基于声频振动钻进技术对钻柱纵向振动模态的研究

发布时间：2020-11-14 23:36

　　 声频振动钻进技术主要是利用了振动源的高频激振力,或和回转作用力、外载压力,促使钻头在这三种力的共同作用下,能够高效地穿透软岩层,进行环境钻探、软土原状取样或其它钻孔工程。在整个的声频振动钻进系统中,钻柱杆作为连接钻头与动力头的关键部件,是振动头的振动能量向钻头传递的唯一路径,开展对钻柱杆振动的研究则变得非常重要。论文首先介绍了国内外声频振动钻进技术的研究发展近况,在综述钻柱杆纵向振动的理论内容后,通过简化钻柱杆的结构,利用一维波动方程,推导出了在边界条件为钻机端定义为位移移动约束、钻头端定义为零约束的钻柱杆的纵向振动模型方程,通过模态叠加法及分离变量法求解出模型纵向振动的解析解及模态特征参数(振型和振频)的数学解析式。其次,在介绍了模态分析法求解杆纵向振动的模态参数的基础上,建立了仿真前的物理模型;还利用了SolidWorks创建了钻柱杆的三维模型,运用ANSYS仿真软件开展了对总长度为6m,直径为34mm的钻柱杆的模态仿真计算,得出了钻柱杆模型的模态特征参数即固有频率和振型,以及其他参数量(位移偏移量及应力)的变化特性。根据得到的模态特征参数变化特点,可以更有效地提高声频振动的钻进效率,为此后开展超深孔钻具的纵向振动研究以及不同约束阻尼条件下的钻柱杆的纵向振动规律研究具有一定的借鉴意义。通过此项研究,不仅可以提高声频振动钻进的能量传递效率,还可以通过研究钻柱杆产生共振时的应力变化特性对钻柱杆的强度进行校核及其结构尺寸的优化设计。因此,此项研究对声频振动钻进技术的发展具有重要的意义。
【学位单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P634.5
【部分图文】：

时钻进的双管钻具（如图 1-2）、利用水封作用可在指定深度取样并上不脱落或沉砂进入取样管的水锁钻具和砂砾石取样钻具。而国内主散软底层进行取样钻具的研究与开发，即它只能适用于常规旋转钻进钻进，针对声频振动钻进而进行开发研制的取样钻具较少，其大多数钻具进行取样工作。017 年，查春青、柳贡慧等人则研制了能够在一定程度上提高硬地层效率并同时能够调试的 PDC 钻头黏滑振动的复合式冲击钻具（如图 1场实验结果分析：使用此种类钻具的钻进形式与“螺杆+PDC 钻头”进形式相比，其机械钻进的工作效率提高了大约 60.2％，且在试验过程中，PDC 钻头并没有出现黏滑振动或者是崩齿的问题。虽然这是案例，但纵观全领域界，目前对其配套的钻具技术的研究依然较少。

PDC 钻头并没有出现黏滑振动或者是崩齿的问题。虽然这是比的案例，但纵观全领域界，目前对其配套的钻具技术的研究依然较少。（a） 双管钻具的扶正装置 （b） 哈迈的偏心双管钻具图 1-2 双管钻具

利用动力学的近似理论与振动力学陈列出了钻柱与应力表现形式及其主振型与频率方程。分析要利用了大型通用的有限元分析软件 ANSYS，通过对简化结构S 模态仿真分析，在熟悉软件的基础上，优先找出钻柱杆模态型的变化特点。通过对约束条件的添加及改变钻柱杆的结构形柱杆的结构，对其重新进行模态仿真分析，基本得到了实际工频率、振型及其应力的变化特性。术路线用到的主要技术路线如下图所
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本文编号：2884075