声频钻机减振结构空气隔振系统探究,硕士论文.docx

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1、声频钻机减振结构空气隔振系统探究,硕士论文声频振动钻进技术是一种由液压驱动、无需使用钻井液的高效取芯钻探技术,当前在国外已广泛应用于地质勘探、环境取样、岩土工程施工等领域.国内对声频振动钻机的研制还存在缺乏,尤其是动力头与钻机本身之间的隔振构造做得还不够好,动力头隔振对延长钻机使用寿命具有重要的意义,本文以声频钻机减振构造为研究对象,建立数学模型、ABAQUS 有限元仿真以及部分实验相结合的方式,对空气隔振系统做了深切进入研究,得出下面结论. 对空气隔振系统做了具体的理论分析,推导出其回复力、刚度、振幅和位移传递率公式,利用 Origin 软件进行了曲线绘制,并分析了空气弹簧本身的构造参数和外

2、部激振载荷对其性能的影响,对设计和改善空气隔振系统构造具有重要的指导作用. 利用 ABAQUS 软件对空气隔振系统进行建模和有限元分析,得到其静态刚度曲线以及在外部激振载荷和冲击载荷下的动态响应,并得出了不同初始内压和激振频率下,空气隔振系统的位移传递率,了解了其隔振规律,并做出了合理的解释.V 型密封圈除了密封作用以外,还有较大的传递能量的作用,由于轴套极大地限制了密封圈法向位移,增大了密封圈的刚度,提出密封圈属性对隔振系统的重要影响,而且从模拟结果能够看出,空气隔振系统在振动时,轴套在限制密封圈位移时承受了很大的应力.之后,对声频钻进进行了模拟仿真,得到了空气隔振系统在钻进砂岩时的隔振响应

3、,分别输出了芯轴和箱体底座的振动曲线,分析了在振动钻进时不同初始内压对隔振性能的影响. 对空气隔振系统在空载时进行了部分实验,对实验结果和模拟结果进行了比照,得出了其变化规律的一致性.提出了在实验经过中,空气隔振系统的缺乏之处,为后续的改良做参考. 本文关键词语:声频钻进,空气隔振,V型密封圈,模拟仿真 Abstract Sonic drilling is a kind of high-efficiency core drilling technology driven byhydraulic pressure without using drilling fluid. It has been

4、 widely used in geologicalexploration, environmental sampling, geotechnical engineering and so on. There is alack of in-depth research on sonic drilling rigs in China, especially the vibration isolationof the power head is not good enough. The vibration isolation of the power head is ofgreat signifi

5、cance for extending the service life of the drilling rig. The combination oftheoretical mechanical analysis, ABAQUS finite element simulation and someexperiments have made an in-depth study of the air vibration isolation system, andreached the following conclusions. A detailed theoretical analysis o

6、f the air vibration isolation system was carried out,and its formulas of restoring force, stiffness, amplitude and displacement transmissionrate were derived. Modeling and finite element analysis of the air vibration isolation system usingABAQUS software, the static stiffness curve and the dynamic r

7、esponse under externalexcitation load and impact load are obtained, and the air under different initial internalpressure and excitation frequency is obtained. The displacement transmission rate of thevibration isolation system has been understood, and a reasonable explanation has beenmade. In additi

8、on to the sealing function, the V-shaped seal ring also has a large energytransmission function. It can be seen from the simulation results that when the airvibration isolation system vibrates, the bushing is subjected to a lot of stress whenrestricting the displacement of the seal ring. After that,

9、 the sonic drilling was simulated,and the vibration isolation response of the air vibration isolation system was obtained bydrilling sandstone. The vibration curves of the mandrel and the base of the box wereoutput separately. The effect of initial pressure on vibration isolation was obtained. Parti

10、al experiments were carried out on the air vibration isolation system under noload, and the experimental results were compared with the simulation results, and theconsistency of the change rules was obtained. Keywords: sonic drilling, air vibration isolation, V-ring seal, simulation 目录 幅较长,部分内容省略,具体

11、全文见文末附件 第六章 结论与瞻望 6.1 结论 本文通过对声频钻机空气隔振系统进行理论分析、有限元仿真和部分实验相结合的方式方法,得出了该空气隔振系统的振动特性和隔振效率,详细结论如下: (1)简化了空气隔振系统的力学模型,对其本身回复力和刚度进行了计算,得到了其刚度在小位移时变化不明显,大位移时呈现出非线性增长;对空气隔振系统的振幅进行了推导,得出其振幅与频率比和阻尼的关系,即频率比越大,振幅越小,在高频振动时阻尼对振幅影响不大. (2)提出了利用位移传递率对空气隔振系统的隔振性能进行评价,并推导出位移传递率的表示出式,得到其大小与频率比和阻尼的关系,即当? ? 2时,隔振系统才具有隔振效

12、果,频率比越大隔振效果越好,在高频振动时,阻尼对隔振效果影响较小. (3)隔振系统的刚度与气室初始内压、V 型密封圈的材料属性以及气室与活塞的接触面积和气室高度有关,初始内压和密封圈的硬度越大,则隔振系统的刚度越大;气室与活塞的接触面积越大,系统刚度越大;气室高度越高,系统刚度越小.因而可根据钻进地层的需要,调整这些参数,以改变系统刚度. (4)隔振系统的隔振效果与 V 型密封圈的硬度、初始内压和激振载荷有关,密封圈的硬度越高,其在轴套的限制下不易变形,位移传递率增大,隔振效果变差;初始内压的大小与密封圈的硬度有关,气室本身的刚度不应大于密封圈受侧限时的刚度,否则位移传递率会增大,也不应过小,

13、否则吸收的能量较小,隔振效果不好;激振载荷增大以及激振频率增大,导致密封圈在外部荷载下产生较大的位移,其积蓄的能量传递给箱体,使得位移传递率增大,但较高的激振载荷有利于提升钻进速度. 6.2 瞻望 当前国内研发的声频钻机在减振方面存在的问题一直没有得到较好的解决,减振对钻机的寿命有着重要的影响.本文对隔振系统做了一些新的研究,但是论文中还存在着很多缺乏,需要在后续中加强: (1)在理论分析中,没有考虑 V 型密封圈对隔振系统隔振影响,由于密封圈是一种超弹性材料,其在有侧限时的材料属性需通过实验确定,因而理论分析中只单纯研究了空气弹簧的振动特性,在之后的研究中应将V型密封圈考虑在内. (2)本文

14、固然对隔振系统空载和钻进两方面做了仿真模拟,但是模拟过于理想化,在实际钻进中,钻具的位移与受力是非常复杂的,钻杆本身会产生较为明显的变形,振动也不仅仅发生在竖直方向,不同深度的岩层性能差异很大,因而在后续,需要通过现场实际钻进,对隔振系统的隔振情况有个更为全面的认识,进而对其参数进行合理的修改. (3)隔振系统本身的密封是由橡胶密封的,在振动钻进经过中会产生升温老化问题,不利于隔振系统的长久使用,迷宫密封不能到达较好的密封效果,在后续中,应该找到愈加适宜的密封件对隔振系统进行密封. 以下为参考文献 1 王瑜,刘宝林,周琴等. 基于双偏心轴驱动的声频振动钻机设计研究. 中国机械工程,2020,2

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