ZJ15钻机底座的振动测试

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1、ZJ15钻机底座的振动测试分析ZJ15钻机是目前大庆油田钻井的主力钻机。提高钻井效率，缩短工作周期以提高效益已是广大钻井队的共同目标。要实现这一目标,提高钻井速度是常用的方法,即采用四挡钻进来代替原来的三挡钻进；另外，对于小井眼钻井来说，采用四挡钻进较经济合算。但是，该型钻机采用四挡钻进时，钻台的振动比采用三挡时更强烈，有时甚至影响正常钻进。强烈的振动会影响底座的疲劳寿命，降低钻井工作的安全性，同时对钻台面上的设备也造成不利影响。因此，寻找底座振动强烈的原因，采取合适的减振措施以降低底座的振动强度很有必要。笔者已在文献［1］里从模态分析的角度研究了底座振动强烈的原因

2、，现以整个钻井过程的测试数据为依据，分析各种振源因素对底座振动的影响。多种振源及振动频率特征　　ZJ15钻机底座上的电动机、变速箱、万向轴、转盘及绞车等都是旋转设备，任何一个转动部分出现不平衡或不对中时，都会引起设备和底座的振动。在变速箱里除了齿轮轴外，还有轴承和多个相互啮合的齿轮对，由于野外钻井的工作条件和工作环境比较恶劣，这些部位容易产生故障而引起振动；变速箱与转盘之间用万向轴联接，万向轴与钻台面之间存在7°的夹角，万向轴的轴线与变速箱的输出轴和转盘的输入轴存在相同的夹角，即在两个联接处存在轴线不对中问题。根据文献［2］知，转子不对中的振动特征频率为2倍工作频率

3、，常伴频率为工作频率和3倍工作频率；由于万向轴两端本身还存在2倍工作频率的成分，故还存在4倍工作频率和6倍工作频率的伴随频率成分。因所测方钻杆有轻微弯曲，若将方钻杆看成弓形转子，按照文献［2］，其振动特征频率为工作频率，常伴频率为2倍工作频率；若将方钻杆看成不平衡的转子，则其振动特征频率为工作频率。另外，钻杆柱的纵振和扭振，以及刮刀钻头的不平稳转动都可能对底座的振动有一定的影响。刮刀钻头在工作过程中产生的转动频率的基频为钻杆柱工作频率的3倍；钻铤纵振基波的自然频率F1和扭振基波的自然频率F2分别为　　(1)式中　A1——钢的拉、压波速，A1=5135.94m/s；

4、　　　A2——钢的剪力波速，A2=3246.16m/s； 　　　L——钻铤长度，m。 取L=14×9=126m，利用式（1）可求得钻铤的纵振基频为10.2Hz，扭振基频为6.44Hz。现将多种振源的工作频率、常伴频率及振动方向列于表1。表1　底座多种振源的工作频率及常伴频率　　Hz　部件三挡四挡振动方向工作频率常伴频率工作频率常伴频率电动机12.33324.66612.33324.666HH,V变速箱 输入轴12.33324.66612.33324.666HH，V变速箱 输出轴9.530 6.74019.06 13.4817.72935.458HH,V猫头轴2.54

5、75.0944.7384.738HZ,V万向轴9.530 19.0628.590 38.120 47.650 57.18017.729 35.45853.187 70.916 88.645 106.370HH,HZ,V转盘输 入轴9.530 19.06038.120 47.65017.729 35.45870.916 88.645HH,V钻杆2.66285.32584.9549.907HH,HZ钻铤扭振 及纵振10.20 6.44—10.20 6.44—HH,HZ,V钻头7.988—14.86—HH,HZ　　注：底座前台到后台方向为水平纵向，以HZ表示；与之水 平垂

6、直的为水平横向，以HH表示；V表示垂直方向。 　　由于变速箱与转盘里的齿轮长期工作在恶劣的环境中，很容易造成齿轮的磨损等故障，当齿轮工作时会引起振动，与各转动件相联接的轴承也可能存在故障从而引起振动。当齿轮和轴承存在故障时，它们的振动特征频率都比较高，而对该底座进行测试时所用的是891—2型拾振器，其频率范围在100Hz以内，所以笔者未对齿轮和轴承的振动情况作出分析。数据采集及分析点的选取　　为了解底座上多个关键部位的振动情况，以及各部位在各种钻井工况、井深范围及地质条件下的振动情况，在底座上布置了较多的测点（垂直方向布置了36个测点；水平方向8个测点，其中前台和后

7、台各有2个横向测点、2个纵向测点），并在整个钻井过程中选了4个测试段：井深180～200m，地质疏松；井深580～620m，地质软；井深820～840m，地质中硬；井深1050～1070m，地质硬。在每个测试段内，分别采用三挡、四挡钻进，并进行数据采集。所有数据的采样频率为2000Hz，低通滤波器的高限频率为200Hz，采样长度为15×1024=15360点。因钻井工作人员直接感受到的是钻台的振动，所以在进行垂直方向分析时，在底座前、后台各取一点，前台测点位于绞车和转盘之间、万向轴左上方靠近绞车处，后台测点位于变速箱左侧上船靠近变速箱的边上；水平横向和水平纵向测