·l16·路基工程2009年第4期(总第145期)XY_44钻机钻杆扭转振动分析水王红波段隆臣张巨川1,2(1，中国地质大学工程学院湖北武汉430074；2，中铁一院兰州勘察设计院甘肃兰州730000)摘要在钻探中，经常发生钻杆共振引发的埋钻、废孔等事故。采用ANSYS软件，分析了几种不同孔深时钻杆扭转振动的固有频率，结合计算公式得出了XY一44钻机工作的临界转速。通过调整转速改变对钻杆的激励频率与钻杆的固有频率不一致，从而减少因扭转振动而产生的共振。减少钻杆折断事故的发生。关键词扭转振动固有频率激励频率·临界转速共振0引言2．2．1模型参数钻杆振动是导致钻杆失效、疲劳损坏的主要因钻杆外径50．0mill，壁厚1．1lnln，材料的杨素，它一般分为横向振动、纵向振动和扭转振动。众氏模量为E=2．15E7N／cm，密度为7．85g／era，泊多学者对钻杆振动进行了研究，如李子丰等⋯针对钻松比为0．3，集中质量岩芯管的转动惯量Jo=杆的纵向振动，分别建立了力激励法和位移激励法的33．4132kg·m(为便于比较不同钻杆根数的频率变数学模型，并得出了有意义的计算结果；舒晓勇对化，计算中岩芯管保持不变)。模型如图1。于钻杆的扭转振动和纵向振动问题，运用ANSYS软件中模态分析技术，分别计算出了钻杆扭转振动的各阶固有频率和振型；马斐、施太和结合现场实测的钻杆振动数据，分析了由各种振源引起的钻杆振动特征。1】【Y一44钻机工作参数本文用ANSYS软件来求解XY一4岩芯钻机工作中+5o钻杆扭转振动频率，对比激励频率，来研究减少共振的发生的临界转速。表1为XY一44钻机两种岩芯管型号的工作参数，正转4档，反转2档。表1XY一44钻机工作参数(r／min)表图1钻杆和钻头扭转模型图2．2．2模型求解求解过程包括建模，选择模态分析类型，设置分析选项，加载和求解等。ANSYS的模态分析技术中，提供了子空间法等7种模态提取方法。子空间法是在瑞利一里兹法的基础上，通过迭代不断改进的方法，2钻柱扭转振动频率求解对于求解钻杆柱这类多自由度体系的大型广义特征值2．1基本假设问题十分有效，利用子空间迭代法可以求得钻杆扭转在保证模型与工程实际接近的基础上，为简化计振动的各阶固有频率及振型。选用的单元类型为算，假设：PIPE16与mass21，定义节点时，每根钻杆接箍处作(1)钻杆为均质弹性直杆，忽略接箍的影响；为一个节点，将岩芯管简化成一个集中质量，共定义(2)井眼轴线与钻杆轴线重合，忽略钻杆的弯曲了n+1个扭转自由度，其中n为钻杆的根数，另变形和与井壁的摩擦作用；一个自由度在集中质量上。由于通过密度方式来体现(3)钻杆顶部自由转动，底部岩芯管简化为一质钻杆的均布质量，模型符合实际，计算精度高。部分量体。计算程序为：2．2模型的建立与求解／prep7ET，1，pipel61定义单元类型武汉中国地质大学与中铁一院兰州勘察设计院合作科研项目(066056)：铁路勘察钻杆的磨损与折断研究。ET，2，mass211定义单元类型王红波，男，博士研究生。R，1，0．050，0．0111定义实常数王红波等：XY一44钻机钻杆扭转振动分析·117·R，2⋯，，，33．41321定义实常数式(1)中，得到不同钻杆长不同阶数的I临界转速如MP，EX，1，2．15El11定义泊松比与杨氏模量表3。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯表3发生共振临界转速表(r·min)本文选择了五种不同的钻具组合进行频率计算。钻杆根数依次为20、30、40、50和60，每根长9m。编程后代入ANSYS软件中计算，将五种组合求出的结果进行整理，结果见表2。表2钻杆柱振动频率表根数阶数2o30405060一阶o．437248234o．356320373o．307986363o．274940467o．250502584二阶9J046226716．034460034．530240143．628085813．02676826三阶l8．116186ll2．05349449．035567897．227913186．02382625四阶27．3o4924418．112613413．561858410．84188799．03200938五阶36．663623524．2231403l8．110826514．4682I29112．0481492六阶46．248106430．400722522．688421518．109755415．0732531将表3与表1对比，在钻进过程中，根据不同的七阶56．114742736．661828727．301335021．7694o