海床式取芯钻机模态分析及其控制理论研究

The seabed drilling rig has been used in marine geological survey. However, the dynamic characteristics of seabed rig in the coring process need further intensive study. The applicant's preliminary study found that there is high risk of resonance of drilling system in the process of coring. In this project, the seabed drilling coring rig system will be studied. Rigid-flexible multi-body and multi-field coupling kinetics during the deep-hole drilling sampling process of seabed will be explored with the establishment of the system simulation model and the performance of the experimental modal analysis. In addition, the inherent modal shape and the vibration distribution characteristics of the rig drilling process will be analyzed in order to find out the drilling mechanism and influencing factors of coring and to avoid the frequency band which cause the equipment resonance. Relying on the established distribution information library of important characteristic quantities, e.g. critical drilling pressure, critical rotation speed, buckling mode and vibrating mode, etc, the measures for utilizing and suppressing adverse vibration factors will be developed. The innovations of this project include the first-proposed dynamics study of coring process under seawater environment and the idea of building the drilling dynamic characteristic information database system based on modal analysis. The study will address the difficulty of seabed coring, and provide theoretical and experimental evidence for intelligent drilling rig.

海床式钻机已应用于海洋地质调查中，但其在取芯过程中动态特性方面的研究有待进一步深入。申请者前期研究发现，钻进过程中系统存在产生共振的风险。本课题以海床式钻机为研究对象，通过建立系统仿真模型，开展计算模态和实验模态分析，重点探索海底深孔勘探取样过程中钻柱的刚（柔）多体、多场耦合动力学规律，分析钻进过程中钻柱和钻塔的固有模态及振型的分布特征，找出岩芯（样）采集的作用机理和影响因素，规避引起设备共振的频带。依托建立的钻机临界钻压、临界转速及屈曲模态、振动模态等重要特征量的分布信息库, 制定利用和抑制不利振动因素的措施。课题创新性有：提出了海水环境下的取芯过程动力学研究；提出了基于模态分析的钻进系统动态特征信息库构建。研究将解决海底取芯难题，为海床式钻机的智能化钻进提供理论与实验依据。

海床式钻机设计缺乏取芯过程动态特性方面的研究，系统存在安全隐患，取芯质量难以保证。基于此，团队提出了“海床式取芯钻机模态分析及其控制理论研究”。.本课题为面上基金转主任基金，由于研究时间从原来的4年调整为1年，所以项目任务书研究内容作了较大变更。课题组严格按照任务书规定的任务完成了全部研究工作。.课题从取芯钻头/钻柱的理论模态与实验模态、钻塔的理论模态与实验模态、动力头与钻柱的相互作用及影响、动力头和钻塔的相互作用及影响等方面展开了理论和实验研究。首先以1-10m钻柱为样本进行了理论模态与实验模态研究，通过结果比对，调整改进理论模态分析的假设条件和边界条件，使理论计算模态的分析结果与实际情况相符，在此基础上，开展了长钻柱的计算模态分析。为保证实验模态数据处理的高效可靠，课题提出了一种数据修正算法，并编制了相应算法程序。同时，为保证长钻柱计算模态的正确性，课题完成了基于相似原理的钻柱动力学特性模拟实验台。.上述工作取得的主要研究结论如下：（1）得出了钻柱固有频率与钻柱结构参数之间的关联模型，该模型很好地反映了钻柱各阶固有频率与钻柱长度、钻柱结构以及材料特性等因素的关系。（2）构建了钻塔有限元模态理论模型，研究了桅杆式钻塔在自由状态和约束条件下的固有频率、振型等特征，分析了钻进过程中，动力头在钻塔上移动过程中，对钻塔固有模态特征的影响。（3）钻杆柱横向振动的固有频率成分主要是在0~6HZ，有可能与动力头启动阶段的回转激励频段相同，从而引起钻柱的横向共振，而钻杆纵向固有频率和扭转固有频率与动力头的输出频率相差较大，因而不会引起共振。（4）钻柱的横向振动来源于第6阶之后的频率充分，而且阶数越高其对应的振幅越小，对钻进的影响逐阶降低。（5）钻塔在约束条件下模态频率要比对应的自由模态的频率和振幅值小，实际工作中，钻塔模态频率与动力头工作激振频率有频带重叠；（6）避免或缓解钻杆柱发生横向共振的方法有：调节动力头输出转速以避开各阶临界转速；让动力头在空载下启动，转速稳定后再与孔底岩石接触，并逐步增大钻压至要求的压力值，将有助于减少激振；提高制造和安装精度，降低钻机由此造成的激振影响。.通过本课题研究，初步建立了钻机临界钻压、临界转速及屈曲模态、振动模态等重要特征量的分布信息库, 制定了利用和抑制不利振动因素的措施，为后续钻进取芯过程的自适应控制和钻进智能化奠定了工作基础。