钻机底座的振动分析

　　国产ZJ15型钻机是大庆油田的主力钻机。为了提高钻井效率,缩短工作周期,通常采取提高钻井速度的方法,即采用四档钻进。但是,该型钻机采用四档钻进时,钻台的振动非常强烈,影响正常工作。该型钻机底座在设计制造时并未考虑其动特性,出厂时也未进行特性测试。为弄清底座振动强烈的原因,对底座进行了模态测试及其工作过程的振动测试。

　　1　底座模态测试及分析

　　1.1　测试原理

　　钻机底座是一个结构复杂的多自由度系统,其运动方程可表示为[1]

　　其中:M,C,K分别为系统的质量、阻尼和刚度矩阵,x。(t),x。(t),x(t),f(t)分别为加速度、速度、位称和激振力向量。

　　对上式进行拉普拉斯(Laplace)变换,式(1)可变为

　　其中:Z(s)是系统在S域的阻抗矩阵。对于约束系统,它是一个非奇异矩阵,其任一元素Zij(s)为

　　其中:为传递函数矩阵。

　　1.2　测试结果

　　本次模态测试的主要目的是测试钻机底座在垂直方向的模态参数。经过传函及模态分析,求得底座前9阶模态频率及阻尼比,如表1所示。如果钻台面上的钻井设备的工作频率或其倍频接近底座的模态频率时,将会引起钻台面的强烈振动。

　　2　底座工作过程振动测试及分析

　　2.1　数据采集

　　为了比较底座在两种钻井速度、井深范围条件下的振动情况,在整个钻井过程中选了4个测试段:井深分别为160～200 m;590～640 m;830～850 m;1040～1070 m。在每个测试段内,分别采用三档、四档钻井,并进行了数据采集。

　　2.2　采样数据的幅值域分析

　　所采集数据的幅值域分析结果如图1～图3所示。可以看出,采用四档钻进时,底座在3个方向的振动烈度是采用三档时的2～7.5倍。

　　把底座及其上面的各旋转设备看作一个大旋转振动系统,根据GB11347-89所规定的大型旋转机械振动烈度的评定等级,则其属于挠性支承设备。从图1～图3可以看出,当采用四档钻进时,底座各测点处的振动烈度均大于18 mm/s,处于“停机,不允许运行”的范围。由此可见,ZJ15型钻机采用四档钻进是不合适的。

　　2.3　采样数据的频域分析

　　2.3.1　底座振动的可能振源及振动频率特性

　　ZJ15型钻机底座上所采用的电动机、变速箱、万向轴、转盘及绞车等都是旋转设备,任何一个转动部分出现不平衡或不对中时,都会引起设备和底座的振动。变速箱和转盘之间用万向轴联接,由于万向轴与钻台面之间存在7°的夹角,万向轴的轴线与变速箱的输出轴和转盘的输入轴存在相同的夹角,即在两个联接处存在轴线不对中问题。根据文献[2]及文献[3],可求得各种振源的工作频率、常伴频率及振动方向列于表2。