徐俊,汪發(fā)文,張思敏,王振華,周永偉

(湖北省城市地質(zhì)工程院,武漢 430050)

0 引言

高海拔、強切割山區(qū)及不具備路網(wǎng)條件的難進入?yún)^(qū)域覆蓋了我國西北、東北、西南大面積陸域,針對特殊的海拔、地理、交通、生態(tài)等自然條件,常規(guī)鉆探裝備(塔、機、泵、具)的搬、運、拆、裝、用均異常艱難。因此,發(fā)展面向復(fù)雜地層的輕量化、模塊化的小型鉆探裝備及其相關(guān)的性能研究迫在眉睫。

關(guān)于小型智能特種工程勘察平臺研究的主要方向集中于小型化、模塊化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等方面。在此基礎(chǔ)上,平臺運行穩(wěn)定性作為機構(gòu)運行的基礎(chǔ),其相關(guān)研究也不可忽視。由于鉆探過程中平臺承受著高頻沖擊載荷,會導(dǎo)致部件裝配松動、失效等問題,當平臺在非振型波節(jié)處受到與特征頻率相同的持續(xù)外界激勵時會產(chǎn)生劇烈共振,從而造成工程事故。因此,需對可能影響平臺穩(wěn)定性的動力學(xué)性能進行分析與優(yōu)化。

目前有諸多關(guān)于類似工程設(shè)備或器械動力學(xué)性能的研究。趙東等[1-2]采用有限元仿真軟件等效建立了海洋平臺的局部模型,并進行了振動模態(tài)分析;黃蓮英[3]采用SACS程序?qū)ζ胶蜌馓锲脚_天然氣壓縮機進行了動力學(xué)分析與優(yōu)化,減小了甲板振動;申仲翰等[4]對潿11-4平臺結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)進行了分析;歐進萍等[5-6]對海洋平臺的結(jié)構(gòu)阻尼隔振體系及主動控制試驗進行了研究;陸建輝等[7-8]針對海洋石油平臺的振動控制進行了研究,并就調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)對樁基結(jié)構(gòu)海洋平臺的減振效果進行了研究與優(yōu)化。除上述關(guān)于平臺的減振技術(shù)研究外,學(xué)者們也對鉆機的減振技術(shù)進行了研究。仇文寧[9]基于SOULTI小波技術(shù)對旋挖鉆機潛孔錘鉆柱的振動與減振器技術(shù)進行了研究;陳以田[10]研究了旋挖鉆機鉆桿的非線性問題,并設(shè)計優(yōu)化了相應(yīng)的非線性吸振器;徐信芯等[11]對旋挖鉆機鉆桿的振動進行仿真分析,并研究了鉆桿減振器的減振效果。

綜上,目前關(guān)于海洋平臺與鉆機鉆桿相關(guān)的減振技術(shù)研究較多,但鮮有對小型智能特種工程勘察平臺的動力學(xué)性能的研究?；诖?本文給出了一種小型智能特種工程勘察平臺方案,并針對方案進行了模型等效與簡化,隨后采用有限元計算方法,對平臺的隔振性能進行了計算分析,為平臺的可靠性設(shè)計提供基礎(chǔ)。

1 平臺設(shè)計與分析

小型智能特種工程勘察平臺整體采用小型化、模塊化設(shè)計,主要分為履帶行走模塊、動力單元總成(兩臺)、燃油箱總成、液壓油箱總成、泥漿泵總成、打撈絞車總成、主閥箱、履帶行走操作臺、主操作臺、電瓶盒、桅桿總成、動力頭總成、背鉗等模塊。各模塊既能夠安裝在履帶底盤上,在履帶難以進入的復(fù)雜地區(qū),又能夠從履帶底盤上進行拆分,單獨運輸并最終在孔位點用枕木、鋪板建立基臺,組裝使用?？傮w布局如圖1所示。

由圖1可知,智能特種工程勘察平臺按功能可劃分為履帶底盤運行機構(gòu),固定于履帶底盤上的支撐平臺,以及附著于平臺上的各工作部件。對處于鉆井作業(yè)中的平臺而言,支撐平臺因鉆桿沖擊所產(chǎn)生的振動會對附著于其上的其他部件產(chǎn)生影響。平臺如圖2所示。

圖2 支撐平臺示意圖Fig.2 Schematic diagram of support platform

圖2中的鉆桿沖擊底座為鉆機主體所安裝的底座。在正常作業(yè)時,鉆桿處于豎直狀態(tài),此時鉆機質(zhì)量集中于右側(cè)兩個底座上,左側(cè)底座用于穩(wěn)定鉆桿的豎直狀態(tài),因此,沖擊載荷主要作用于右側(cè)底座上,左側(cè)底座為次要載荷。

對于支撐平臺,通過網(wǎng)格劃分技術(shù)將其劃分為N自由度系統(tǒng),則其動力學(xué)方程為

(1)

式中:M、C、K分別為平臺劃分的有限自由度系統(tǒng)的總體質(zhì)量、阻尼及剛度矩陣;x為各單元的位移方程矩陣;F為系統(tǒng)所受外力的矩陣。在鉆探過程中,F中元素為沖擊載荷,其形式為單位脈沖函數(shù),即:

(2)

對于穩(wěn)態(tài)情況,結(jié)合式(1)與式(2),可得平臺系統(tǒng)的動力學(xué)方程的解為

(3)

式中:{m}為受力單元所組成矩陣的傅里葉變換,由于沖擊函數(shù)的傅里葉變換為常數(shù)1,因此每個單元所受力的頻譜為常數(shù)m,m與沖擊力幅值相關(guān)。

通過式3與有限元方法,可計算得到平臺的受迫振動結(jié)果,從而對平臺的NVH(分別指Noise、Vibration、Harshness)優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)。

2 平臺仿真模型等效處理

在對平臺進行振動仿真之前需要對平臺結(jié)構(gòu)部件進行等效處理,從而在保障計算精度的同時,大幅減少有限元網(wǎng)格,節(jié)約算力。對于支撐平臺,其與另外兩部分部件的接觸關(guān)系構(gòu)成了計算過程中的邊界條件,如圖3所示。

1.履帶操作臺;2.燃油箱總成;3.柴油動力總成1;4. 柴油動力總成2;5. 液壓油箱總成;6. 主閥箱;7.主操作臺;8.泥漿泵;9.打撈絞車;10.鉆機主體圖3 支撐平臺邊界示意圖Fig.3 Schematic diagram of support platform boundary

分析圖3可知,對平臺進行仿真計算時,將主操作臺、打撈絞車以及鉆機主體3個具備安裝底座的部件,以附加質(zhì)量的形式分別添加到底座d,c,b上。由于工作時鉆桿為豎直狀態(tài),主要質(zhì)量附加于底座b上,因此為簡化計算,將其質(zhì)量添加到底座b表面上而不包含底座a。

對于直接安裝在平臺上的燃油箱總成、柴油動力總成、液壓油箱總成、主閥箱和泥漿泵部件,為方便計算,將其總質(zhì)量等效為與平臺同材質(zhì)的質(zhì)量塊,并按照實際的安裝連接和接觸方式與平臺形成聯(lián)合體。

正常作業(yè)工況下,鉆機載荷以沖擊載荷的形式作用于平臺上。因此可將脈沖激勵以邊界載荷的形式施加與底座a與b的上表面上。在此工況下,沖擊垂直作用于底座b上,而底座a主要起到維持鉆桿豎直的作用,因此相較于作用于底座b上的載荷,作用于a上的力同相位,幅值為固定比例α,此處α取0.8。

由于主體支撐平臺在作業(yè)時由底部的方形鋼管作固定約束,因此在圖3所示的固定支撐管所接觸的平臺表面上施加固定約束。固定約束邊界條件下,邊界物理量滿足下式要求:

(4)

式中:r為坐標向量,rb為邊界上點所對應(yīng)的坐標向量。至此,可得到簡化后的等效平臺模型。

3 平臺隔振分析結(jié)果

對于等效與簡化后的平臺模型,經(jīng)過三維建模、網(wǎng)格劃分后,輸入到有限元計算軟件,計算得到平臺在5～1500 Hz的諧響應(yīng)結(jié)果。其中對于部分頻率處的振型如圖4所示。

圖4 部分頻率處振型圖Fig.4 Vibration mode diagram at some frequencies

對于附近不存在模態(tài)的,或者激勵點位于駐波振型波節(jié)上的頻率,所激起的振動幅值較小,選取作為展示的頻率均為振型幅值較大的頻率點。

在正常作業(yè)工況下,鉆桿所產(chǎn)生的振動主要通過底座a與b傳遞至平臺。通過在底座a、b與鉆機主體之間添加橡膠材料可實現(xiàn)隔振效果,從而使鉆桿傳遞到平臺上的振動在各頻率處的加速度幅值得到顯著降低,最終改善整個平臺在底座a、b上激勵的全局受迫振動的響應(yīng)水平。橡膠材料長寬尺寸與底座尺寸一致,厚度為10 mm,材料的楊氏模量為E=7.84 MPa,泊松比μ=0.47。

一般情況下,使用振動傳遞率作為隔振效果的衡量指標,隔振率為主動端振動幅值大小與被動端振動幅值大小的比值。本文中用作計算的振動大小分別為:主動端為橡膠材料表面中心點處的加速度值au,被動端則為橡膠材料與底座a或b交界面中心點處的振動加速度值ab。具體計算公式為

(5)

通過計算,得到4個底座共8個點處的加速度曲線如圖5所示。

圖5 底座a,b主被動端中心點加速度曲線Fig.5 Acceleration curve of the center point between the active and passive ends of base a and b

由圖5可知,在添加橡膠對鉆機主體進行隔振后,底座a處主被動端的加速度基本一致,對振動不會起到隔振或放大的作用;而對底座b而言,主被動端的振動加速度值差異較大,能從圖中明顯看到隔振效果。為量化具體隔振率,通過式(5)得到底座b處安裝橡膠后的隔振率曲線如圖6所示。

圖6 底座b隔振率曲線Fig.6 Base b isolation rate curve

一般情況下,當傳遞率Tab>20時,效果滿足隔振要求,此時的被動側(cè)加速度降低到了主動側(cè)10%以內(nèi)。由圖6可知,底座b(上)在絕大多數(shù)頻率點處的隔振率滿足要求,但在部分頻率點處的隔振傳遞率Tab<20,尤其是在140 Hz以上時,部分頻率點存在振動放大的現(xiàn)象。其原因在于,當頻率f>100 Hz 時,主被動端的振動加速度值均較小,因此即使被動端加速度值很小,也會因為主動端加速度值較小而出現(xiàn)Tab值較小或者為負的情況。對于頻率f<100 Hz的情況,隔振率Tab的具體值如表1所示。

表1 f<100 Hz時底座b (上) 橡膠隔振性能

4 結(jié)語

為實現(xiàn)小型智能特種工程勘察平臺的作業(yè)需求,本文給出了平臺的全新整體設(shè)計方案。基于此方案,對主體支承平臺在鉆探工況下的振動響應(yīng)進行了分析與仿真計算模型的等效處理,研究了在鉆機主體與平臺連接安裝底座上附加隔振橡膠后的隔振性能。

計算結(jié)果表明,在安裝隔振橡膠后,鉆機主體對平臺沖擊振動的影響得到了顯著的降低,其中負責(zé)支撐的底座處安裝的隔振橡膠不具備隔振效果,而負責(zé)承載的底座處則具備良好的效果,尤其是在沖擊幅值較大的f<100 Hz頻段內(nèi)效果最佳。