旋挖钻机钻杆动力学特性及其非线性能量转迁减振研究

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1、旋挖钻机钻杆动力学特性及其非线性能量转迁减振研究旋挖钻机是一种应用广泛的桩工机械，具有岩土适应性强和施工环保的优点。钻杆是一个关键部件，既决定着钻机的性能又决定成孔质量，因此对钻杆进行相关研究有着重要意义，本文对旋挖钻机钻杆动力学特性及其非线性能量转迁减振进行了研究。考虑钻进过程中各种影响因素，即弯曲刚度、弯曲—扭转耦合、钻杆内外阻尼、泥浆产生的横向力、钻杆压弯耦合等，建立了钻杆在钻进过程中的动力学偏微分方程；采用有限差分法求解方程并分别考虑在钻头和动力头处的不同边界条件，得出了作用在钻头和动力头上侧向力表达式。通过数值仿真对影响钻杆在工作中侧向力和相位变化的有关因素进行研究，结果显

2、示，钻杆质量分布的变化对侧向力影响最大。侧向力的分析与计算，为钻杆设计参数的确定提供了理论依据。建立了钻杆等效模型的非线性动力学微分方程，用于研究钻杆的横向振动。采用变分方法得到模型的运动方程和相关边界条件下的非线性响应；采用无量纲化处理并得到钻杆模型的弯曲变形方程，求出临界弯曲载荷和相应的振型；采用多模态伽辽金法对非线性动力学微分方程进行离散，建立了弯曲参数的控制方程；采用多尺度法对钻杆模型横向内共振的非线性响应进行理论分析，通过数值模拟，表明在第一阶模态和第二阶模态之间发生了1:1的内部共振。对钻杆模型上安装非线性吸振器的系统进行建模并通过数值模拟分析了非线性吸振器刚度、安装位置

3、对能量转移的影响规律，表明合理地设计与放置非线性吸振器能较好地从钻杆中吸收和消耗能量，达到减振的目的，研究结果为钻杆横向减振设计提供了理论依据。建立了钻杆端部带非线性吸振器的钻杆纵向振动微分方程，通过数值变换研究纵向振动过程中钻杆与非线性吸振器之间的能量交换；通过计算相应时间段的高次谐波的变化进行能量交换过程的研究，证明了发生在钻杆和非线性吸振器之间的主共振模态的交互作用；通过数值分析计算，研究了吸振器与钻杆模型之间的能量转移，发现吸振器与钻杆之间的多模态共振的交互作用提高了能量转移的有效性；采用经验模态分解-小波变换的组合分析，捕获了产生瞬态共振的钻杆和非线性吸振器之间的交互作用，

4、证明了从杆件到非线性吸振器的被动能量转移的能力，同时表明非线性刚度使非线性吸振器能够在任意频率范围内与结构模态进行共振交互，揭示了非线性吸振器实现钻杆纵向减振的内在规律。通过频率—能量曲线图，研究了钻杆纵向振动在衰减过程中的能量转迁规律。证明了在钻杆端部加上一个非线性吸振器会对系统的动态产生全局的影响。研究结果为非线性吸振器的设计和实际应用提供了理论依据。针又tXR280DS挖钻机钻杆，设计了用于纵向减振的非线性吸振器，并按钻杆类型和工况进行了分类组合，首次在国内开展了较为全面的旋挖钻杆减振试验，结果表明：摩擦钻杆在各工况条件下减振效果非常明显，均达到55%以上，最高可达67.8%；

5、机锁钻杆减振效果也较明显，均达到30%以上，最高可达58.5%；吸振钻头的减振效果与加压力密切相关，但并非呈线性关系，设计非线性吸振器时应考虑其最佳适应工况。试验结果同时也证明了理论分析的正确性。