导向钻井工具稳定平台骨架减振环敏感性参数研究_王乐.pdf

收稿日期：20220926导向钻井工具稳定平台骨架减振环敏感性参数研究王乐，孙鹏，白儒林（西安石油大学 机械工程学院，西安710065）摘要：在导向钻井工具稳定平台中，由于稳定平台内存在各种电子元器件，这些电子元器件在经过长时间且复杂的振动后会导致稳定平台产生共振或者疲劳，故而对稳定平台进行减振性能分析就显得十分必要，对骨架减振环敏感性参数进行了分析研究。运用Solidworks软件建立减振环的三维模型，并且利用仿真软件进行减振环的动刚度和损耗因子研究，根据在仿真软件中得到的结果，在Origin软件中利用得到的数据作出其动刚度和损耗因子的影响曲线图，分别研究了减振环内径、外径和高度对减振环动刚度和损耗因子的影响，同时研究了激励频率和激励振幅对减振环动刚度和损耗因子的影响。经过分析可以得出在仿真考虑的因素内，减振环的动刚度对外径、内径、高度的敏感程度为：内径外径高度，且激励频率和激励振幅对减振环动刚度和损耗因子的影响可以忽略不计。关键词：稳定平台；减振环；动刚度；损耗因子中图分类号：TE921文献标志码：A文章编号：10099492(2023)03013103Study on Sensitivity Parameters of Vibration Reduction Ring for Stabilized PlatformFramework of Guided Drilling ToolsWang Le，Sun Peng，Bai Rulin（School of Mechanical Engineering,Xian Shiyou University,Xian 710065,China）Abstract:In the stabilized platform of the guided drilling tool,there are various electronic components in the stabilized platform,which willcause resonance or fatigue of the stabilized platform after a long and complex vibration.Therefore,it is necessary to analyze the vibrationreduction performance of the stabilized platform.The sensitivity parameters of the skeleton damping ring were analyzed and studied,Solidworkssoftware was used to establish the three-dimensional model of the damping ring,and the Ansys software was used to study the dynamic stiffnessand loss factor of the damping ring.According to the results obtained in the simulation software,the Origin software used the data obtained todraw the influence curve of the dynamic stiffness and loss factor,and respectively studied the influence of the inner diameter,outer diameterand height of the damping ring on the dynamic stiffness and loss factor of the damping ring.At the same time,the effects of excitation frequencyand amplitude on the dynamic stiffness and loss factor of the damping ring were studied.According to the analysis,among the factorsconsidered in the simulation,the sensitivity of the dynamic stiffness of the damping ring to the outer diameter,inner diameter and height is:inner diameterouter diameterheight,and the influence of the excitation frequency and amplitude on the dynamic stiffness and loss factor ofthe damping ring can be ignored.Key words:stabilized platform;damping ring;dynamic stiffness;loss factor2023年03月第52卷第03期Mar.2023Vol.52No.03机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.03.026王乐，孙鹏，白儒林.导向钻井工具稳定平台骨架减振环敏感性参数研究 J.机电工程技术，2023，52（03）：131-133.0引言旋转导向钻井技术是一项以旋转导向钻井系统为核心的尖端钻井技术1。旋转导向钻井技术具有钻井效率和安全性高，井眼质量好，岩屑不易沉积摩阻小，能适应恶劣环境和复杂地质情况，位移延伸能力强，更加智能化和自动化等优点2。在钻井过程中，由于钻头破岩特点，使得井下钻柱产生纵向、横向和扭转的冲击振动，尤其在钻进硬地层或软硬夹层时更为剧烈，而导向钻井工具的稳定平台安装在其内部，通过螺栓的传递也会产生复杂的振动形态，同时电子仓内含有各种电子元器件，这些电子元器件在经过长时间且复杂的振动后会导致稳定平台产生共振或者疲劳，从而使其测量不精确，井眼不能按照预定轨迹进行石油钻井3-5。因此对稳定平台内骨架的减振环进行敏感性参数研究，从而确定减振环的哪一个参数对减振环影响最大，最后根据研究成果进行减振环的结构优化，已达到最佳的减震效果。本文主要对稳定平台内的横向减振环进行敏感性参数研究，并且减振环材料选用氟橡胶材料，相较于其他橡胶材料，氟橡胶具有耐高温、耐腐蚀等特性，可以在井下这种苛刻的环境中使用，并且这对于提高钻井效率和安全性、提高井眼质量。使钻眼能够按照预定的轨迹131进行钻进具有重要的意义，同时也对提高电子元器件的使用寿命和控制精度具有重要作用。1减振环材料的选择橡胶材料是一种高分子聚合材料，具有较大的阻尼系数，常常被制作成不同形状和结构的减振元件，并且广泛应用在汽车、船舶、军工、航天、石油等领域6。由于旋转导向钻井工具所使用的环境，处于高温高压环境中，所以对于橡胶的耐高温性能有着强烈的要求。而橡胶分子结构对橡胶耐高温性能起决定性作用，在具有腈基、酯基和氟原子等极性基因的橡胶均可改善橡胶材料的耐高温性能，故具有机型基因的氟橡胶、氢化丁腈橡胶和硅橡胶等都具有良好的耐高温性能。氟橡胶是一种性能优异的合成高分子弹性体，其主链或侧链的碳原子上连接有氟原子。氟原子的存在赋予了氟橡胶优异的耐热性能、抗氧化性能、耐油性能和耐腐蚀性能等，使得氟橡胶在航空航天、机械、石油、汽车和军事等众多领域得到广泛应用，成为现代工业尤其是高技术领域不可或缺的重要材料，并且氟橡胶制品可在高温、高压以及油类和强腐蚀介质存在的苛刻环境中使用。氟橡胶分子链中的侧基含有氟原子，且其碳链已饱和，属于碳链饱和的极性橡胶，侧基中的氟原子的极性强，C-F键键能高，且键长短，从而使得氟橡胶具有优异的耐高温性能，并且在橡胶材料中，它的耐高温性能是最好的，一般情况下可以耐受250 的高温环境，短时间内也可在300 的高温下使用，同时，氟橡胶还具备卓越的耐腐蚀性能及耐化学药品的性能7。基于氟橡胶的这些特性，故此本文中的减振环材料选用氟橡胶。2建立减振环模型本文使用的氟橡胶减振环安装于电子仓骨架的安装槽上，承载着内筒与骨架的作用力。当导向钻井工具振动时，带动减振环径向位移，可以减小骨架的横向振动；氟橡胶纵向减振环安装与骨架的下端，相当于弹簧系统一样，在钻井时可减缓工具振动引起的纵向振动，更好地保护电子仓内的电子元器件。减振环的具体结构参数如表1所示。3建立减振环的有限元模型本文使用的减振环材料为氟橡胶，密度为1 820kg/m3，仿真中使用的超弹性本构模型为Neo-Hookean模型8-10。因为橡胶材料是一种黏弹性阻尼材料，在承受动态载荷情况下会发生存储能量的弹性行为和耗散能量的黏性行为，故黏弹性本构模型为3阶Prony级数表示的广义Maxwell模型。减振环的网格划分采用软件中自带的 Mesh功能进行网格划分，为提高计算精度使得结果更加接近真实情况，在Details of“Mesh”对话框中将“Relevance”调至 50，并修改“Sizing”参 数，将 Sizing 下 的“Relevance Center”设置为“Fine”来提高网格质量，并且为了在保证计算结果准确性的前提下，通过更改设置以适当减少计算时间，通过设置 Sizing 下的“Use Advanced Size Function”来更改划分方法，将“Use Advanced Size Function”设置为“On:Curvature”，最后进行网格的生成，结果如图1所示。仿真时对于边界条件的设置对仿真结果有着很大的影响，本文中，考虑到减振环的实际安装条件，在有限元仿真中对其添加合适的边界条件和载荷。减振环的内环与电子仓骨架配合，内环面卡在骨架的卡槽上，减振环外环与内筒内壁接触，因此在设置边界条件时设置减振环内环与电子仓骨架的约束为固定约束，外环与内壁的约束方式为Bonded。减振环在进行工作时，振动会经过内筒传递到减振环外环面上，所以在动态特性仿真时，将随时间缓慢增大的动载荷沿着径向方向加到外环面上。在减振环外环面上施加激励频率 64 Hz、振幅为1.2 mm的激励，基准尺寸为上述尺寸进行仿真。经过有限元软件的仿真结果，可以得出减振环的形变与力的迟滞环，经过下一章所述公式可以计算出减振环的动刚度和损耗因子。4减振环动刚度和损耗因子计算公式因为橡胶材料是一种黏弹性阻尼材料，在承受动态载荷情况下会发生存储能量的弹性行为和耗散能量的黏性行为，而又由于黏弹性材料的应变落后于材料的应力，所以会出现应力-应变滞回曲线。氟橡胶硅油组合减振环在周期性载荷作用的条件下，会受迫产生周期性振动，出现的应力-应变曲线的面积就表示的是周期内损失的能量，并且形变和载荷之间也会形成迟滞环11-12。查阅文献13可知，可用损耗因子=tan来表示橡胶材料阻尼能力，所以本文中采用的氟橡胶硅油组合减振环的阻尼特性由损耗因子的大小反映。动刚度是指材料抵抗动态变形的能力，表示为引起单位动形变所需要的动态力，是衡量结构抵抗外界动载荷的能力，尤特别结构参数内径外径高度尺寸/mm669050表1减振环的具体结构参数图1减振环网格划分结果2023年03月机 电 工 程 技 术第52卷第03期132的，对于橡胶这种减振元件，动刚度常常用来表征其减振性能的大小。本文通过查阅文献14-15给出的椭圆法来求解动刚度和损耗因子，当黏弹性阻尼系统受到简谐载荷时，由于其阻尼力与弹性力正交，以及传递力由阻尼力和弹性力合成的原则，可以从力-变形迟滞环（图2）中可以直接得到动刚度和损耗因子，因为当位移达到最大值Xmax时，对应的传递力等于弹 性 力，当 位 移 为 零时，阻尼力Fd达到最大值，此时对应的传递力等于阻尼力。根据图2，可以算得动刚度Kd为：Kd=FmXmax=BCAB式中：Fm为最大变形量时对应的传递力；Xmax为最大变形量。损耗因子的计算公式为：=FdFt5减振环动刚度和损耗因子影响因素5.1内径对减振环动刚度和损耗因子的影响保证外径、高度的基准值不变，分别改变内径的尺寸为62、64、66、68、70 mm，对减振环进行动态仿真，可以得出内径对减振环动刚度和损耗因子的影响，如图3所示。由图可知，随着内径的逐渐增大，仿真动刚度也在逐渐增大，并且增大的速率逐渐升高。在6270 mm的变化范围内，减振环的动刚度增大了159.214%，但是减振环的损耗因子基本上不发生变化。5.2外径对减振环动刚度和损耗因子的影响保证内径、高度的基准值不变，改变外径的尺寸：86 mm、88 mm、90 mm、92 mm、94 mm，对减振环进行动态仿真，可以得出外径对减振环动刚度和损耗因子的影响，如图 4 所示。由图可知，减振环动刚度随着减振环外径的增大而逐渐减小，并且减小的速率逐渐变缓。在8694 mm的变化范围内，组合减振环的动刚度减小了 45.746%，而减振环的损耗因子随外径的变化不明显。5.3高度对减振环动刚度和损耗因子的影响保证内径、外径的基准值不变，改变高度的 尺 寸：46 mm、48mm、50 mm、52 mm、54 mm，对减振环进行动态仿真，可以得出高度对减振环动刚度和损耗因子的影响，如图 5所示。由图可知，随着高度尺寸的增大，减振环动刚度和损耗因子均没有明显变化，那么可以说明高度对减振环的动刚度和阻尼特性影响不明显。5.4激励频率对减振环动刚度和损耗因子的影响保持减振环尺寸不变，在振幅为 1.2 mm 时，对其分别开展频率为16 Hz、32 Hz、64 Hz、128 Hz、256 Hz的动态仿真，仿真中的其他设置不变，研究外界的激励频率对减振环动刚度和损耗因子的影响，如图6和图7所示。由图6可知，当振幅一定时，氟橡胶减振环的动刚度随着激励频率的增大而增大，并且增大的幅度均是逐渐减小的。由图7可以看出，减振环的损耗因子随着激励频率的增大而增大，且增大的速率逐渐变缓。对比图6和图7，可知外界激励频率对减振环损耗因子的影响大于其对动刚度的影响。5.5激励振幅对减振环动刚度和损耗因子的影响保持减振环尺寸不变，在频率为64 Hz时，对其分别开展振幅分别为0.1、0.2、0.4、0.8、1.2 mm的动态仿真，仿真中其他的设置不变，研究外界的激励振幅对减振环动刚度和损耗因子的影响，如图8和图9所示。由图8可知，当频率一定时，减振环的动刚度随着外界激励振幅的增大整体上呈现增大的趋势，但是增大的幅度不足1%。由图9可知，氟橡胶减振环的损耗因子基本上不随着外界激励振幅的变化而变化。即激励频率和激励振幅对氟橡胶减振环动刚度和损耗因子的影响可以忽略不计。图2力-形变迟滞环图3内径对减振环动刚度和损耗因子的影响图4外径对减振环动刚度和损耗因子的影响图5高度对减振环动刚度和损耗因子的影响图6激励频率对减振环动刚度的影响图 7激励频率对减振环损耗因子的影响（下转第240页）王乐，孙鹏，白儒林：导向钻井工具稳定平台骨架减振环敏感性参数研究1334 马娟娟.全自动包装机器人系统的研制D南京:南京航空航天大学,2011.5 ONAQA E.High speed packaging robotJ.Robot,1997(119):12-17.6 刘建平,杨继航.自动化技术在粉体工程上的应用M.北京:清华大学出版社,2012.7 日本纽朗全自动上袋机3CM-P高速型3CM-6-LG型 使用手册Z.NEWLONG 工业公司,2007.8 SPENCER R.Robots offer speed and flexibility in packaging applicationsJ.Robotics World,2003,21(8):8-9.9 常州科教城.常州市万台机器人进企业计划Z.2014.10 卢志珍.基于全自动包装码垛生产线控制系统设计D.无锡:江南大学,2008.11 ABB使用手册Documentation-RobotWare-OSZ.ABB上海工程有限公司.12 TURCU C,TURCU C,GAITAN V.Integrating robots into theinternet of things J.International Journal of Circuits,Systemsand Signal Processing,2012,6(6):430-437.13 NARA E,COSTA M,BAIERLE I C,et al.Expected impact ofindustry 4.0 technologies on sustainable development:a studyin the context of brazils plastic industryJ.Sustainable Production and Consumption,2020.14 CHINELLO F,SCHEGGI S,MORBIDI F,et a1.KuKA controltoolboxJ.Robotics and Automation Magazine,201l,18(4):69-79.15 REGUEMRA P,DOMINGUEZ M,ALAIZ H,et al.Remote operation of ABB IRB 1400 S4 robot over the intenetJ.1FAC Proceedings VoIumes,2006,39(6):505-510.16 金晓宁,郑丽华.发动机装配中的柔性机器人螺栓拧紧系统J.机械工程与自动化,2006(2):75-77.作者简介：赵深学（1973-），男，博士研究生，工程师，研究领域为先进制造（国家智能化大型装备产业）。（编辑：张楠）6结束语当外界激励一定时，氟橡胶减振环的动刚度随着减振环外径尺寸的增大而减小，并且减小的速率逐渐变缓；随着内径增大，氟橡胶减振环的动刚度也逐渐增大；并且氟橡胶减振环高度的改变对其动刚度的改变没有明显影响。同时，在本次仿真考虑的因素内，氟橡胶减振环的动刚度对外径、内径、高度的敏感程度为：内径外径高度。当氟橡胶减振环尺寸和外界激励频率一定时，外界激励振幅的改变所引起的减振环动刚度的改变不足1%，小于5%。而损耗因子基本上不随着外界激励振幅的变化而变化。因此可以得出激励频率和激励振幅对氟橡胶减振环动刚度和损耗因子的影响可以忽略不计。当氟橡胶减振环尺寸和外界激励振幅一定时，氟橡胶减振环的动刚度随着外界激励频率的增大而增大，并且增大的速率渐缓，并且外界激励频率对氟橡胶减振环损耗因子的影响大于其对动刚度的影响。参考文献：1 狄勤丰.旋转导向井下闭环钻井技术M.西安:西安科学技术出版社,1999.2 李耀东.旋转导向钻井工具稳定平台控制理论与方法研究D.西安:西安石油大学,2012.3 彭勇,闫文辉,李军强.旋转导向钻井工具执行机构推靠力分析J.石油机械,2005,33(11):24-28.4 闫文辉,彭勇,张绍槐.旋转导向钻井工具的研制原理J.石油学报,2005,26(5):94-97.5 汤楠,穆向阳.调制式旋转导向钻井工具稳定平台控制机构研究J.石油钻采工艺,2003(3):9-12.6 季美琴,张晓莲,张焕,等.氟橡胶摩擦性能的研究进展J.橡胶工业,2021(5):385-392.7 薛琰.氢化丁腈耐高温橡胶性能研究及应用D.扬州:扬州大学,2021.8 明杰婷.橡胶材料黏弹性本构模型的研究及其在胎面橡胶块上的应用D.长春:吉林大学,2016.9 陈家照,黄闽翔,王学仁,等.几种典型的橡胶材料本构模型及其适用性J.材料导报,2015,29(S1):118-120.10 初红艳,孙冬明,陈其,等.橡胶超弹-黏弹模型建立及结构动态响应J.北京工业大学学报,2019,45(10):927-936.11 卢子广,周永华.自动控制理论M.北京:机械工业出版社,2009.12 米志安,黄艳华,苏正涛,等.周期载荷下的阻尼硅橡胶动态黏弹性研究J.特种橡胶制品,2011,32(1):33-35.13 伍魏明.环形橡胶硅油组合式减振器刚度与阻尼特性研究D.南京:南京航空航天大学,2018.14 张良,李忠华,马新强.橡胶Mooney-Rivlin超弹性本构模型的参数特性研究C/中国振动工程学会第二十八届全国振动与噪声高技术应用学术会议,2018:427-430.15 初红艳,孙冬明,陈其,等.橡胶超弹-黏弹模型建立及结构动态响应J.北京工业大学学报,2019,45(10):927-936.第一作者简介：王乐（1997-），男，陕西西安人，硕士研究生，研究领域为石油钻采装备自动控制技术。（编辑：王智圣）图9激励振幅对减振环损耗因子的影响图8激励振幅对减振环动刚度的影响（上接第133页）2023年03月机 电 工 程 技 术第52卷第03期240