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: v2551439@gmail.com
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: v2551439@gmail.com
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
