山地物探电动钻机振动稳定性分析及结构优化

马亚超; 赵海全; 杨学军; 黄志强

doi:DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.011

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

山地物探电动钻机振动稳定性分析及结构优化

·优化·可靠性· | 更新时间：2025-11-26

- 山地物探电动钻机振动稳定性分析及结构优化
- Vibration stability analysis and structural optimization of mountain geophysical electric drilling rigs
- 机械强度 2025年47卷第11期页码：89-97
- 作者机构：
  
  1.西南石油大学机电工程学院，成都 610500
  2.西南石油大学石油天然气装备教育部重点实验室，成都 610500
- 作者简介：
  
  MA Yachao, E-mail: mayachao1206@163.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(51904263)
- DOI：DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.011
  中图分类号： TE922
- 收稿：2023-12-28，
  
  修回：2024-02-27，
  
  纸质出版：2025-11-15
- 稿件说明：
移动端阅览
马亚超，赵海全，杨学军，等. 山地物探电动钻机振动稳定性分析及结构优化［J］. 机械强度，2025，47（11）：89-97.

MA Yachao，ZHAO Haiquan，YANG Xuejun，et al. Vibration stability analysis and structural optimization of mountain geophysical electric drilling rigs［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（11）：89-97.
马亚超，赵海全，杨学军，等. 山地物探电动钻机振动稳定性分析及结构优化［J］. 机械强度，2025，47（11）：89-97. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.011.

MA Yachao，ZHAO Haiquan，YANG Xuejun，et al. Vibration stability analysis and structural optimization of mountain geophysical electric drilling rigs［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（11）：89-97. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.011.

摘要

油气资源勘探逐渐由汽油或柴油驱动向电力驱动发展，但传统的山地物探电动钻机在工作时振动大，严重影响了电动钻机工作稳定性。基于此，以山地物探电动钻机为研究对象，采用有限元仿真分析与试验相结合的方法，开展了电动钻机振动稳定性分析及结构优化。仿真结果表明，优化前电动钻机的第7、8、9阶固有频率均处于共振范围内，最大振动位移处于桅杆上，且沿

轴方向最大位移为5.9 mm，严重影响钻机的稳定性。对钻机的减速器类型、底座结构和拉杆位置进行优化后，钻机的最大固有频率较优化前降低22.6%，均避开了共振范围，且

轴方向最大振动位移为2.9 mm，较钻机优化前降低50.8%。现场试验表明，工作稳定后钻机的转矩在670 N·m上下小幅度波动，桅杆在

、

方向振动加速度分别在±0.37、±0.25、±0.04 m/s

范围内波动，钻机正常工作时不发生共振。研究工作解决了山地物探电动钻机工作时的共振问题，可为绿色高效的油气勘探装备的研发提供参考。

Abstract

The exploration of oil and gas resources is gradually shifting from gasoline or diesel-driven to electric-driven. However

traditional mou

ntain geophysical electric drilling rigs generate significant vibration during operation

which seriously affects their working stability. Based on this

mountain geophysical electric drilling rigs were taken as the research object

and a combination of finite element simulation analysis and experiments was adopted to conduct vibration stability analysis and structural optimization of the electric drilling rigs. The simulation results show that the 7th

8th

and 9th order natural frequencies of the electric drilling rig before optimization all fall within the resonance range

and the maximum vibration displacement occurs on the mast with a maximum displacement of 5.9 mm along the

-axis

which seriously affects the stability of the drilling rig. After optimizing the reducer type

base structure

and tie rod position of the drilling rig

the maximum natural frequency of the rig is reduced by 22.6% compared with that before optimization

all lying outside the resonance range; meanwhile

the maximum vibration displacement along the

-axis is 2.9 mm

The maximum vibration displacement along the

-axis is 2.9 mm

which is a 50.8% decrease compared with that of the drilling rig before optimization. The field tests show that after the drilling rig operates stably

its torque fluctuates slightly around 670 N·m

and the vibration accelerations of the mast in the

and

directions stably fluctuate within the ranges of ±0.37

±0.25 and ±0.04 m/s² respectively. No resonance occurs when the drilling rig works normally. This study solves the resonance problem of mountain geophysical electric drilling rigs during operation and can provide a reference for the research and development of green and efficient oil and gas exploration equipment.

关键词

Keywords

references

樊慧文，李玲毓，张向前 . 新型山地钻机的开发与应用［J］. 物探装备， 2012 ， 22 （ 3 ）： 145 - 148 .

FAN Huiwen ， LI Lingyu ， ZHANG Xiangqian . New portable drill rig development and application ［J］. Equipment for Geophysical Prospecting ， 2012 ， 22 （ 3 ）： 145 - 148 . （In Chinese）

LI Y X ， YU F J ， CHEN Y L ， et al . Finite elements simulation analysis and research on the mast of rotary drilling rig ［J］. Advanced Materials Research ， 2011 ， 305 ： 406 - 410 .

LI Y X ， LUO H ， QU Y M . Optimization analysis of the mast of rotary drilling rig ［J］. Applied Mechanics and Materials ， 2011 ， 48/49 ： 783 - 786 .

HUA J ， ZHOU S Z ， HU L ， et al . Structural dynamics modification for derrick of deep well drilling rig based on experimental modal test and frequency sensitivity analysis ［J］. Advances in Mechanical Engineering ， 2015 ， 7 （ 9 ）： 1687814015605746 .

WU H . The dynamic modification of derrick structure of offshore drilling rig based on modal analysis ［J］. Journal of Oil and Gas Technology ， 2016 ， 38 （ 4 ）： 90 - 96 .

程毅 . JJ170/45-K型井架的力学分析和稳定性优化研究［D］. 兰州：兰州理工大学， 2020 ： 1 - 63 .

CHENG Yi . Mechanical analysis of JJ170/45-K derrick and study on stability optimization ［D］. Lanzhou ： Lanzhou University of Technology ， 2020 ： 1 - 63 . （In Chinese）

庞世强，师涛，成斌，等 . 海洋15 000 m双井口井架设计及结构分析［J］. 石油机械， 2019 ， 47 （ 9 ）： 77 - 83 .

PANG Shiqiang ， SHI Tao ， CHENG Bin ， et al . Design and structure analysis of the 15 000 m dual derrick for offshore drilling ［J］. China Petroleum Machinery ， 2019 ， 47 （ 9 ）： 77 - 83 . （In Chinese）

华剑，胡磊，周思柱 . 深井钻机K型井架的动力模型设计［J］. 机械设计与制造， 2016 （ 4 ）： 149 - 152 .

HUA Jian ， HU Lei ， ZHOU Sizhu . Dynamic model design of the K-shaped derrick of deep drilling rig ［J］. Machinery Design & Manufacture ， 2016 （ 4 ）： 149 - 152 . （In Chinese）

叶强波 . 山地模块化钻机桅杆模态分析［J］. 矿山机械， 2019 ， 47 （ 2 ）： 10 - 12 .

YE Qiangbo . Modal analysis of mast of mountain-used modular drill rig ［J］. Mining & Processing Equipment ， 2019 ， 47 （ 2 ）： 10 - 12 . （In Chinese）

朱桂英，李浩伟，孙振军，等 . 反循环钻机伸缩桅杆结构模态分析［J］. 煤矿机械， 2021 ， 42 （ 4 ）： 84 - 87 .

ZHU Guiying ， LI Haowei ， SUN Zhenjun ， et al . Modal analysis of telescopic mast structure of reverse circulation drilling rig ［J］. Coal Mine Machinery ， 2021 ， 42 （ 4 ）： 84 - 87 . （In Chinese）

杜垚森，和国磊，冯起赠，等 . 车装全液压钻机桅杆模态分析及拓扑优化［J］. 钻探工程， 2022 ， 49 （ 3 ）： 70 - 75 .

DU Yaosen ， HE Guolei ， FENG Qizeng ， et al . Modal analysis and topology optimization of the mast of truck-mounted all-hydraulic rig ［J］. Drilling Engineering ， 2022 ， 49 （ 3 ）： 70 - 75 . （In Chinese）

ZHOU S Z ， CHEN X L ， LI J P ， et al . Vibration testing and analysis of ZJ70D rig base ［J］. Applied Mechanics and Materials ， 2013 ， 318 ： 11 - 14 .

周大志 . 基于Workbench的TSJ-2000水源钻机底座模态分析［J］. 中国井矿盐， 2019 ， 50 （ 1 ）： 25 - 27 .

ZHOU Dazhi . Modal analysis on TSJ-2000 water drilling rig pedestal based on Workbench ［J］. China Well and Rock Salt ， 2019 ， 50 （ 1 ）： 25 - 27 . （In Chinese）

龚昌晶 . 基于Lanczos算法的ZYW-2600动力头6阶模态分析［J］. 煤矿机械， 2018 ， 39 （ 11 ）： 61 - 63 .

GONG Changjing . Six order modal analysis of ZYW-2600 power head based on Lanczos algorithm ［J］. Coal Mine Machinery ， 2018 ， 39 （ 11 ）： 61 - 63 . （In Chinese）

王杰 . ZYWL-2600R钻机动力头箱体的模态分析与改进［J］. 煤矿机械， 2014 ， 35 （ 7 ）： 121 - 123 .

WANG Jie . Modal analysis and improvement of power head casing of ZYWL-2600R drilling rig ［J］. Coal Mine Machinery ， 2014 ， 35 （ 7 ）： 121 - 123 . （In Chinese）

SU Y Y ， LI B ， GUO W ， et al . Longitudinal modal analysis of drilling rod device of new screw pile hammers based on APDL parametric modeling ［C］// Pervasive Computing and the Networked World . Berlin ： Springer ， 2014 ： 532 - 543 .

HUA J ， ZHU H W ， ZHOU S Z ， et al . Harmonic response analysis and structure modification for substructure of deep well drilling rig ［J］. Applied Mechanics and Materials ， 2016 ， 826 ： 45 - 49 .

高扬，阙红波，卞翔，等 . 高速动车组齿轮箱箱体拓扑优化设计［J］. 机械强度， 2022 ， 44 （ 4 ）： 978 - 983 .

GAO Yang ， QUE Hongbo ， BIAN Xiang ， et al . Topology optimization design of high speed EMU gearbox ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2022 ， 44 （ 4 ）： 978 - 983 . （In Chinese）

刘进进，尹明德，张志龙 . 基于ANSYS的某直升机尾梁管模态及谐响应分析［J］. 机械工程与自动化， 2013 （ 1 ）： 64 - 66 .

LIU Jinjin ， YIN Mingde ， ZHANG Zhilong . Modal and harmonic analysis based on ANSYS for light helicopter tail beam tube ［J］. Mechanical Engineering & Automation ， 2013 （ 1 ）： 64 - 66 . （In Chinese）

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

新能源车高可靠涡旋压缩机模态及谐响应特性分析

防撞机构的设计与减振优化

基于有限元法的L型门机动态特性研究及灵敏度分析

基于模态分析的挖掘机发动机罩结构优化