻率接近第1階固有頻率時(shí)，沖擊機(jī)構(gòu)外殼發(fā)生首次彎曲變形；當(dāng)激勵(lì)的振動(dòng)頻率接近第2階固有頻率時(shí)，沖擊機(jī)構(gòu)外殼向相反的方向發(fā)生了彎曲變形，2次變形的最大位移量均是11.5 mm；當(dāng)激勵(lì)的振動(dòng)頻率接近第4階固有頻率時(shí)，沖擊機(jī)構(gòu)外殼振型變化并不明顯；當(dāng)激勵(lì)的振動(dòng)頻率接近第4階固有頻率時(shí)，沖擊機(jī)構(gòu)外殼非固定端發(fā)生異型變形，且變形較為嚴(yán)重；當(dāng)激勵(lì)的振動(dòng)頻率接近第5階固有頻率時(shí)，沖擊機(jī)構(gòu)外殼非約束端發(fā)生異型變形形狀與第4階的變形形狀相反。此時(shí)的變形對(duì)沖擊機(jī)構(gòu)外殼的非固定端的影響較為嚴(yán)重，容易致使螺紋脫開或者心部總成脫出，造成井下事故。

a 1階模態(tài)

b 2階模態(tài)

c 3階模態(tài)

d 4階模態(tài)

e 5階模態(tài)

a 1階模態(tài)

b 2階模態(tài)

c 3階模態(tài)

d 4階模態(tài)

e 5階模態(tài)

當(dāng)激勵(lì)的振動(dòng)頻率接近第1階固有頻率時(shí)，動(dòng)力機(jī)構(gòu)外殼發(fā)生首次彎曲變形；當(dāng)激勵(lì)的振動(dòng)頻率接近第2階固有頻率時(shí)，動(dòng)力機(jī)構(gòu)外殼向相反的方向發(fā)生了彎曲變形，2次振型的最大位移量均是8.75 mm；當(dāng)激勵(lì)的振動(dòng)頻率接近第4階和第5階固有頻率時(shí)，動(dòng)力機(jī)構(gòu)外殼發(fā)生扭轉(zhuǎn)彎曲變形，且變形較為嚴(yán)重，此時(shí)對(duì)動(dòng)力機(jī)構(gòu)外殼的影響最大，不利于工具的穩(wěn)定。

a 1階模態(tài)

b 2階模態(tài)

c 3階模態(tài)

d 4階模態(tài)

e 5階模態(tài)

當(dāng)激勵(lì)的振動(dòng)頻率接近第1階固有頻率時(shí)，連接體發(fā)生首次彎曲變形；當(dāng)激勵(lì)的振動(dòng)頻率接近第2階固有頻率時(shí)，連接體向相反的方向發(fā)生了彎曲變形，2次變形的最大位移量均是8.59 mm；當(dāng)激勵(lì)的振動(dòng)頻率接近第4階固有頻率時(shí)，連接體發(fā)生軸向壓縮變形；當(dāng)激勵(lì)的振動(dòng)頻率接近第5階固有頻率時(shí)，連接體發(fā)生軸向扭轉(zhuǎn)彎曲變形。

本體部件前5階最大位移如表4。

表4 本體部件前5階最大位移 mm

通過本體模態(tài)的數(shù)值模擬得出，178型液力衡扭旋沖提速工具本體部件的前5階固有頻率中最小值為動(dòng)力機(jī)構(gòu)外殼的第1階固有頻率225.17 Hz，其余零件的固有頻率均高于這個(gè)數(shù)值，大于178型液力衡扭旋沖提速工具在28～34 L/s排量下的工作頻率30～40 Hz。因此178型液力衡扭旋沖提速工具本體在工具正常工作狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1) 采用有限元分析軟件對(duì)178型液力衡扭旋沖提速工具本體部件進(jìn)行模態(tài)分析，得出各部件前5階固有頻率、位移和振型云圖。通過對(duì)比工具本體固有頻率和實(shí)測(cè)頻率數(shù)據(jù)，178型液力衡扭旋沖提速工具工作時(shí)本體發(fā)生共振的幾率極小，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全、可靠。

2) 通過模態(tài)數(shù)值模擬的方法得出了178型液力衡扭旋沖提速工具本體的固有頻率，避免了大量購置試驗(yàn)測(cè)試的設(shè)備，節(jié)約了成本。為了進(jìn)一步印證結(jié)果的可靠性，建議通過試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的方法對(duì)本體進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

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Numerical Simulation for Body Modal of 178 Hydraulic Constant Torque Rotary Percussion Tool

ZHAO Yi1，LI Xin2，SUN Qiuxia3

(1.DrillingEngineeringTechnologyResearchInstitute，DaqingOilfield，Daqing163413，China； 2.No.1DrillingCompany，DaqingOilfield，Daqing163411，China； 3.No.1GeologyLoggingCompany，DaqingOilfield，Daqing163411，China)

2016-10-10 基金項(xiàng)目：中國石油天然氣集團(tuán)公司重大科技專項(xiàng)“重大工程關(guān)鍵技術(shù)裝備研究與應(yīng)用”子課題“高效破巖工具”(2013A-B4) 作者簡(jiǎn)介：趙 毅(1983-)，男，黑龍江寧安人，工程師，碩士，主要從事鉆完井機(jī)械設(shè)計(jì)工作，E-mail：zhaoyi211@126.com。

1001-3482(2017)02-0030-05

TE921.2

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.007