178型液力衡扭旋冲提速工具本体模态数值模拟

赵 毅，李 鑫，孙秋霞

(1.大庆油田 钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413；2.大庆油田 钻井一公司，黑龙江 大庆 163411； 3.大庆油田 地质录井一公司，黑龙江 大庆 163411)①

178型液力衡扭旋冲提速工具本体模态数值模拟

赵 毅1，李 鑫2，孙秋霞3

(1.大庆油田 钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413；2.大庆油田 钻井一公司，黑龙江 大庆 163411； 3.大庆油田 地质录井一公司，黑龙江 大庆 163411)①

为了避免液力衡扭旋冲提速工具振动对本体部件的损坏，利用有限元分析软件对178型液力衡扭旋冲提速工具本体部件的三维有限元模型进行了模态数值模拟，求解出本体部件的前5阶固有频率及振型云图。通过分析模拟结果得出：工具工作振动频率与本体部件固有频率不耦合，本体部件不会与工具振动频率产生共振而破坏本体。模拟结果为工具振动工作状态下本体的安全性提供了理论支持，为设计改进及优化工具提供参考。

提速工具；液力衡扭旋冲；模态；有限元分析

1 有限元模型

1.1 工具组成及技术参数

液力衡扭旋冲提速工具主要由动力机构和冲击机构组成，工具上部连接钻柱，下部连接钻头，伴随钻柱旋转带动钻头工作。动力机构将钻井液的液体能转化为机械能，为冲击机构提供动力；冲击机构在动力机构的带动下工作并产生周向锤击，将能量传递给钻头，并在钻压的作用下辅助钻头破岩，从而提高机械钻速。

通过BSZ600型高级振动分析仪对工具的工作频率进行了测试，结果如表1所示。

表1 178型液力衡扭旋冲提速工具技术参数

1.2 模态分析

模态分析是研究结构动力学特性的方法，主要用于确定结构或设备部件的振动特性，是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。任何结构都有特定的模态，即固有频率、阻尼比和振型[6]。当结构所受激励的频率接近该结构的固有频率时，结构发生振动的振幅将会增大，从而使结构在疲劳时受到破坏，例如次声波武器。如果合理利用结构的共振特性，将会为生产生活带来益处，例如超声波清洗等[7]。结构的模态不仅只有1个，而是有许多个，通常在有限元分析时只考虑结构的前几阶模态。本文在分析178型液力衡扭旋冲提速工具本体零件的固有频率时只以各部件的前5阶模态作为分析对象[8]。

1.3 建立有限元模型

178型液力衡扭旋冲提速工具的本体包括冲击机构外壳、动力机构外壳和连接体。本体材质为40CrNiMoA，材料密度7.87×103kg/m3，弹性模量2.09×1011Pa，泊松比0.295。

为节省模拟计算量，对模型进行简化处理，在有限元分析软件中对实体模型进行网格划分，网格大小设定2 mm，采用SOLID45实体单元，利用四面体，网格采用自由方式进行划分，生成的有限元模型如图1所示。产生的单元及节点数量如表2。

a 冲击机构外壳

b 动力机构外壳

c 连接体

名称单元数节点数冲击机构外壳9836625800动力机构外壳474655103704连接体11393824975

2 有限元模拟

由于工具在井下工作的实际工况较为复杂，本文对井下外部载荷采用忽略处理，仅考虑工具自身振动对本体的影响。根据模拟的需要，对冲击机构外壳、动力机构外壳和连接体的三维有限元模型一端施加固定约束，限制其自由度。模态提取方法采用分块兰索斯法，该方法适用于大型特征值求解问题，求解速度快，占用计算空间小。求解方程为[9-10]

(1)

迭代模拟计算后通过后处理器提取固有频率，结果如表3。

表3 本体部件前5阶固有频率 Hz

3 模拟结果分析

通过后处理，列出冲击机构外壳1～5阶模态位移(振型)云图，如图2所示；动力机构外壳1～5阶模态位移(振型)云图，如图3所示；连接体1～5阶模态位移(振型)云图，如图4所示。图中网格模型的位置为模态分析前模型所在的固定位置。

当激励的振动频率接近第1阶固有频率时，冲击机构外壳发生首次弯曲变形；当激励的振动频率接近第2阶固有频率时，冲击机构外壳向相反的方向发生了弯曲变形，2次变形的最大位移量均是11.5 mm；当激励的振动频率接近第4阶固有频率时，冲击机构外壳振型变化并不明显；当激励的振动频率接近第4阶固有频率时，冲击机构外壳非固定端发生异型变形，且变形较为严重；当激励的振动频率接近第5阶固有频率时，冲击机构外壳非约束端发生异型变形形状与第4阶的变形形状相反。此时的变形对冲击机构外壳的非固定端的影响较为严重，容易致使螺纹脱开或者心部总成脱出，造成井下事故。

a 1阶模态

b 2阶模态

c 3阶模态

d 4阶模态

e 5阶模态

a 1阶模态

b 2阶模态

c 3阶模态

d 4阶模态

e 5阶模态

当激励的振动频率接近第1阶固有频率时，动力机构外壳发生首次弯曲变形；当激励的振动频率接近第2阶固有频率时，动力机构外壳向相反的方向发生了弯曲变形，2次振型的最大位移量均是8.75 mm；当激励的振动频率接近第4阶和第5阶固有频率时，动力机构外壳发生扭转弯曲变形，且变形较为严重，此时对动力机构外壳的影响最大，不利于工具的稳定。

a 1阶模态

b 2阶模态

c 3阶模态

d 4阶模态

e 5阶模态

当激励的振动频率接近第1阶固有频率时，连接体发生首次弯曲变形；当激励的振动频率接近第2阶固有频率时，连接体向相反的方向发生了弯曲变形，2次变形的最大位移量均是8.59 mm；当激励的振动频率接近第4阶固有频率时，连接体发生轴向压缩变形；当激励的振动频率接近第5阶固有频率时，连接体发生轴向扭转弯曲变形。

本体部件前5阶最大位移如表4。

表4 本体部件前5阶最大位移 mm

通过本体模态的数值模拟得出，178型液力衡扭旋冲提速工具本体部件的前5阶固有频率中最小值为动力机构外壳的第1阶固有频率225.17 Hz，其余零件的固有频率均高于这个数值，大于178型液力衡扭旋冲提速工具在28～34 L/s排量下的工作频率30～40 Hz。因此178型液力衡扭旋冲提速工具本体在工具正常工作状态下不会发生共振现象。

4 结论

1) 采用有限元分析软件对178型液力衡扭旋冲提速工具本体部件进行模态分析，得出各部件前5阶固有频率、位移和振型云图。通过对比工具本体固有频率和实测频率数据，178型液力衡扭旋冲提速工具工作时本体发生共振的几率极小，该结构设计安全、可靠。

2) 通过模态数值模拟的方法得出了178型液力衡扭旋冲提速工具本体的固有频率，避免了大量购置试验测试的设备，节约了成本。为了进一步印证结果的可靠性，建议通过试验模态分析的方法对本体进行对比测试。

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Numerical Simulation for Body Modal of 178 Hydraulic Constant Torque Rotary Percussion Tool

ZHAO Yi1，LI Xin2，SUN Qiuxia3

(1.DrillingEngineeringTechnologyResearchInstitute，DaqingOilfield，Daqing163413，China； 2.No.1DrillingCompany，DaqingOilfield，Daqing163411，China； 3.No.1GeologyLoggingCompany，DaqingOilfield，Daqing163411，China)

2016-10-10 基金项目：中国石油天然气集团公司重大科技专项“重大工程关键技术装备研究与应用”子课题“高效破岩工具”(2013A-B4) 作者简介：赵 毅(1983-)，男，黑龙江宁安人，工程师，硕士，主要从事钻完井机械设计工作，E-mail：zhaoyi211@126.com。

1001-3482(2017)02-0030-05

TE921.2

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10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.007