【正文】 學(xué)(華東)于20世紀(jì)90年代初聯(lián)合對(duì)石油井架現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，并在石油井架的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法、可靠性設(shè)計(jì)法及非線性分析三個(gè)方面取得了重要成果。 　　1．石油井架的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法 　　以模型井架為橋梁，并采用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析和有限元分析相結(jié)合的石油井架動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)原理和方法，適用于石油鉆機(jī)各種結(jié)構(gòu)型式的井架，對(duì)K型井架具有工程實(shí)用價(jià)值。 　　該方法提出的前開(kāi)口井架最佳動(dòng)力計(jì)算模型(三維立體梁一杵混合元模型)，不僅適用于JJ250／42K型井架，而且還可應(yīng)用于各種鉤載級(jí)別的鉆機(jī)、修井機(jī)的前開(kāi)口井架。 　　該方法得出的JJ250／42K型國(guó)產(chǎn)前開(kāi)口井架動(dòng)態(tài)優(yōu)化具體結(jié)構(gòu)修改方案和修改構(gòu)件的尺寸規(guī)格，可提高其動(dòng)態(tài)性能。 　　2．石油井架的可靠性設(shè)計(jì)法 　　該方法得出的ZJ32鉆機(jī)最大工作載荷概率分布及統(tǒng)計(jì)參數(shù)，可用于ZJ32鉆機(jī)井架的可靠性設(shè)計(jì)，其分析方法適用于各鉤載級(jí)別的鉆機(jī)井架。另外，該方法提出的井架構(gòu)件截面可靠性設(shè)計(jì)與分析模式及井架構(gòu)件抗力的分析規(guī)律和統(tǒng)計(jì)參數(shù)以及開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)軟件，為井架構(gòu)件截面可靠性分析與設(shè)計(jì)提供了較為科學(xué)的方法。 　　3．石油井架的非線性分析 　　該方法通過(guò)模型井架垂直靜載試驗(yàn)，測(cè)得應(yīng)力和位移隨載荷呈非線性變化。井架的非線性分析方法和開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)程序可用于井架的非線性靜力、動(dòng)力分析。 　　該研究項(xiàng)目1995年10月通過(guò)了原中國(guó)石油天然氣總公司科技局組織的評(píng)審驗(yàn)收，與會(huì)專(zhuān)家認(rèn)為，石油井架現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的研究成果具有創(chuàng)新性，具有工程實(shí)用價(jià)值，可為我國(guó)石油機(jī)械科研、設(shè)計(jì)、制造單位鉆機(jī)、修井機(jī)的井架設(shè)計(jì)提供科學(xué)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。 　石油鉆機(jī)在鉆井過(guò)程中的振動(dòng)在有些情況下非常強(qiáng)烈，這不僅影響鉆井速度，縮短鉆機(jī)使用壽命，而且對(duì)操作人員的身心健康也會(huì)產(chǎn)生有害影響。因此，研究鉆機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性及其在鉆井過(guò)程中的動(dòng)力反應(yīng)，對(duì)鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)使用及鉆機(jī)減振改造是十分必要的。為此，大慶石油學(xué)院與大慶鉆井三公司共同開(kāi)展了對(duì)在用ZJ15型鉆機(jī)的動(dòng)態(tài)特性及其在鉆井過(guò)程中的動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以期了解ZJ15型鉆機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，在鉆井過(guò)程中能否全開(kāi)4擋，現(xiàn)有鉆機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)配置是否合理，對(duì)現(xiàn)有鉆機(jī)如何進(jìn)行減小振動(dòng)改造等問(wèn)題。他們首先采用模態(tài)分析技術(shù)來(lái)對(duì)鉆機(jī)的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)分析。 　　石油鉆機(jī)是一個(gè)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，自由度無(wú)窮多，為了便于研究，必須對(duì)復(fù)雜的鉆機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。在鉆機(jī)的各系統(tǒng)中只有循環(huán)系統(tǒng)和動(dòng)力設(shè)備與鉆機(jī)主體是軟連接，其余的系統(tǒng)和部件則是剛性連接并組成鉆機(jī)的主體。如起升系統(tǒng)的絞車(chē)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤(pán)都安裝在底座支撐的鉆臺(tái)上；起升系統(tǒng)的天車(chē)、游車(chē)、大鉤、鋼絲繩以及旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的水龍頭、鉆具的重量都由井架來(lái)承擔(dān)，井架通過(guò)其大腿牢固支撐在底座的兩個(gè)下船上；起升和旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力設(shè)備與傳動(dòng)設(shè)備都安裝在鉆機(jī)底座的傳動(dòng)底座部件上；一些輔助設(shè)備也都安裝在底座支撐的臺(tái)面上?？梢?jiàn)鉆機(jī)主體部分構(gòu)成了以底座為支撐的剛性整性，那么這些設(shè)備和部件的質(zhì)量都可以轉(zhuǎn)化到鉆機(jī)底座上。因此，研究石油鉆機(jī)的振動(dòng)特性就可以轉(zhuǎn)化為研究鉆機(jī)底座的等效振動(dòng)問(wèn)題，為了研究方便，把鉆機(jī)底座看成是一個(gè)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的咒自由度定常線性系統(tǒng)。鉆機(jī)底座對(duì)給予的任一激勵(lì)所作出的響應(yīng)能包含鉆機(jī)振動(dòng)特性的全部信息，可以用來(lái)描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 　　模態(tài)分析技術(shù)是用于對(duì)機(jī)械等工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的現(xiàn)代化方法和手段，模態(tài)分析可定義為對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的解析分析和試驗(yàn)分析，其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性用模態(tài)參數(shù)來(lái)表征。在解析分析中，模態(tài)參數(shù)是力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程的特征值和特征向量；在試驗(yàn)分析中，模態(tài)參數(shù)是試驗(yàn)測(cè)得系統(tǒng)的固有頻率、阻尼和振型。對(duì)于已經(jīng)簡(jiǎn)化的石油鉆機(jī)系統(tǒng)，由于應(yīng)用解析法進(jìn)行模態(tài)分析也是異常困難的，而且很難得出準(zhǔn)確結(jié)果。因此，通過(guò)試驗(yàn)并采用單點(diǎn)激振頻響函數(shù)法依據(jù)單點(diǎn)激振，各響應(yīng)點(diǎn)拾振的頻率響應(yīng)函數(shù)來(lái)提取模態(tài)參數(shù)和對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析是一種有效方法。 　　鉆機(jī)振動(dòng)模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)由激振力錘、拾振器、信號(hào)放大器、低通濾波器以及信號(hào)采集計(jì)算機(jī)組成。信號(hào)傳遞路線見(jiàn)圖1一l。 圖11 底座振動(dòng)模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)組成 　　根據(jù)分析，石油鉆機(jī)的振動(dòng)特性可以轉(zhuǎn)化為研究鉆機(jī)底座的等效振動(dòng)問(wèn)題，那么振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)都可以布置在鉆機(jī)底座上。鉆機(jī)底座也是一個(gè)合結(jié)構(gòu)，它由左、右上船、傳動(dòng)底座、左、右下船、絞車(chē)轉(zhuǎn)盤(pán)座及4個(gè)支架等幾大部件組成。各部分之間用螺栓及銷(xiāo)子牢固連接。底座簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖1—2。為了全面收集各部件上的信息，底座部件上共布置了24個(gè)測(cè)點(diǎn)。1997年9月，采用單點(diǎn)激振多點(diǎn)拾振的方式，對(duì)ZJ—15型鉆機(jī)進(jìn)行了振動(dòng)模態(tài)測(cè)試，激振點(diǎn)取在底座過(guò)橋軸附近，拾振點(diǎn)取在如圖1—2所示位置。采集到的信號(hào)直接存入計(jì)算機(jī)硬盤(pán)。 　 用DASP大容量數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和處理系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的鉆機(jī)振動(dòng)模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞函數(shù)分析和互功率譜密度分析后表明，鉆機(jī)底座的鉆臺(tái)面結(jié)構(gòu)整體性能較好，底座后部的左右上船與傳動(dòng)底座之間，底座前部與后部之間整體性能較差，這主要是底座前后兩部分剛度不同造成。 　　對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)采用復(fù)模態(tài)多自由度模型進(jìn)行曲線擬合，擬合后的頻率響應(yīng)特性與傳遞函數(shù)特性基本一致，說(shuō)明對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)用復(fù)模態(tài)多自由度模型進(jìn)行模態(tài)分析是合理的。 　　為了避免丟失模態(tài)，采用復(fù)模態(tài)多自由度摸型對(duì)所有測(cè)點(diǎn)的傳遞函數(shù)進(jìn)行集總平均，得到平均后的頻譜圖，見(jiàn)圖1—3。頻譜圖上每一個(gè)峰值代表一個(gè)振動(dòng)模態(tài)。在截止頻率為146拖的頻率范圍內(nèi)取出18個(gè)峰值，因此，確定該鉆機(jī)的模態(tài)階數(shù)為18，即在該截止頻率范8內(nèi)可觀測(cè)到18階模態(tài)。各階模態(tài)的固有頻率和阻尼比見(jiàn)表1一lO。 　 圖13 模態(tài)階數(shù)確定 　　鉆機(jī)在鉆井過(guò)程中使用的擋位主要是3擋和4擋，現(xiàn)用鉆機(jī)對(duì)應(yīng)這兩個(gè)擋位的動(dòng)力設(shè)備及傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率見(jiàn)表1—11，這可能是引起系統(tǒng)共振的振源。 表110 各階模態(tài)的固有頻率和阻尼比 模態(tài)階數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 頻率，Hz 阻尼比，% O．4456 O．0623 模態(tài)階數(shù) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 頻率，Hz t9l。434 阻尼比，% O．000l O．2024 表111 鉆機(jī)動(dòng)力設(shè)備及傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率 設(shè)備名稱 柴油機(jī) 電動(dòng)機(jī) 變速箱輸入軸 變速箱輸出軸 滾筒軸 貓頭軸 轉(zhuǎn)盤(pán) 3擋(Hz) 4擋(Hz) 根據(jù)鉆機(jī)上配置設(shè)備的工作轉(zhuǎn)速范圍進(jìn)行分析得出，可能引起鉆機(jī)強(qiáng)烈振動(dòng)的頻率區(qū)間是低階模態(tài)區(qū)間，即主要是前3階模態(tài)。第1階模態(tài)的固有頻率為6．274Hz，如果上下15％的范圍為共振區(qū)，～。，如果上下15％的范圍為共振區(qū)，～；由此可見(jiàn)，這說(shuō)明該鉆機(jī)在鉆井過(guò)程中使用4擋可能發(fā)生共振。，如果上下15％的范圍為共振區(qū)，～。，該值落在了第2階模態(tài)和第3階模態(tài)的共振區(qū)中，如果柴油機(jī)安裝在底座上，也可能引起共振。因此，鉆機(jī)上的動(dòng)力配置，傳動(dòng)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)速度應(yīng)該避開(kāi)上述頻率范圍。如果不能避開(kāi)，則需采取減振措施，以防發(fā)生共振。另外，底座的安裝連接剛度對(duì)振動(dòng)特性影響很大，操作工人應(yīng)將底座的各部件牢筒連接。 從上述的測(cè)試和分析結(jié)果來(lái)看：把模態(tài)分析技術(shù)應(yīng)用于鉆機(jī)的動(dòng)態(tài)研究是可行的，用復(fù)模態(tài)多自由度模型對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析是合理的。鉆機(jī)(低座)的分體制造與現(xiàn)有連接方式降低了鉆機(jī)(低座)的整體剛度，操作人員在安裝時(shí)應(yīng)將各連接部位安裝牢固。ZJ一15型鉆機(jī)的前3階模態(tài)可能會(huì)與鉆機(jī)動(dòng)力設(shè)備或傳動(dòng)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生聯(lián)系，是發(fā)生共振的危險(xiǎn)區(qū)間，應(yīng)盡量避開(kāi)。 　 作者：佚名石油技術(shù)園地石油專(zhuān)家 15 / 15