连续管注入头振动特性分析.pdf

:./.连续管注入头振动特性分析张启伟蒋希赟张艺豪李 兵(.成都航空职业技术学院 工程实训中心四川 成都 .四川宏华石油设备有限公司四川 成都)摘 要:为了解决连续管注入头在运行中的振动问题以某型号在用连续油管注入头集成装置为研究对象通过有限元模态分析的方法对注入头的振动特性进行研究 研究表明引发连续管注入头共振的主要因素为液压马达的振动当液压马达转速为 /时连续管注入头在 向易引起共振振动幅值为.与实际工况相吻合 通过该文研究可知在实际工作中如果出现由于注入头共振导致的振幅过大和异响等问题可以通过控制液压马达的转速或提升注入头的固有频率来降低箱体的振动关键词:连续油管注入头有限元分析模态分析中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):./.:引 言注入头可为提升和注入连续管提供动力在连续管作业机中扮演十分重要的角色 近年来大量学者对注入头进行了深入的研究 段文益等对连续管注入头的驱动方式进行了优化设计 卢雷对连续油管注入头夹持系统动力学特性进行了研究 周志宏等对连续管与夹持块干涉的应力应变分析进行了研究 胡志强等对注入头夹紧系统载荷分布均匀性进行了研究 李银银等对连续管注入头与滚筒液压系统的耦合动力学进行了研究 虽然各研究者对注入头研究较多但是对注入头的振动分析却很少 由于连续管注入头的结构十分复杂且在工作过程中容易因冲击振动产生无法预料的后果因此有必要对注入头的变形与振动特性进行分析笔者以某型号在用连续油管注入头集成装置为研究对象展开研究 该装置在运行过程中振动问题频发结合注入头的安装情况采用有限元软件进行建模和模态分析获得注入头在实际约束下的 应力、最大位移、固有频率以及在谐响应分析下的响应频率谱以此找到注入头振动的主要原因 注入头振动分析模型.注入头集成装置振动系统注入头集成装置振动系统主要包括液压马达、箱体、减速器、链轮、链条、夹持系统、张紧系统如图 所示图 注入头集成装置示意图 振动系统约束设置为箱体底部铰支约束 注入头工作中主要受液压马达和减速器输出轴周期性转动的激励内部产生不同形式的振动成为注入头集机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验收稿日期:作者简介:张启伟()男四川射洪县人硕士研究方向:石油天然气装备设计与仿真成装置最主要的振源 通过有限元的方法对装置进行静力学、模态、谐响应分析得出装置在正常工作时的应力、位移、各阶模态固有频率及振型 再在预应力模态分析的基础上进行谐响应分析判断装置在振源激励下是否容易发生共振.注入头载荷分析注入头主要承受的载荷包括链轮的张紧力、马达输出扭矩、减速器输出扭矩、箱体及其安装零部件的重力 链轮的张紧力来源于下链轮的张紧油缸和上链轮轴作用力根据注入头工作时的数据可知下链轮张紧液缸的作用力为 个张紧液缸的总作用力 总 液压马达重量为 转速 /最大输出扭矩为 由于有两台液压马达所以单侧链条的输出扭矩为计算值的一半考虑到轴承、链传动的效率为.减速比按照 计算减速及输出扭矩 减速器重量 转速/当连续油管运动速度为 /时连续管最大提升力为 因此单个支撑孔承受的力为 则减速器输出扭矩 .注入头激励源及其激励频率注入头的激励源来自于液压马达、减速器、链轮、链条、夹持系统等的机械振动其中液压马达和减速器输出轴周期性转动为主要激励源 液压马达的转速为 /减速器经减速输出轴的转速为 /因此各主要振源的最大激振频率如表 所列其中 为转速表 注入头主要振源最大激振频率/振源最大激振频率液压马达工作的振动/减速器经减速输出轴的振动/.从表 可以看出注入头从启动到正常工作中主要振源可能产生的激励频率区间分布在当注入头在最大转速状态运行时各主要振源可能产生的激振频率为 和.注入头实际运行中相应的激振频率区间分别为 和.注入头集成装置有限元分析.注入头有限元模型由于注入头内部的零件复杂为了提高计算效率和计算精度对注入头的结构进行简化:简化液压马达和减速器在特定位置用质量点代替简化箱体及链轮以外的细节结构简化螺栓、螺母、螺钉等细小零件.注入头有限元参数的设定注入头集成装置中箱体的材料为 其他零件的材料为 将各零件材料参数赋予给各相对应的零件.注入头有限元载荷施加与边界条件由于模型简化了液压马达和减速器其质量由特定位置的质量点替代注入头的约束及加载如图 所示 其中、和 处为螺栓销轴连接设置为仅周向运动的圆柱支撑液缸的缸筒相对活塞部分设置为仅能上下运动的无摩擦支撑在 和 处法向施加一组 的内力、和 四处均施加轴承载荷 减速机墙板施加扭矩 图 振动系统分析示意图 注入头集成装置有限元分析结果.注入头模态分析将注入头模型导入有限元软件中的 模块进行分析得到注入头正常工作时的最大应力为 最大变形为.接着以注入头静力分析为基础对存在预应力的注入头进行前 阶的模态分析各阶模态的自振频率如表 所列 前述计算得到的液压马达和减速机的转动频率分别为 、.可以看到注入头预应力模态的前 阶模态频率处于液压马达频率范围的附近而减速机转动频率与表 模态频率相差较远因此在后续的谐响应分析中不将减速器转动作为简谐载荷表 模态分析前 阶固有频率/阶数固有频率.前 阶不同模态的预应力振型如图 所示 从前 阶预应力振型中可以看出注入头在 阶和 阶研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用预应力振型中结构以底面为基础绕 转动主要振动区域为箱体上端部、链轮上部及液压马达、减速器连接区域且最大变形都为.在 阶预应力振型中结构以底面为基础绕 轴转动振动区域主要集中在箱体顶部和上面两个液压缸的位置且最大变形为.图 注入头预应力模态振型图.注入头谐响应分析在预应力模态分析的基础上进行谐响应分析谐响应分析通过扫频分析方法分析结构在不同频率和幅值下的简谐载荷响应从而探测共振 根据常用液压马达转速设置扫频频率为 在谐响应加载时在液压马达连接法兰板孔处施加液压马达转矩分解的简谐力载荷 并施加四个恒定的轴承载荷 体现注入头的最大拉力载荷 根据现场反映注入头振动主要为 方向的振动 将注入头谐响应分析中在 方向的振动数据进行整理获得注入头的最大 方向变形随频率变化曲线如图 所示图 各阶响应频率及相位角 从图 可以看出随着频率的增加幅值呈现先逐渐增大后逐渐减小的规律而相位角则是逐渐减小并且其斜率呈现缓陡缓的趋势 当频率为 、相位角为.时其幅值最大 此时注入头的最大应力为.向最大变形为.且注入头结构谐响应分析下的最大响应频率 与结构模态分析下的 阶预应力模态频率.非常接近 所以注入头在液压马达转速 /时在 向易引起共振 振动幅值为.结 论通过对连续管注入头的静力学、模态和谐响应分析得到了装置在运行过程中的当量应力、最大变形和前 阶固有频率以及对应的振型接着在预应力模态分析的基础上进行谐响应分析分析结果如下()连续管注入头在正常工作中的当量应力为 最大变形为.()通过模态分析可知减速器的转动频率对注入头的振动影响较小甚至可以忽略液压马达对注入头的影响较大()通过对连续管注入头谐响应分析可知当液压马达频率为 、相位角为.时注入头的最大应力为.方向的变形量最大为.且与实际工况一致()注入头在液压马达转速 /时在 向易引起共振应避免此次研究分析了连续管注入头在实际工作中振动的主要原因对后续注入头的结构优化和液压马达的选用具有重要意义参考文献:段文益刘平国刘菲等.连续管注入头驱动方式优化设计.石油机械():.卢 雷.连续管注入头夹持系统动力学特性研究.荆州:长江大学.周志宏彭雄文.连续管与夹持块干涉的应力应变分析.长江大学学报(自科版)():.胡志强刘 颖宋 杨等.注入头夹紧系统载荷分布均匀性研究.石油机械():.李银银周志宏曾 华等.连续管注入头与滚筒液压系统的耦合动力学.科学技术与工程():.邓 琳.连续管注入头箱体振动与主控因素分析.荆州:长江大学.机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验