CC BY
11
УДК 622.24:681.523
ДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ БУРИЛЬНОЙ МАШИНЫ
В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ СКВАЖИН
М. В. Дулова Научный руководитель - В. Г. Жубрин
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Рассмотрена задача математического моделирования рабочего оборудования бурильной машины, позволяющая провести анализ динамической нагруженности элементов его конструкции в процессе бурения скважин. Машина составляет часть технологического комплекса строительства объектов аэропортов и космодромов.
Ключевые слова: амплитудно-частотная характеристика, собственная частота колебаний, момент инерции, жёсткость, демпфирование.
DYNAMIC ANALYSIS OF WORKING EQUIPMENT OF BORING MACHINE IN THE PROCESS OF WELL-DRILLING
M. B. Dulova Scientific Supervisor - V. G. Zhubrin
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
The task of mathematical design of working equipment of boring machine, allowing to conduct the analysis of the dynamic loading of elements of his construction in the process of well-drilling, is considered. A machine makes part of technological complex of building of objects of airports and space centers.
Keywords: the Gain-frequency characteristic, eigenfrequency of vibrations, moment of inertia, inflexibility, damping.
Создание высокоэффективной техники в машиностроительной отрасли немыслимо без динамического анализа их конструкций на стадии проектирования. Выполнение подобных исследований зачастую возможно лишь с использованием методов математического моделирования.
В докладе рассматривается частная задача моделирования колебаний рабочего оборудования бурильной машины (рис. 1) в поперечно-вертикальной плоскости.
Данный вид техники широко используется при сооружении свайных оснований зданий и сооружений, мостовых опор, виадуков и других объектов, составляющих инфраструктуру аэропортов.
Бурильное оборудование смонтировано на базе гидравлического экскаватора и состоит из следующих узлов: буровой штанги 1, механизма перемещения штанги 2, погружного привода вращения инструмента 3. рамы поворотной 4, упора 5, стрелы 6, гидроцилиндров поворота 7 и подъёма стрелы 8.
Приведённые расчётные схемы бурильной машины представлены на рис. 2.
Система уравнений описывающих колебания бурильной машины:
¿пр фэк + Kпр Фэк + Спр Фэк = MA - MQ ;
J ^ + J ^ + Р^ ^ = qx - * д 2 Х
y &4 y at&24 r &22 Jx &22
Секция «Проектирование машин и робототехника»
с13 х
Ид = - Щ До -32; Чх = р^ ДО Фэк ,
где фэк - угловое перемещение поворотной платформы вокруг её шарнира; ЕЩ - жесткость верхней части штанги при изгибе в плоскости X202Z2; Ц - коэффициент затухания колебаний верхней части штанги р^ - погонная масса верхней части штанги; х2 - координата изогнутой оси верхней части штанги в её колебании направлении О2,Х2 зависящее от времени t и от текущей координаты Z2; Д0 -радиус - вектор ОО2.
Спр
к,
пр
Рис. 1. Бурильная машина
МА Ма
02
Х2
б
Рис. 2. Приведенные расчётные схемы бурильной машины: а - при колебаниях поворотной платформы вокруг оси 0Z; б - верхней части буровой штанги в плоскости Х20222; ид - реакция от верхней части штанги в точке защемления; иа - приведенный реактивный момент, действующий на штангу со стороны грунта; щпр - приведенный момент инерции экскаватора и механизма подъёма - опускания; Спр, кпр - приведенные жёсткость и коэффициент демпфирования части штанги, находящейся выше механизма перемещения; чх - распределённая инерционная нагрузка, действующая на верхнюю часть штанги
Начальные условия: при t = 0 фэк = 0; фэк = 0; х2 (г2, 0) = 0; х2 (г2, 0) = 0. Для решения системы уравнений использовался приближённый метод А. Н. Крылова [1; 2]. В качестве внешнего воздействия со стороны разрушаемого грунта принят крутящий момент (MA), имеющий импульсный характер с частотой ю от 2,0 до 9,0 с-1 [3].
Анализ динамической модели позволил определить первую p1 и вторую p2 собственные частоты колебаний для различных глубин бурения, а также построить амплитудно-частотные характери-
а
стики (АЧХ) машины при глубине бурения от 1,0 до 2,0 м (рис. 3 и 4). На графиках АЧХ видны две ярко выраженные резонансные зоны: низкочастотного резонанса, в диапазоне частоты внешнего воздействия 3,0 с1 < ю < 4,5 с1, и высокочастотного резонанса при 5,5 с1 < ю < 8,7 с1. Амплитуды колебаний платформы фэк и верхнего конца штанги / достигают значений 0,016 рад и 0,76 м соответственно. При данных значениях динамические нагрузки могут превысить несущую способность элементов конструкции машины.
а о -е
ч а а н о а
о «
о
а
§
и
^
Л
Ч
0.004
4 р 6 7 8 9
П
Частота изменения внешнего воздействия, 1/с Рис. 3. АЧХ поворотной платформы
и г н а т
й и
ю
е л
§
а д
&
л п
0.80
О.бО
ОАО
0,20
3 4 р & 6 ? 8 9 ¿2*
Частота изменения внешнего воздействия, 1/с
Рис. 4. АЧХ колебаний верхней части штанги
Библиографические ссылки
1. Филиппов А. П. Колебания деформированных систем. М. : Машиностроение, 1970. 736 с.
2. Пановко Я. Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. Л. : Машиностроение, 1976.
320 с.
3. Разработка сезонно-мерзлых грунтов Восточной Сибири траншейными экскаваторами / С. И. Васильев, С. П. Ереско, В. Г. Жубрин и др. // Красноярск : Изд-во СФУ, 2010. 140 с.
© Дулова М. В., 2016
