大位移井振動(dòng)減摩工具減摩特性研究

張會(huì)增

摘 要：利用振動(dòng)減摩工具減小鉆柱與井壁摩阻是大位移井、水平井鉆進(jìn)過(guò)程中提高機(jī)械鉆速、增加井眼延伸能力的一種有效途徑，根據(jù)作用機(jī)制的不同，振動(dòng)減摩工具可以分為兩類，力激勵(lì)振動(dòng)減摩工具和位移激勵(lì)振動(dòng)減摩工具。文章分析了兩類振動(dòng)減摩工具的減摩作用機(jī)理及減摩效果，結(jié)果表明：縱向力激勵(lì)振動(dòng)減摩效果優(yōu)于橫向力激勵(lì)振動(dòng)和法向力激勵(lì)振動(dòng)；縱向位移激勵(lì)振動(dòng)減摩效果優(yōu)于橫向位移激勵(lì)，振動(dòng)類減摩工具設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先選用縱向振動(dòng)方式。

關(guān)鍵詞：減摩工具；力激勵(lì)振動(dòng)；位移激勵(lì)振動(dòng)；減摩效果

中圖分類號(hào)：TE921 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）14-0004-02

使用振動(dòng)類減摩工具是解決減小大位移井鉆柱摩阻的有效途徑，按照作用機(jī)制不同，目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的振動(dòng)類減摩工具可以分為兩類，一類是通過(guò)一定的方式給鉆柱施加特定方向的振動(dòng)力激勵(lì)，即力激勵(lì)振動(dòng)減摩工具；另一類是通過(guò)一定的機(jī)構(gòu)給鉆柱施加特定方向的振動(dòng)位移激勵(lì)，即位移激勵(lì)振動(dòng)減摩工具，利用簡(jiǎn)單的平面摩擦副模型對(duì)這兩類減摩工具的減摩機(jī)理和減摩效果進(jìn)行了對(duì)比分析，以期為井下振動(dòng)類減摩工具的研發(fā)提供理論支撐。

1 力激勵(lì)振動(dòng)對(duì)摩擦的影響

力激勵(lì)振動(dòng)減摩即通過(guò)一定方式給予滑塊一激勵(lì)力，達(dá)到減小摩擦力的效果，依據(jù)激勵(lì)力方向與驅(qū)動(dòng)力方向的不同，分為縱向力激勵(lì)振動(dòng)減摩、橫向力激勵(lì)振動(dòng)減摩及法向力激勵(lì)振動(dòng)減摩。

1.1 縱向力激勵(lì)振動(dòng)對(duì)摩擦的影響

縱向力激勵(lì)振動(dòng)的激振力的方向與驅(qū)動(dòng)力方向共線，如圖1所示，基體上放置一個(gè)可以自由移動(dòng)的滑塊，其質(zhì)量為m，與基體之間的靜摩擦系數(shù)為？滋，驅(qū)動(dòng)力為Fd，縱向激勵(lì)力F（t）=FOsin（2？仔ft）。

設(shè)破壞滑塊靜止?fàn)顟B(tài)所需最小驅(qū)動(dòng)力為Fdmin，可以得到：

Fdmin=？滋mg-FO（1）

參照經(jīng)典摩擦學(xué)定律中靜摩擦系數(shù)的定義，引入當(dāng)量靜摩擦系數(shù)的概念，即在振動(dòng)條件下，物塊開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)的最大靜摩擦力與支反力的比值，則縱向力激勵(lì)振動(dòng)條件下的當(dāng)量靜摩擦系數(shù)？滋Z為：

？滋Z=■？滋（1-■）（2）

由于FO/？滋mg>0，易知？滋Z<？滋，即縱向力激勵(lì)條件下，靜摩擦力減小。

1.2 橫向力激勵(lì)振動(dòng)對(duì)摩擦的影響

橫向力激勵(lì)振動(dòng)的激振力的方向與驅(qū)動(dòng)力方向正交，且與摩擦面平行，如圖2所示。

設(shè)橫向力F（t）=FOsin（2？仔ft），打破滑塊靜止?fàn)顟B(tài)所需的最小驅(qū)動(dòng)力為Fdmin：

Fdmin=■（3）

當(dāng)量靜摩擦系數(shù)？滋h：

？滋h=■=？滋■（4）

由于FO/？滋mg>0，易知？滋h<？滋，即橫向力激勵(lì)條件下，靜摩擦力減小。

1.3 法向力激勵(lì)振動(dòng)對(duì)摩擦的影響

法向力激勵(lì)振動(dòng)的激振力方向與驅(qū)動(dòng)力的方向正交，且垂直于摩擦面，如圖3所示。

法向力F（t）=FOsin（2？仔ft）（，打破滑塊靜止?fàn)顟B(tài)所需的最小驅(qū)動(dòng)力為Fdmin：

Fdmin=？滋（mg-FO）（5）

當(dāng)量靜摩擦系數(shù)？滋f：

？滋f=■=？滋（1-■）（6）

式中，F(xiàn)O/mg>0，易知？滋f<？滋，即法向力激勵(lì)條件下，靜摩擦力減小。

2 位移激勵(lì)振動(dòng)對(duì)摩擦的影響

位移激勵(lì)振動(dòng)減摩即通過(guò)一定方式給予滑塊位移激勵(lì)，達(dá)到減小摩擦力的效果，依據(jù)激勵(lì)位移方向與滑塊原有速度方向的不同，位移激勵(lì)振動(dòng)減摩可以分為縱向位移激勵(lì)振動(dòng)減摩、橫向位移激勵(lì)振動(dòng)減摩及法向位移激勵(lì)振動(dòng)減摩。

2.1 縱向位移激勵(lì)振動(dòng)對(duì)摩擦的影響

縱向位移激勵(lì)振動(dòng)即施加給滑塊的位移激勵(lì)方向與滑塊原有速度方向共線，如圖4所示

設(shè)滑塊原有速度為VO，驅(qū)動(dòng)力為Fd，設(shè)位移激勵(lì)為簡(jiǎn)諧振動(dòng)：

x（t）=-vacos（2？仔ft），則激勵(lì)振動(dòng)速度為：

v（t）=2？仔fvasin（2？仔ft），式中va為縱向位移激勵(lì)的幅值，f為縱向位移激勵(lì)的頻率，t為時(shí)間。分析在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)滑塊的速度及所受摩擦力隨時(shí)間變化關(guān)系如圖5所示，規(guī)定摩擦力及速度的方向向左為正，振動(dòng)速度v（t）達(dá)到滑塊原有速度vO所需時(shí)間為：

？駐t=■arcsin（■）（7）

在時(shí)間段0～t1，v（t）vO，滑塊合速度方向向左，滑塊所受摩擦力方向與速度vO方向相同，有利于滑塊的滑動(dòng)，起到減小摩擦力的作用；在時(shí)間段t2～t3、t3～t5，速度v（t）與Vo方向相同，滑塊所受摩擦力方向向左，振動(dòng)對(duì)摩擦力沒(méi)有影響。

由正弦函數(shù)對(duì)稱性知，在一個(gè)振動(dòng)周期T內(nèi)，滑塊所受的時(shí)均摩擦力Ff*為：

Ff*=■=■arcsin（■）（8）

式中，F(xiàn)f為滑塊沒(méi)有受振動(dòng)激勵(lì)時(shí)的摩擦力，如圖6所示，當(dāng)縱向位移激勵(lì)振動(dòng)幅值2？仔fva小于滑塊原運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，振動(dòng)對(duì)摩阻力沒(méi)有影響，當(dāng)2？仔fva大于滑塊原時(shí)，滑塊受到的摩擦力隨著2？仔fva/Vo比值的增大迅速減小，即縱向位移激勵(lì)振動(dòng)減小了摩擦力。

2.2 橫向位移激勵(lì)振動(dòng)對(duì)摩擦的影響

橫向位移激勵(lì)振動(dòng)即施加給滑塊的位移激勵(lì)的方向與振動(dòng)體原有速度方向正交，且與摩擦面平行，如圖7所示。

設(shè)橫向位移激勵(lì)為y（t）=-Vacos（2？仔ft），則橫向激勵(lì)速度為v（t）=2？仔fvasin（2？仔ft），滑塊運(yùn)動(dòng)速度為v（t）與Vo的合速度，如圖8所示，v為滑塊的合速度，F(xiàn)f為滑塊所受橫向摩擦力和縱向摩擦力的合力，因此橫向位移激勵(lì)振動(dòng)減摩可以看成部分滑塊摩擦力分解到了橫向位移激勵(lì)振動(dòng)方向。

在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，滑塊在速度Vo方向受到的時(shí)均摩擦力Ff*為：

Ff*=■■Fodt=■■cos（arctan（■））dt（9）

如圖9所示，隨著的增大，逐漸減小，且只要存在橫向位移激勵(lì)振動(dòng)，不管振幅多大，滑塊在原有速度方向的摩擦力都會(huì)減小。

2.3 法向位移激勵(lì)振動(dòng)對(duì)摩擦的影響

法向位移激勵(lì)振動(dòng)的激振位移方向與驅(qū)動(dòng)力的方向正交，且垂直于摩擦面。如圖10所示，當(dāng)滑塊存在法向位移激勵(lì)時(shí)，滑塊與接觸面周期性地脫離，由于脫離的時(shí)間與位移激勵(lì)的頻率相關(guān)，難以精確計(jì)算，因此只做定性分析。在滑塊脫離接觸面時(shí)，相當(dāng)于滑塊與基體間的摩擦系數(shù)為零，因此在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)平均滑動(dòng)摩擦系數(shù)減小，即法向位移激勵(lì)振動(dòng)減摩是通過(guò)減小平均滑動(dòng)摩擦系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 振動(dòng)減摩效果對(duì)比

3.1 不同方向力激勵(lì)振動(dòng)減摩效果對(duì)比

激勵(lì)力方向不同時(shí)，減摩效果亦不同，設(shè)滑塊所受激勵(lì)力均為F（t）=FOsin（2？仔ft），且Fo<？滋mg：

①縱向力激勵(lì)振動(dòng)與橫向力激勵(lì)振動(dòng)減摩效果對(duì)比。

？滋2z-？滋h2=2？滋2（（■）2-■）<0，

即縱向力激勵(lì)振動(dòng)減摩效果優(yōu)于橫向力激勵(lì)振動(dòng)。

②縱向力激勵(lì)振動(dòng)與法向力激勵(lì)振動(dòng)條件下減摩效果對(duì)比。

一般靜摩擦系數(shù)μ<1，固當(dāng)量靜摩擦系數(shù)：

？滋z=？滋（1-■>？滋f=？滋（1-■）

即縱向力激勵(lì)振動(dòng)減摩效果優(yōu)于法向力激勵(lì)振動(dòng)。

③橫向力激勵(lì)振動(dòng)與法向力激勵(lì)振動(dòng)條件下減摩效果對(duì)比。

？滋h2-？滋f2=■（（■-1）-■），當(dāng)（■-1）-■）<0時(shí)，？滋h<？滋f，即橫向力激勵(lì)振動(dòng)減摩效果優(yōu)于法向力激勵(lì)振動(dòng)。

由以上對(duì)比分析知，縱向力激勵(lì)振動(dòng)減摩效果優(yōu)于橫向力激勵(lì)和法向力激勵(lì)。

3.2 不同方向位移激勵(lì)振動(dòng)減摩效果對(duì)比

縱向位移激勵(lì)與橫向位移激勵(lì)振動(dòng)條件下時(shí)均摩擦力與無(wú)位移激勵(lì)振動(dòng)時(shí)的摩擦力比值Ff*/Ff隨振動(dòng)速度幅值與原有速度比值2？仔fva/vo的變化關(guān)系，如圖11所示，相同位移激勵(lì)幅值條件下，縱向位移激勵(lì)振動(dòng)減摩效果優(yōu)于橫向位移激勵(lì)振動(dòng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

①振動(dòng)減摩工具分為力激勵(lì)振動(dòng)減摩工具和位移激勵(lì)振動(dòng)減摩工具兩類，力激勵(lì)振動(dòng)通過(guò)減小當(dāng)量靜摩擦系數(shù)的方式減小靜摩擦力，位移激勵(lì)振動(dòng)通過(guò)改變摩擦力方向或者減小平均動(dòng)摩擦系數(shù)來(lái)減小動(dòng)摩擦力。

②相同條件下，縱向力激勵(lì)振動(dòng)減摩效果優(yōu)于橫向力激勵(lì)振動(dòng)和法向力激勵(lì)振動(dòng)，縱向位移激勵(lì)振動(dòng)減摩效果優(yōu)于橫向位移激勵(lì)振動(dòng)，因此，在設(shè)計(jì)振動(dòng)類減摩工具工作機(jī)制時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用縱向振動(dòng)方式。

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