钻机底座振动研究及动态设计
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摘要
在我国，钻机底座的设计实际上是以静力强度加经验为主要设计依据，较少或根本没有考虑结构的动态特性，致使某些钻机底座在实际工作过程中，其固有振动频率与钻井设备的工作频率重合或接近，导致这些钻机底座出现较强烈的振动，使钻机底座的工作状况和受力更加恶劣、复杂，降低了钻机底座的使用寿命，同时也增加了工作过程中的危险性。所以改进钻机底座的设计或对现役钻机底座进行动力修改以改善其动态特性，很有必要。
但是，不同类型钻机的底座具有不同的结构形式，即使是同一类型的钻机，其底座结构也会不同。要想了解各种钻机底座的动态特性并加以利用，势必要进行大量的试验，但由于现场工作环境及生产要求的限制，进行多次试验存在很大困难，再加上恶劣环境对测试工作的影响，所得结果的精度和可靠程度也会降低，采用模型在室内进行模拟试验则可避开这些不利因素。
在试验设计部分中，通过对底座的结构和振动情况进行分析，根据目前的振动情况和现有的试验设备确定了底座振动测试的试验方案。该试验根据激振力的施加方向分三组进行，分别为水平横向、水平纵向和垂直方向的振动，并在模型上布置了相应的测点。
底座测试分析以DASLab软件为分析平台，开发46通道实时并行大容量动态信号采集分析系统，通过传递函数分析、模态分析及功率谱图分析，得到底座的一些模态方面的数据，这些数据为以后有限元的分析提供了重要的依据；底座振动分析主要在开发Algor FEAS软件的基础上，以空间梁单元作为有限元计算的基本单元，通过使底座空间结构数值化，建立底座计算机数值模型，分析得到其模态参数。
在上述工作的基础上，本文通过对底座(ZJ-15)进行测试分析和有限元分析相结合，得到底座的振动特性，对于有限元模型，采用局部修正理论来进行修正，使之逼近于底座的真实结构，然后通过计算机载荷模拟试验来求得其振动情况，并进行动态设计。在进行动态设计时，根据影响底座振动的几种情况，在有限元模型上进行修改试验，对得到的新振型进行分析，从而了解底座的振动变化情况，得出对底座设计有意义的结论。
In our country, rig substructure is designed mostly on the basis of its static strength and designer's experience, and its dynamic characteristic is usually taken no account. As a result, the rig substructure vibrates violently when its nature frequencies close or equal to the working frequencies of the drilling equipment, which deteriorates the substructure's working status, shortens its lifetime and makes the working process dangerous. Thus, it's necessary to improve the design of rig substructure or better the dynamic characteristic of substructure that is being used by dynamic modification.
But, different kind of rigs have different substructure styles, and the rigs of same kind have different substructure frameworks, too. A lot of tests are required if the dynamic characteristic of the substructure is to be known and used. But it's very difficult to proceed lots of tests because of the restriction of field environment, and the influence of atrocious environment on testing can depress the precision and reliability of results. The disadvantageous factors mentioned above can be avoided by simulation tests in lab on model.
In the experimentation, through analyzing the frame and vibration of substructure, the author ascertain the experiment project of the substructure vibration test which dependents on vibration status at present and trial equipment in existence, the experiment is divided into three groups according as the stimulation's direction, which are cross direction horizontally, longitudinal direction horizontally and direction perpendicularly, and dispose stimulation drop on the mode.
Based on the DASLab analysis platform, mass parallel real-time Acquisition Analysis System having 46 channels was developed for dynamic signal, according to analyzing transfer function analysis, modal analysis, power spectrum analysis, we can get some data about mode, which was important evidence to afterward FEA analysis. In the vibration analysis for substructure, firstly AlgorFEAS was developed. After it, by adopting the three-dimensional beam element as the basis element for FEA analysis of substructure structure, the author established the computer numerical model to analyze the mechanical parameters about model. In the measure analysis for substructure.
Based the foregoing work, combining measure and FEAS analysis for substructure, this thesis get the characteristic vibration. For the FEAS, the author presented an theory of matrix spectrograph to modify the model of FEA, so as to the real structure of substructure in use, and then through computer loading simulation test to get the vibratility, and carry through the dynamic design. When the design carried through, according to some things that affect rig substructure's vibration, The author tries out modification test to the FEA model, and analyzes the new dynamic figure, so we can know the change thing of rig substructure and get the significative conclusion to the substructure.
但是，不同类型钻机的底座具有不同的结构形式，即使是同一类型的钻机，其底座结构也会不同。要想了解各种钻机底座的动态特性并加以利用，势必要进行大量的试验，但由于现场工作环境及生产要求的限制，进行多次试验存在很大困难，再加上恶劣环境对测试工作的影响，所得结果的精度和可靠程度也会降低，采用模型在室内进行模拟试验则可避开这些不利因素。
在试验设计部分中，通过对底座的结构和振动情况进行分析，根据目前的振动情况和现有的试验设备确定了底座振动测试的试验方案。该试验根据激振力的施加方向分三组进行，分别为水平横向、水平纵向和垂直方向的振动，并在模型上布置了相应的测点。
底座测试分析以DASLab软件为分析平台，开发46通道实时并行大容量动态信号采集分析系统，通过传递函数分析、模态分析及功率谱图分析，得到底座的一些模态方面的数据，这些数据为以后有限元的分析提供了重要的依据；底座振动分析主要在开发Algor FEAS软件的基础上，以空间梁单元作为有限元计算的基本单元，通过使底座空间结构数值化，建立底座计算机数值模型，分析得到其模态参数。
在上述工作的基础上，本文通过对底座(ZJ-15)进行测试分析和有限元分析相结合，得到底座的振动特性，对于有限元模型，采用局部修正理论来进行修正，使之逼近于底座的真实结构，然后通过计算机载荷模拟试验来求得其振动情况，并进行动态设计。在进行动态设计时，根据影响底座振动的几种情况，在有限元模型上进行修改试验，对得到的新振型进行分析，从而了解底座的振动变化情况，得出对底座设计有意义的结论。
In our country, rig substructure is designed mostly on the basis of its static strength and designer's experience, and its dynamic characteristic is usually taken no account. As a result, the rig substructure vibrates violently when its nature frequencies close or equal to the working frequencies of the drilling equipment, which deteriorates the substructure's working status, shortens its lifetime and makes the working process dangerous. Thus, it's necessary to improve the design of rig substructure or better the dynamic characteristic of substructure that is being used by dynamic modification.
But, different kind of rigs have different substructure styles, and the rigs of same kind have different substructure frameworks, too. A lot of tests are required if the dynamic characteristic of the substructure is to be known and used. But it's very difficult to proceed lots of tests because of the restriction of field environment, and the influence of atrocious environment on testing can depress the precision and reliability of results. The disadvantageous factors mentioned above can be avoided by simulation tests in lab on model.
In the experimentation, through analyzing the frame and vibration of substructure, the author ascertain the experiment project of the substructure vibration test which dependents on vibration status at present and trial equipment in existence, the experiment is divided into three groups according as the stimulation's direction, which are cross direction horizontally, longitudinal direction horizontally and direction perpendicularly, and dispose stimulation drop on the mode.
Based on the DASLab analysis platform, mass parallel real-time Acquisition Analysis System having 46 channels was developed for dynamic signal, according to analyzing transfer function analysis, modal analysis, power spectrum analysis, we can get some data about mode, which was important evidence to afterward FEA analysis. In the vibration analysis for substructure, firstly AlgorFEAS was developed. After it, by adopting the three-dimensional beam element as the basis element for FEA analysis of substructure structure, the author established the computer numerical model to analyze the mechanical parameters about model. In the measure analysis for substructure.
Based the foregoing work, combining measure and FEAS analysis for substructure, this thesis get the characteristic vibration. For the FEAS, the author presented an theory of matrix spectrograph to modify the model of FEA, so as to the real structure of substructure in use, and then through computer loading simulation test to get the vibratility, and carry through the dynamic design. When the design carried through, according to some things that affect rig substructure's vibration, The author tries out modification test to the FEA model, and analyzes the new dynamic figure, so we can know the change thing of rig substructure and get the significative conclusion to the substructure.
引文
[1]．彭泽民主编．机械振动学．机械工程师进修大学出版，1988
[2]．[德]P.C.米勒，W.O.席伦著．线性振动．曾子平等译．天津：天津大学出版社，1989
[3]．谢贻权，何福保．弹性和塑性力学中的有限元法．北京：机械工业出版社，1982
[4]．曹全榜．现代设计技术与机械产品．北京：机械工业出版社，1987
[5]．龙驭球．有限元法概论．高等教育出版社，1980
[6]．张令弥．试验模态分析技术的进展．振动工程学报，1987．1(1)：71～81
[7]．D. J. Ewins. 模态试验：理论和实践·动态分析与测试技术，1986增刊(1～4)
[8]．傅志方主编．振动模态分析与参数识别．北京：机械工业出版社，1990
[9]．陈塑寰．结构振动分析的矩阵摄动理论．重庆出版社，1991
[10]. L. Meirovitch. Elements of Vibration Analysis, McGraw—Hill, 1975
[11]. F. S. Tse, I. E. Morse, R. T. Hinkle. Mechanical Vibrations, Theory and Applications, 2ed., Allyn and Bacon, 1978
[12]. Iotech,Inc. DASYLab user's Maual. USA: Iotech,Inc, 1998
[13]. W. T. Thomson. Theory of Vibration with Applications, 2ed., Prentice—Hall, 1981
[14]．梁德沛主编．机械参量动态测试技术．重庆大学出版社，1987
[15]．应怀樵编著．振动测试和分析．北京：中国铁道出版社，1981
[16]．周传荣，赵淳生编著．机械振动参数识别及其应用．北京：科学出版社，1989
[17]．黄长艺等编．机械制造中的测试技术．北京：机械工业出版社，1981
[18]．宋健伟，徐燕申，彭泽民．机床结构动力特性灵敏度分析及其应用．天津大学学报，1990增刊
[19]．王文亮，杜作润．结构振动与动态子结构方法．上海：复旦大学出版社，1985
[20]. Song Jianwie ,Yu Dejie,Peng Zemin. Identification of Dynamic Parameters of structural Joints Via Measured Transfer Functions, Proc. of ICMDEA, Xian, China, 1986
[21]．徐燕申，陈循等．复模态情况下双模态空间修改法的研究及其误差分析．天津大学学报，1990增刊
[22]. ALGOR, Inc. ALGOR DocuTech 2.00—WIN. USA: ALGOR Inc, 1996
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[24]．陈循，徐燕申等．复模态情况下双模态空间修改法的应用，机械动力学第五届学术年会论文集．南京：东南大学出版社，1991
[25]．许本文，焦群英．机械振动与模态分析基础．机械工业出版社，1998，177～179
[26]．韩国有等．石油机械参量测试技术，第一版．北京：石油工业出版社，1996年，225～227
[27]．何世聪，滕兆春．ZJ50J双升式机械驱动石油钻机振动模态分析．
[28]．彭如海，彭劼，刘杰．平面刚架横向振动模态分析新方法探讨．江苏理工大学学报
[29]．吴正毅．测试技术与信号处理．清华大学出版社，1996
[30]．DASP大容量数据自动采集和信号处理系统使用说明．北京，东方振动研究所，2000
[31]．吟雪刚等．结构振动分析的子结构方法．中国铁道出版社，1991年，(2)
[32]．刘瑞岩．结构振动中模态综合技术．国防科技大学学报，1979，(2)
[33]．王文亮，刘玉民．自由拘束模态综合技术．振动工程学报，1988，1(4)
[34]．段根宝．模态综合超单元法的简化解．振动工程学报，1989，2(4)
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[39]．张存良，应怀樵．分区试验模态综合法．应怀樵主编．现代振动与噪声技术，1997年，192～195
[40]．韩志东等．蜂窝加层壳的模态分析．应怀樵主编．现代振动与噪声技术，1997年，202～205
[41]．杜双兴等．水中三维结构的湿模态分析方法．应怀樵主编．现代振动与噪声技术，1997年，206～210
[42]．李世亮．高速车辆构架的模态计算、试验分析．应怀樵主编．现代振动与噪声技术，1997年，224～228
[43]．陈如恒等．大功率钻机泵机架的模态分析及动力修改后的再测试分析．应怀樵主编．现代振动与噪声技术，1997年，2229～234
[44]．王其申等．桩的离散系统频率和模态的定性性质及振动反问题．应怀樵主编．现代振动与噪声技术，1997年，299～304
[45]．董玉明．运动载荷下弹性半空间地基板的动态分析．硕士论文，西北工业大学，1994
[46]．郑小平．运动载荷下粘弹性地基自由矩形板的动态分析．硕士论文，西北工业大学，1994
[47]．张令弥．动态测试技术的发展系列讲座——第三讲 模态分析与实验技术的新进展．振动与冲击．1998，17(3)，83～85
[48]. Rouche N,Habets P and Laloy M. Stability Theory by Liapunov's Direct Method,Springer-Verlag, 1977
[49]．李德葆．振动模态分析及其应用．宇宙出版社，1989年，59～65
[50]．李德葆．振动模态分析及其应用．宇宙出版社，1989年，78～88
[51]．吴森主编．结构试验基础．航空工业出版社，1992年，84～85
[52]. Hartman P. Ordinary Differential Equations,Birkhauser, 1982
[53]. Mandelbrot B B. The Fractal Geometry of Narure. Freeman,San Francisco, 1982
[54]. D.E.Newland. An Introduction to Random Vibration and Spectral Analysis.Longman, 1975
[55]．杨超．钻机底座振动模拟试验研究．硕士论文，大庆石油学院，1997
[56]. P. Schraut,Krefeld. Modal. Aanlyse von Fahrzeugstruturen in Aluminm-Intergralbauweise. 1989,(5)
[57]. Rolf-Dieter Mueller. Messung,Berechnung and Analuse von Schwingungen. VDI-Z.1980
[58]．毛履国．汽车发动机旋装滤支架模态分析．应怀樵主编．现代振动与噪声技术，1007年，221
[59]．应怀樵．脉冲力与结构振动响应传递函数的变时基、变窗长采样分析新方法研究．北京，1990年，铁科院．东方所研究报告，1995年获国家发明专利
[60]．应怀樵，刘进明．变时基瞬态信号传递函数细化分析新方法．应怀樵主编．现代振动与噪声技术，1997年43～47
[61]．陈新．机械动态设计．机械工业出版社，1996年，205～211
[62]．张军，方向明．反共振频率的灵敏度分析及应用．振动工程学报，1996，9(1)，9～15
[63]．肖彤，韩二中．由振动系统的模态参数识别物理参数的一种方法．全国第五届模态分析与测试学术交流会论文集 下册，1988，687～698
[64]．许本文，焦群英．机械振动与模态分析基础．机械工业出版社，1998，298～309
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