捷聯(lián)式自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)穩(wěn)定平臺(tái)測(cè)試臺(tái)架靜、動(dòng)態(tài)特性的數(shù)值模擬

陳威 謝慧

【摘要】根據(jù)捷聯(lián)式自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)穩(wěn)定平臺(tái)的需要，設(shè)計(jì)了鋁制桁架結(jié)構(gòu)的測(cè)試臺(tái)架，并建立了桁架模型，分析其靜強(qiáng)度、穩(wěn)定性、固有頻率和頻率響應(yīng)分析。

【關(guān)鍵詞】鋁制桁架 屈曲分析 模態(tài)分析 頻響分析

要完成復(fù)雜井眼軌跡，尤其是真正實(shí)現(xiàn)井下閉環(huán)控制，傳統(tǒng)的鉆井工具已不能滿足要求，必須研制更加靈活的全方位可調(diào)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向井下工具，其核心是能在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下按控制指令動(dòng)作改變作用在鉆頭上的合力或改變鉆具偏心程度的穩(wěn)定平臺(tái)裝置。穩(wěn)定平臺(tái)裝置實(shí)際上是一個(gè)測(cè)控單元，含有磁通門(mén)、重力加速度計(jì)、速率陀螺、微處理器以及相關(guān)的各種電路。它可以檢測(cè)接收各種信號(hào)，通過(guò)一定的算法計(jì)算得出正確的數(shù)據(jù)，并發(fā)出指令操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種動(dòng)作。作為捷聯(lián)式自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)的重要組成部分，穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi)含磁通門(mén)等磁性敏感元件，為了模擬自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)在井下的工作狀態(tài)，其地面試驗(yàn)設(shè)備不僅要能夠模擬鉆鋌的工作狀態(tài)等條件，還必須滿足磁場(chǎng)隔離，即捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺(tái)磁通門(mén)安裝位置1m范圍內(nèi)無(wú)磁性材料。

1 測(cè)試臺(tái)架設(shè)計(jì)及靜強(qiáng)度分析

穩(wěn)定平臺(tái)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)架由臺(tái)架、起豎搖擺機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、模擬負(fù)載裝置、測(cè)量檢測(cè)裝置等部分組成，如圖1。

由于磁敏感元件磁通門(mén)位于穩(wěn)定平臺(tái)中心位置，所以臺(tái)架為無(wú)磁材質(zhì)即可滿足要求，設(shè)計(jì)中采用2A12鋁制角鐵焊接臺(tái)架。臺(tái)架通過(guò)起豎搖擺機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)空間姿態(tài)的變化，同時(shí)承受穩(wěn)定平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)裝置和模擬及檢測(cè)裝置的重量，以及穩(wěn)定平臺(tái)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的振動(dòng)載荷。當(dāng)臺(tái)架在水平狀態(tài)時(shí)，起豎搖擺機(jī)構(gòu)為臺(tái)架的固定點(diǎn)，不考慮起豎搖擺機(jī)構(gòu)受理情況，則臺(tái)架各個(gè)方向的自由度為全約束。

桁架的受力主要是安裝在其上的設(shè)備重力，同時(shí)桁架的自重也需要考慮進(jìn)去，桁架在水平狀態(tài)時(shí)，其最大應(yīng)力為24.6MPa，最大位移為11.6mm；查表得到2A12的許用應(yīng)力為240MPa，可見(jiàn)該結(jié)構(gòu)足以滿足強(qiáng)度要求，其最大位移也在工程使用的允許范圍內(nèi)。

2 臺(tái)架穩(wěn)定性分析

結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析，也稱為屈曲分析，是結(jié)構(gòu)分析的一個(gè)重要部分。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析所研究的是特定形式的結(jié)構(gòu)（如薄板、薄殼、以及細(xì)長(zhǎng)桿等）對(duì)特定形式的外載荷（如壓載荷、剪載荷）的響應(yīng)特性。對(duì)于本文桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析則屬于是細(xì)長(zhǎng)桿受壓的問(wèn)題（桁架處于豎直狀態(tài)時(shí)）。對(duì)于受壓的構(gòu)件，造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的原因主要是構(gòu)件中軸向力的作用。用虛功原理推導(dǎo)剛架單元的剛度矩陣時(shí)沒(méi)有考慮由于橫向虛位移所引起的軸向應(yīng)變。這樣推導(dǎo)得到的單元?jiǎng)偠染仃囍荒芊从硢卧休S向力遠(yuǎn)小于桿件的臨界載荷時(shí)桿端力與桿端位移的關(guān)系。在做結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析時(shí)一般可以忽略軸向力對(duì)于桿件剛度的影響，但在做結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析時(shí)上述關(guān)系必須加以修正。

設(shè)在考慮了軸力的影響后單元?jiǎng)偠确匠炭尚薷臑槿缦滦问剑?/p>

圖3 臺(tái)架失穩(wěn)形式圖

需要指出的是，在工程實(shí)際中，很難達(dá)到結(jié)構(gòu)的臨界載荷，因?yàn)閿_動(dòng)和非線性行為，低于臨界載荷時(shí)結(jié)構(gòu)就已經(jīng)變得不穩(wěn)定了，即實(shí)際結(jié)構(gòu)在負(fù)載未達(dá)到臨界載荷時(shí)就出現(xiàn)失穩(wěn)。在本文中，由于臨界載荷遠(yuǎn)大于桁架結(jié)構(gòu)的實(shí)際負(fù)載，工作過(guò)程中不存在非線性行為，所以采用了相對(duì)計(jì)算快捷的特征直屈曲分析，而不必要進(jìn)行非線性屈曲分析。

3 臺(tái)架模態(tài)分析與頻響分析

測(cè)試臺(tái)架工作過(guò)程中被測(cè)穩(wěn)定平臺(tái)始終保持0rpm-300rpm的轉(zhuǎn)速，且穩(wěn)定平臺(tái)存在微小的偏心，要求測(cè)試臺(tái)架必須能夠承受一定的動(dòng)載荷。因此設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)測(cè)試臺(tái)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析成為必要的工作，以避免激振頻率與測(cè)試臺(tái)架結(jié)構(gòu)某階固有頻率接近而引起共振。

利用圖2所示的有限元模型，進(jìn)行模態(tài)分析，得到臺(tái)架的前5階固有頻率如表1所示。

考慮到穩(wěn)定平臺(tái)最高轉(zhuǎn)速300rpm，那么其激振頻率最高為5Hz，臺(tái)架一階固有頻率為7.796Hz，工作中不會(huì)達(dá)到臺(tái)架共振點(diǎn)，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)滿足工程使用的要求。為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)工作時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，利用圖2所示有限元模型，在系統(tǒng)工作頻率范圍內(nèi)對(duì)測(cè)試臺(tái)架進(jìn)行了直接頻率響應(yīng)分析，所施加載荷如表2。

圖4及圖5給出了測(cè)試臺(tái)架兩個(gè)具有代表性的節(jié)點(diǎn)node244（桁架中部）、node110（桁架頂端）的位移頻響曲線。

可以看出，在系統(tǒng)工作頻率范圍內(nèi)（0-5Hz），圖4中，臺(tái)架頂端節(jié)點(diǎn)110在5Hz時(shí)最大位移響應(yīng)不到0.9mm。測(cè)試臺(tái)架的振幅隨頻率的增加而增大，但振動(dòng)幅度都很小，不影響設(shè)備的功能。臺(tái)架的一階固有頻率為7.796Hz，在結(jié)構(gòu)受到未達(dá)到該頻率的激勵(lì)時(shí)，不會(huì)引起結(jié)構(gòu)的共振，因此振幅一般會(huì)較小。

圖5 測(cè)試臺(tái)架節(jié)點(diǎn)110位移、頻響曲線

4 結(jié)論

在鋁制桁架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)測(cè)試臺(tái)架的實(shí)際工作狀態(tài)，綜合分析其靜、動(dòng)態(tài)特性，為設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，使其能夠安全的工作于額定工作范圍，其數(shù)值模擬分析方法具有普遍適用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫峰，陳威，王義峰.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)穩(wěn)定平臺(tái)測(cè)試臺(tái)架設(shè)計(jì)[J].石油機(jī)械，2010，3（11）：36-38

作者簡(jiǎn)介

陳威（1980-），男，安徽固鎮(zhèn)人，工程師，在讀博士，主要從事井下測(cè)控系統(tǒng)研發(fā)。