举升式钻具输送机构撑杆振动特性研究.pdf

分分类类号号TE928单位代码单位代码10183 研究生学号研究生学号 2017414050密密级级公开公开 吉 林 大 学 硕士学位论文 （（专专业业学学位位）） 举升式举升式钻具输送机构钻具输送机构撑杆振动特性研究撑杆振动特性研究 Study on vibration characteristics of brace rod of lifting drill tool conveying mechanism 作作 者者 姓姓 名宋杰名宋杰 类类别工程硕士别工程硕士 领领 域域 方向方向 工程机械工程机械 指指 导导 教教 师于萍师于萍教授教授 企企 业业 导导 师王世玉师王世玉教授级高工教授级高工 培培 养养 单单 位机械与航空航天工程学院位机械与航空航天工程学院 2020 年年06 月月 举升举升式钻具输送机构撑杆振动特性研究式钻具输送机构撑杆振动特性研究 Study on vibration characteristics of brace rod of lifting drill tool conveying mechanism 作者姓名宋杰 专业名称机械工程 指导教师于萍 企业导师王世玉 学位类别工学硕士 答辩日期2020 年 06 月 07 日 作者姓名宋杰论文分类TE928 保密级别公开研究生学号2017414050 学位类型工学硕士授予学位单位吉林大学 专业名称机械工程授予学位单位 机械与航空航天工程 学院 研究方向工程机械学习时间 2017 年 9 月至 2020 年 6 月 论文中文题 目 举升式钻具输送机构撑杆振动特性研究 论文英文题 目 Study on vibration characteristics of brace rod of lifting drill tool conveying mechanism 关键词（3-8 个） 钻具输送装置，运动学，模态分析，撑杆振动控制 导师情况 姓名于萍职称教授 学历学位博士工作单位 吉林大学机械与航空 航天工程学院 论文提交日 期 2017 年 6 月 日答辩日期2020 年 6 月 7 日 是否基金资 助项目 是 项目类型及编 号 吉林省科技发展计划 （（20170101204JC）） 如已经出版，请填写以下内容 出版地 （城市 名、省名） 出版者（机构） 名称 出版日期 出版者地址 （邮 编） 吉林大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 日期年月日 I 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解吉林大学有关保留、使用学位论文的规定，同意吉 林大学保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允 许论文被查阅和借阅； 本人授权吉林大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文和汇编本学位论文。 （保密论文在解密后应遵守此规定） 论文级别硕士 博士 学科专业机械工程 论文题目举升式钻具输送机构撑杆振动特性研究 作者签名指导教师签名 年月日 I 摘要摘要 举升式钻具输送机构撑杆振动特性研究举升式钻具输送机构撑杆振动特性研究 本论文来源于吉林省科技发展计划“铰点可移式钻具输送机构非线性动力学 分析与稳定性研究” （项目编号20170101204JC） 。 随着浅表资源的枯竭以及社会对矿产资源需求的不断加剧，深部资源的钻探 与开采变得尤为重要。 在进行深部钻探的过程中， 为了获取地球深部位置的岩心， 需要对数百至上千根钻杆进行输送、下钻、提钻作业，例如在“深部探测关键仪 器装备研制与实验”的实验过程中，设计钻进深度 1 万米，则需要输送 1110 根 钻杆进行循环使用，据统计，钻具的输送时间占据了钻井作业时间的 1/3 以上。 传统的钻具运输方式效率低，危险性高，每年由钻具运输引发的安全事故，占整 个井场事故的 77，极大的影响了现场施工人员的安全。 如果使用自动钻具输送机构（行业内俗称“自动猫道” 、 “猫道”或“动力猫 道” ）运送钻具，整个过程仅需要 1-2 人就能完成操作，运移时间短，1-3 分钟 就能完成运输。使用钻具输送机构可以极大的提高钻具输送的效率，减轻工人劳 动强度，降低作业成本，提高钻探施工效率和钻探配套设备自动化水平，所以其 具有极高的研究价值和市场价值。 但钻具输送机构在实际工作的时候存在强烈的 非线性振动，造成整机的形变，严重时还导致整机侧翻造成人员伤亡，因此限制 了在工程上的应用。基于此，本文对钻具输送过程中的非线性振动进行了研究。 本文的主要研究内容如下 1. 通过研究钻具自动输送机构的工作流程，对其总体结构与工作流程进行 分析。根据实物，利用相似原理对钻具输送机构进行参数计算，设计了钻具输送 模型。然后对实验模型进行运动学分析，研究其运行的控制方式。 2.对撑杆机构的振动特性进行研究，得到了撑杆机构的横向振动动力学方程 和撑杆机构的状态空间方程；采用模态分析的方法推导出撑杆的第i阶模态函数 和机械结构在简谐载荷激励的作用下的强迫振动的动态方程， 为撑杆的振动控制 提供了理论支持。利用 ANSYS 软件对撑杆机构进行模态求解，推导出了撑杆的 固有频率以及振型图， 得到撑杆组件在易受影响的频率范围内的各阶主要模态的 特性以及撑杆的危险截面的位置。 3.基于 PID 控制、模糊控制理论对撑杆机构振动控制问题进行了研究,通过 II SIMULINK 仿真验证 PID 控制器和模糊控制器的抑振效果，发现 PID 控制器和 模糊控制器各有利弊，所以将 PID 控制器与模糊控制器相结合进行模糊 PID 控 制器的设计。通过模糊 PID 控制器进行数值仿真，验证该控制器对撑杆机构的 抑振效果。 4.搭建撑杆机构振动控制实验平台，计算机和 Labview 软件一起组成系统的 数据综合处理模块，在完成各个设备调试之后，开始撑杆振动控制实物实验，最 后得到相应的实验结果，并对结果进行分析和总结，验证控制方案的可行性。 关键词钻具输送装置，运动学，模态分析，撑杆振动控制 III Abstract Study on vibration characteristics of brace rod of lifting drill tool conveying mechanism This paper is based on the “Nonlinear Dynamic Analysis and Stability Study of hinged Movable Drilling tool conveyor mechanism“ Project No. 20170101204JC. With the depletion of shallow resources and the increasing social demand for mineral resources, the drilling and exploitation of deep resources has become particularly important.In deep drilling process, in order to obtain the deep core position, need to hundreds or thousands of drill pipe conveying, drilling, drilling operations, such as “depth detection and experimental research on the key instrument equipment“ in the process of the experiment, the design of drilling depth of 10000 meters, you will need to deliver 1110 drill pipe for recycling, according to the statistics, drilling tool conveying time occupies more than a third of the drilling operation time.The traditional of drilling tool transportation is low in efficiency and high in danger. The safety accidents caused by drilling tool transportation account for 77 of the whole well site accidents every year, which greatly affects the safety of site construction personnel.If the drill tool conveying mechanism commonly known in the industry as “automatic cat path“, “cat path“ or “power cat path“ is used to transport the drill tool, the whole process requires less personnel, only 1-2 people can complete the operation, and the migration time is short, 1-3 minutes can complete the transportation . The use of drilling tool conveying mechanism can greatly improve the efficiency of drilling tool conveying, reduce the labor intensity of workers, reduce the operating cost, improve the drilling construction efficiency and the automation level of drilling equipment, so it has a high research value and market value . However, there is a strong nonlinear vibration of the drill tool conveying mechanism in the actual work, which causes the deation of the whole machine, and even causes the machine to roll over and cause casualties, which limits its application in engineering. The main research contents of this paper are as follows IV 1. Analyze the overall structure and working process of the drilling tool automatic conveying mechanism by studying its working process . According to the real object, the parameters of drilling tool conveying are calculated by using the principle of similarity, and the model of drilling tool conveying is designed . Through the kinematics analysis of the model, the control mode is studied. 2. To study the vibration characteristics of strut mechanism, the institution of transverse vibration dynamics equations and the institutions of the state space equation, using modal analysis to deduce the poles of the first order modal function and mechanical structure under the action of harmonic load, the dynamic equation of forced vibration, it provides theoretical supports for the vibration control of poles. Using ANSYS software to solve the strut mechanism, the natural frequency and vibration pattern of the strut are deduced, and the main modal characteristics of the strut component in the frequency range susceptible to influence and the position of the dangerous section of the strut are obtained. 3. The vibration control of strut mechanism is studied based on PID control and fuzzy control theory. The vibration suppression effect of PID controller and fuzzy controller is verified by SIMULINK simulation. It is found that PID controller and fuzzy controller have their own advantages and disadvantages, so the design of fuzzy PIDcontrolleriscarriedoutbycombiningPIDcontrollerandfuzzy controller.Through the numerical simulation of the fuzzy PID controller, the vibration suppression effect of the controller on the strut mechanism is verified. 4. Set up the vibration control experiment plat of the strut mechanism, and the computer and software together constitute the data comprehensive processing module of the system. After completing the debugging of each equipment, the physical experiment of the strut vibration control is started, and the corresponding experimental results are finally obtained, and the results are analyzed and summarized to verify the feasibility of the theory. Key words drill tool conveying device, kinematics, modal analysis , strut vibration control V 目录目录 摘要...............................................................................................................I Abstract.......................................................................................................III 一、绪论......................................................................................................1 1.1 选题意义........................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状............................................................................2 1.2.1 钻具输送机构国内研究现状.............................................2 1.2.2 钻具输送机构国外研究现状.............................................3 1.3 本文研究的主要研究内容............................................................6 第二章 举升式钻具输送机构模型方案设计及运动学分析.................. 8 2.1 举升式钻具输送机构设计............................................................8 2.1.1 举升猫道结构设计.............................................................8 2.1.2 钻具输送流程.....................................................................9 2.2 举升式钻具输送机构模型设计.................................................10 2.2.1 相似理论...........................................................................10 2.2.2 钻具输送机构模型外形参数计算....................................12 2.3 系统关键部件动力学分析.........................................................13 2.4 钻具输送机构控制方案分析......................................................14 2.4.1 丝杠滑台匀速步进推杆变速方案................................15 2.4.2 丝杠滑台变速步进推杆匀速方案...............................16 2.5 本章小结...................................................................................... 17 第三章 撑杆机构动力学建模与振动特性.............................................18 VI 3.1 撑杆机构动力学建模..................................................................18 3.1.1 撑杆机构横向振动动力学方程........................................18 3.1.2 撑杆机构的动力学模型....................................................19 3.1.3 撑杆机构的状态空间描述................................................20 3.2 撑杆组件振动特性研究.............................................................22 3.2.1 振动类型分析....................................................................22 3.2.2 模态分析基本理论...........................................................22 3.2.3 撑杆振动模态求解............................................................23 3.3 撑杆组件振动模态仿真分析.....................................................26 3.4 危险截面的确定..........................................................................30 3.5 本章小结...................................................................................... 30 第四章 撑杆机构振动控制方案研究.....................................................32 4.1 举升式钻具输送机构撑杆机构振动机理分析........................ 32 4.2 振动控制方案研究.....................................................................32 4.3 PID 控制器的设计与仿真......................................................... 33 4.3.1 PID 控制器基本原理....................................................... 33 4.3.2 PID 控制器仿真分析....................................................... 34 4.4 模糊控制器的设计与仿真.........................................................36 4.4.1 模糊控制的基本理论........................................................36 4.4.2 模糊控制器的仿真分析...................................................38 4.5 模糊 PID 控制器的设计与仿真................................................ 41 4.5.1 模糊 PID 控制器的设计....................................................41 VII 4.5.2 知识库模块设计................................................................45 4.5.3 模糊 PID 控制器的仿真................................................... 47 4.6 本章小结...................................................................................... 48 第五章 钻具输送模型实验研究.............................................................49 5.1 钻具输送实验平台的搭建..........................................................49 5.1.1 动力装置的介绍................................................................49 5.1.2 运动控制卡介绍...............................................................50 5.2 控制系统的搭建..........................................................................51 5.2.1 压电材料选择....................................................................51 5.2.1 信号的传递与转换............................................................52 5.2.2 控制器................................................................................53 5.3 系统实验...................................................................................... 54 5.3.1 系统实验的过程................................................................54 5.3.2 系统的实验结果及分析....................................................55 5.3.3 系统实验结论...................................................................56 5.4 本章小结...................................................................................... 57 第六章 总结与展望.................................................................................59 6.1 全文总结...................................................................................... 59 6.2 工作展望...................................................................................... 60 参考文献....................................................................................................61 作者简介....................................................................................................65 致谢............................................................................................................66 第 1 章 绪论 1 一、绪论一、绪论 1.11.1 选题意义选题意义 随着浅表资源的枯竭以及社会对矿产资源需求的不断加剧，深部资源的钻探 与开采变得尤为重要。 在进行深部钻探的过程中， 为了获取地球深部位置的岩心， 需要对数百至上千根钻杆进行输送、下钻、提钻作业，例如在“深度探测关键仪 器装备研制与实验”的实验过程中，设计钻进深度 1 万米，则需要输送 1110 根 钻杆进行循环使用 [1]。据统计，钻具的输送时间占据了钻井作业时间的 1/3 以上 [2],传统的钻具运输方式效率低，危险性高，每年由钻具运输引发的安全事故， 占整个井场事故的 77，极大的影响了现场施工人员的安全 [3]。目前钻具输送的 方式主要还是通过钢索套紧钻杆将钻杆拉上钻台,需要 4-5 人配合才能完成，操 作时间较长（图 1.1） 。人工运输钻杆工作时间长、效率低、劳动强度大、危险性 高、易发生人身伤亡事故 [4]，不能满足高效运移钻具的作业需求。 图 1.1 人工下放钻杆图 1.2 钻具输送机构输送钻杆 如果使用自动钻具输送机构（行业内俗称“自动猫道” 、 “猫道”或“动力猫 道” ）运送钻具，整个过程仅需要 1-2 人就能完成操作，运移时间短，1-3 分钟 （如图 1.2） 就能完成运输。 使用钻具输送机构可以极大的提高钻具输送的效率， 减轻工人劳动强度，降低作业成本，提高了钻探施工效率和钻探配套设备自动化 水平，所以其具有极高的研究价值和市场价值 [5]。 但是钻具输送机构在实际工作的时候存在强烈的非线性振动，造成整机形 变 [6]，严重时还会发生整机侧翻造成人员伤亡，因此限制了在工程上的应用。国 内生产的举升式钻具输送机构在工作运行的时候存在强烈的非线性振动甚至还 出现了撑杆液压杆的断裂的现象，给施工作业带来极大的安全隐患 [7]，如图 1.3 撑杆组件断裂现场图。 吉林大学硕士学位论文 2 图 1.3 撑杆组件断裂现场图 目前国内外关于钻具运输机构非线性振动的起因以及相关抑振方法没有系 统的研究 [8]，可查询到的文献绝大多数是关于索桥施工方面的，有关钻机以及钻 机配套设备方面的文献少之又少， 因而钻具输送机构的设计和其撑杆组件的抑振 方案缺乏系统指导 [9]。所以本课题的研究会对钻具输送机构运行的动态特性分析 以及撑杆机构的振动控制研究产生一定的影响， 并且为今后新型钻具输送机构的 设计和推广带来一定的便利 [10]。 1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.11.2.1 钻具输送机构国内研究现状钻具输送机构国内研究现状 国内关于钻具输送机构的研究相对来说比较晚，目前只是处于消化、吸收、 创新的研究阶段，尚未有成熟的钻具输送解决方案。研究也只是主要集中在机构 的结构的设计，欠缺机构非线性动力学分析和系统稳定性研究 [11]，限制了钻具运 输机构向成熟的自动化钻探配套设备的进一步发展。目前，陆地钻机钻杆上下钻 台作业时仍需利用绞车配合来运输钻杆。 上钻时， 通过 1 台钻台小绞车下放绳索， 然后索具将钻杆套紧将钻杆拉上钻台面；下钻时，要用 2 台钻台小绞车配合将钻 具放下去 [12]。 国内从事钻具输送机构研究的单位主要以石油设备配套厂商和科研事业单 位为主，主要有北京石油机械厂、四川宏华设备有限公司、宝鸡石油机械公司、 南阳二机石油装备公司等。2007 年四川宏华设备有限公司研制出利用顶部钢丝 绳提拉举升滑道的钻具输送机构 [13]（图 1.4） ；2007 年 9 月，南阳二机石油装备 有限公司设计了一款全液压钻杆排放装置 （图 1.5） ， 该装置主要由撬装模块组成， 第 1 章 绪论 3 整体结构紧凑，安装移动快捷 [14]；2012 年 8 月，由宝鸡石油机械有限责任公司 研制出利用钢丝绳拉升式钻具输送机构，其机构设计简单，运输方便，但是其不 适合作为超深井石油配套设备（图 1.6） [15]；2013 年 10 月，中国石油川庆钻探 工程有限公司首部液压自动钻具输送机构试验成功 [16]；2015 年 8 月，由吉林大 学负责的“深部探测关键仪器装备研制与实验”的子课题全自动钻具输送机构在 “松科二井”钻探现场进行了相关设备的调试 [17]。 图 1.4 四川宏华钻具输送机构图 1.5 南阳二机钻具输送机构 国内在相关的理论研究方面做了一定的工作，国内有关学者对钻具输送机构 进行了运动学仿真研究，分析了钻杆在运移过程中其尾端的运动的轨迹、速度以 及加速度特性[18]； 王杰等人通过对钻具输送机构的结构与运动学特性的分析建立 了钻具输送机构的动力学模型，并且通过仿真软件对模型进行了数值求解，分析 提拉绳索载荷与撑杆铰接位置和长度的关系， 研究机构表明提拉绳索载荷的降低 可以通过采用降低撑杆机构的长度的方式来实现， 提拉绳索载荷的降低会有效的 提升了钻具输送机构的运载能力，同时钻具输送机构运行状态也会更加平稳 [19]； 任得勇通过钻具输送机构三维模型的仿真分析，推导出机构关键部件速度、加速 度等关键数据 [20]；毛崎波利用 Adomian 修正分解法分析了双出层梁在受到轴向 力时的结构动态情况和自由振动情况 [21]； 国内对大跨度桥梁的非线性振动与稳定 性研究较多， 刘健新通过建立系统动力学模型研究了桥梁的设计参数对桥梁振动 特性的影响，并且总结了一些桥梁抑振的方法。李胜利等利用模态分析的方法得 出了整机振动的频率理论方程， 同时系统的分析了影响整机运行的各个参数对整 机稳定性的影响，但是没有提出切实有效的抑振方案 [22]。 1.2.21.2.2 钻具输送机构国外研究现状钻具输送机构国外研究现状 随着全球石油资源的大规模开采，越来越多自动化设备应用在钻探设备上， 国外关于钻具输送的研究与应用技术比国内领先很多年， 技术底蕴比国内丰厚了 吉林大学硕士学位论文 4 许多。在美国和德国等发达国家，钻井设备相关的制造企业对钻具输送机构进行 了很多研究，钻具输送机构已经成为国外先进钻探设备的核心组成设施之一，它 可以实现钻杆在钻井平台自动化的运输，