深孔钻削中钻杆扭转振动模型的建立及求解.pdf

第12期
机槭设计与制造
2013年12月
Machinery Design Manufacture
79
深孔钻削中钴杄扭转振动模型的建立及求解
陈艳玲,處俊忠
(中北大学山西省深孔加工工程技术研究中心,山两太原030051)
摘要:利用钻杆的几何方程、运効平衡方程和本构方程,根据深孔钻削中钴杆所受载荷特性,借助弹性杆理论,建立了
钻杆扭转振动的动力学模型,并采用分离变量法求得了钻杆扭转振动扭转角的表达式。在给定初始条件和边界条件的情
况下,可以得到钻杄扭振运动的固有频率和主振型。与已有研究进行对比,得出深孔加エ中钻头与工件相互作用以及切
削液对钻杆扭振的影响不可忽略。为进一步弄清钻杆动力学性能,以及设计合理的扭振动力减振器并进行各项参数优
化,莫定了理论基础。
关键词:钴杆;扭振;模型;固有频率;主振型
中图分类号:TH16:TD421.2+5文献标识码:A文章编号:1001-3997(2013)12-0079-04
Drill Pipe Torsional Vibration Model and Solving in the Deep Hole Drilling
CHEN Yan-ling, Pangjun-zhong
(North University of China, Shanxi Deep Hole Cutting Research Center of Engineering Technology, Shanxi Taiyuan 030051
China
Abstract: sing drill pipe geometry equations, movement balance equations and constitutive eui ns, and according to the
deep hole drilling of drill pipe by Load characteristics, by means of elastic rod theory, the dynamic model of the drill pipe
torsional uibration is estblished. Using the method of separation of variables, the torsion angle of drill pipe torsional vibration
can be expressed. Then given init ad and boundary conditions, the natura frequence of drill pipe torsional vibration moement
and the main modes are obtained. Comparison with existed studies, the influence of drill and workpiece interaction as well
cutting fluid on drill pipe torsional vibration can not be igored in a deep hole machining With these conelusions, the dynamic
performance of drill pipe can be further understanded and a fundamental idea on reasonable design of the torsional vibration
dynamic uibration absorber and the parameters optimization can be provided.
Key Words: Drill Pipe; Torsional Vibration; Model; Natural Frequency; The Main Modes
1引言
激励法比用扭矩激励法作为边界条件来研究石油钻井中钻柱的
深孔加工在机械制造业,特别是重型机械制造业中的重要
扭转振动更符合实际門,对研究深孔钻杆的扭转振动具有很强的
地位十分明显。在深孔加工中,由于被加工孔长径比大于5,切借鉴性。
不易排出,且切削热不易传散,因此采用高压将切削液通过钻杆
将深孔中处于加工状态的钻杆视为一端固定一端自由的弹
的外部或内部直接送达切削区,起到冷却润滑的作用,将切屑由性杆,没有考虑到深孔加工中钻头与工件相互作用以及切削液对
钻杆内部或者外部排出,达到强制冷却和排屑的目的叩。深孔钴削
钴杆扭振的影响,有一定的局限性。因此基于深孔加工过程中钻
中钻杆细长,因此振动常成为影响加工精度、刀具耐用度和切削杆内外充满切削液的影响,建立了钻杆扭转振动的模型,通过对
效率的一个重要原因。钻杆的振动一般包括弯、扭两个成份。形成钻杆进行静力学和运动学分析,从钻杆动力学基本方程出发,得
钻杆扭转振动的主要原因是工件材质不均和钻杆抗扭刚度较弱。到钴杆的扭转振动方程。采用分离变量法求解微分方程,在给定
扭转振动在深孔加工中危害较大,且目前尚没有很好的解决。常的初始条件和边界条件下,求得钻杆扭转振动的扭转角、固有频
因扭振而不得不降低切削用量,导致加工效率降低。扭振严重时、率?和主振型。
甚至造成钻头(或钻杆扭伤,中断加工。另外,扭振可导致孔表面2钻杆动力学基本方程
产生扭振波纹,孔口形成喇叭孔,产生噪声,因此,对深孔加工过
通过对钻杆静力学和动力学分析,建立了对处于深孔钻削
程中扭振的研究有重要的现实意义。科研人员提出将钻杆简化为过程中钻杆的几何方程、运动平衡方程和本构方程。
一端固定一端自由的弹性杆,建立了钻杆的扭转振动模型,并求2.1基本假设
得扭转角固有频率及主振型的解析式四。一些科研人员提出用角
(1)钻杆处于线弹性变形状态;
来稿日期:2013-02-18
基金项目:国家自然科学基金(51175482);山西省自然科学基金项目(201301024-4)
作者简介:陈艳玲,(1986-),女,山西吕梁人,硕士研究生,主要研究方向:主要研究方向:深孔加工技术;
庞俊忠,(1963-),男,河南商丘人,副教授,主要研究方向:高速切削及深孔加工