中國石油鉆機發(fā)展現(xiàn)狀分析-資料下載頁
2025-06-29 00:06本頁面
【正文】 了較為科學的方 法?！ ?．石油井架的非線性分析 該方法通過模型井架垂直靜載試驗，測得應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發(fā)的計算機程序可用于井架的非線性靜力、動力分析?！ ≡撗芯宽椖?995年10月通過了原中國石油天然氣總公司科技局組織的評審驗收，與會專家認為，石油井架現(xiàn)代設計方法的研究成果具有創(chuàng)新性，具有工程實用價值，可為我國石油機械科研、設計、制造單位鉆機、修井機的井架設計提供科學的現(xiàn)代設計方法。 石油鉆機在鉆井過程中的振動在有些情況下非常強烈，這不僅影響鉆井速度，縮短鉆機使用壽命，而且對操作人員的身心健康也會產(chǎn)生有害影響。因此，研究鉆機 結構動態(tài)特性及其在鉆井過程中的動力反應，對鉆機的結構設計、參數(shù)設計、生產(chǎn)使用及鉆機減振改造是十分必要的。為此，大慶石油學院與大慶鉆井三公司共同開 展了對在用ZJ15型鉆機的動態(tài)特性及其在鉆井過程中的動力反應進行了試驗研究，以期了解ZJ15型鉆機的動態(tài)特性，在鉆井過程中能否全開4擋，現(xiàn)有 鉆機動力傳動系統(tǒng)配置是否合理，對現(xiàn)有鉆機如何進行減小振動改造等問題。他們首先采用模態(tài)分析技術來對鉆機的振動模態(tài)進行試驗分析?！ ∈豌@機是一個結構非常復雜的系統(tǒng)，自由度無窮多，為了便于研究，必須對復雜的鉆機系統(tǒng)進行合理的簡化。在鉆機的各系統(tǒng)中只有循環(huán)系統(tǒng)和動力設備與鉆 機主體是軟連接，其余的系統(tǒng)和部件則是剛性連接并組成鉆機的主體。如起升系統(tǒng)的絞車和旋轉系統(tǒng)的轉盤都安裝在底座支撐的鉆臺上；起升系統(tǒng)的天車、游車、大 鉤、鋼絲繩以及旋轉系統(tǒng)的水龍頭、鉆具的重量都由井架來承擔，井架通過其大腿牢固支撐在底座的兩個下船上；起升和旋轉的動力設備與傳動設備都安裝在鉆機底 座的傳動底座部件上；一些輔助設備也都安裝在底座支撐的臺面上?？梢娿@機主體部分構成了以底座為支撐的剛性整性，那么這些設備和部件的質量都可以轉化到鉆 機底座上。因此，研究石油鉆機的振動特性就可以轉化為研究鉆機底座的等效振動問題，為了研究方便，把鉆機底座看成是一個結構比較復雜的咒自由度定常線性系 統(tǒng)。鉆機底座對給予的任一激勵所作出的響應能包含鉆機振動特性的全部信息，可以用來描述系統(tǒng)的動態(tài)特性。 模態(tài)分析技術是用于對機械等工程結構系統(tǒng)進行動力學分析的現(xiàn)代化方法和手段，模態(tài)分析可定義為對結構動態(tài)特性的解析分析和試驗分析，其結構動態(tài)特性用模 態(tài)參數(shù)來表征。在解析分析中，模態(tài)參數(shù)是力學系統(tǒng)運動微分方程的特征值和特征向量；在試驗分析中，模態(tài)參數(shù)是試驗測得系統(tǒng)的固有頻率、阻尼和振型。對于已 經(jīng)簡化的石油鉆機系統(tǒng)，由于應用解析法進行模態(tài)分析也是異常困難的，而且很難得出準確結果。因此，通過試驗并采用單點激振頻響函數(shù)法依據(jù)單點激振，各響應 點拾振的頻率響應函數(shù)來提取模態(tài)參數(shù)和對鉆機進行模態(tài)分析是一種有效方法?！ °@機振動模態(tài)測試系統(tǒng)由激振力錘、拾振器、信號放大器、低通濾波器以及信號采集計算機組成。信號傳遞路線見圖1一l。圖11 底座振動模態(tài)測試系統(tǒng)組成 根據(jù)分析，石油鉆機的振動特性可以轉化為研究鉆機底座的等效振動問題，那么振動測試點都可以布置在鉆機底座上。鉆機底座也是一個合結構，它由左、右上 船、傳動底座、左、右下船、絞車轉盤座及4個支架等幾大部件組成。各部分之間用螺栓及銷子牢固連接。底座簡化模型見圖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個測點。1997年9月，采用單點激振多點拾振的方式，對ZJ—15型鉆機進行了振動模態(tài)測試，激振點取在底座過橋軸附近，拾 振點取在如圖1—2所示位置。采集到的信號直接存入計算機硬盤?！?用DASP大容量數(shù)據(jù)自動采集和處理系統(tǒng)，對現(xiàn)場測試的鉆機振動模態(tài)數(shù)據(jù)進行傳遞函數(shù)分析和互功率譜密度分析后表明，鉆機底座的鉆臺面結構整體性能較好，底座后部的左右上船與傳動底座之間，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?！ y試數(shù)據(jù)采用復模態(tài)多自由度模型進行曲線擬合，擬合后的頻率響應特性與傳遞函數(shù)特性基本一致，說明對測試數(shù)據(jù)用復模態(tài)多自由度模型進行模態(tài)分析是合理的。 為了避免丟失模態(tài)，采用復模態(tài)多自由度摸型對所有測點的傳遞函數(shù)進行集總平均，得到平均后的頻譜圖，見圖1—3。頻譜圖上每一個峰值代表一個振動模 態(tài)。在截止頻率為146拖的頻率范圍內取出18個峰值，因此，確定該鉆機的模態(tài)階數(shù)為18，即在該截止頻率范8內可觀測到18階模態(tài)。各階模態(tài)的固有頻率 和阻尼比見表1一lO。圖13 模態(tài)階數(shù)確定 鉆機在鉆井過程中使用的擋位主要是3擋和4擋，現(xiàn)用鉆機對應這兩個擋位的動力設備及傳動系統(tǒng)的運轉頻率見表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 鉆機動力設備及傳動系統(tǒng)的轉動頻率設備名稱 柴油機 電動機 變速箱輸入軸 變速箱輸出軸 滾筒軸 貓頭軸 轉盤 3擋(Hz) 4擋(Hz) 根據(jù)鉆機上配置設備的工作轉速范圍進行分析得出，可能引起鉆機強烈振動的頻率區(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，這說明 該鉆機在鉆井過程中使用4擋可能發(fā)生共振。，如果上下15％的范圍為共振區(qū)，則共振區(qū)頻率范圍為 ～。，該值落在了第2階模態(tài)和第3階模態(tài)的共振區(qū)中，如果柴油機安裝在底座上，也可能引起 共振。因此，鉆機上的動力配置，傳動裝置的運轉速度應該避開上述頻率范圍。如果不能避開，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振 動特性影響很大，操作工人應將底座的各部件牢筒連接。13 / 13
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