Стійкість стержнів, що обертаються, під дією віброударного навантаження

Заголовок (російською): 
Устойчивость вращающихся стержней под действием виброударной нагрузки
Заголовок (англійською): 
The stability of rotating rods under the action of vibro-impact load
Автор(и): 
Лізунов П.П.
Недін В.О.
Автор(и) (англ): 
Lizunov P.P.
Nedin V.O.
Ключові слова (укр): 
чисельне диференціювання, складні форми вигину, геометрична нелінійність, інерційні навантаження, поздовжні навантаження, ударні навантаження, вібробуріння, динамічна стійкість
Ключові слова (рус): 
численное дифференцирование, сложные формы изгиба, геометрическая нелинейность, инерционные нагрузки, продольные нагрузки, ударные нагрузки, вибробурение, динамическая устойчивость
Ключові слова (англ): 
numeric differentiation, complex bend forms, geometric nonlinearity, inertia forces, axial forces, vibro-impact loads, vibro-drilling, dynamic stability
Анотація (укр): 
В роботі наведені результати дослідження впливу віброударних навантажень на стійкість стержня робочого органа вібробурового агрегату при бурінні свердловин в твердих породах ґрунту. Процес буріння таких свердловин суттєво полегшується у разі віброударного впливу. Руйнування породи при вібраційно-обертальному бурінні відбувається через спільний вплив віброударних імпульсів і обертального руху. У зв’язку з цим, актуальним є питання стійкості стержня робочого органа такої установки при обертанні. При цьому можливі різноманітні форми коливань і втрати стійкості. У зв’язку з цим дослідження здійснено використовуючи розроблене програмне забезпечення, в якому реалізована методика комп’ютерного моделювання коливального руху стержнів значної довжини, що обертаються, під дією поздовжніх періодичних навантажень. Таке програмне забезпечення дозволяє моделювати коливальний рух стержнів, що обертаються, а також визначати параметри, при яких відбувається втрата динамічної стійкості змодельованої системи. За допомогою зазначеного програмного забезпечення побудовані діаграми, що відображають області стійкого та нестійкого руху стержня, яким моделюється робочий орган вібробурової установки, при різних параметрах системи. Процес коливального руху розглянуто у просторі з урахуванням інерційних навантажень та геометричної нелінійності стержня. Показано, що при певних значеннях швидкостей обертань і частот дії віброударного навантаження існують області нестійкого руху, при яких експлуатація обладнання може неминуче привести до його руйнування. Здійснено аналіз отриманих результатів та зроблено висновок про можливість експлуатації обладнання у певних діапазонах частот.
Анотація (рус): 
В работе приведены результаты исследования влияния виброударных нагрузок на устойчивость стержня рабочего органа вибробурового агрегата при бурении скважин в твердых породах грунта. Процесс бурения таких скважин существенно облегчается при виброударном воздействии. Разрушение породы при вибрационно-вращательном бурении происходит при совместном влиянии виброударных импульсов и вращательного движения. В связи с этим, актуальной задачей является изучение устойчивости стержня рабочего органа такой установки при вращении. При этом возможны различные формы колебаний и потери устойчивости. В связи с этим исследование проведено с использованием разработанного для этих целей программного обеспечения, в котором реализована методика компьютерного моделирования колебательного движения вращающихся стержней значительной длины, под действием продольных периодических нагрузок. Такое программное обеспечение позволяет моделировать колебательное движение вращающихся стержней, а также определять параметры, при которых происходит потеря динамической устойчивости смоделированной системы. С помощью указанного программного обеспечения построены диаграммы, отображающие области устойчивого и неустойчивого движения стержня, которым моделируется рабочий орган вибробурильной установки при различных параметрах системы. Процесс колебательного движения рассмотрен в пространстве с учетом инерционных нагрузок и геометрической нелинейности стержня. Показано, что при определенных скоростях вращения и частот действия виброударной нагрузки существуют области неустойчивого движения, при которых эксплуатация оборудования может неизбежно привести к его разрушению. Проанализированы полученные результаты и сделан вывод о возможности эксплуатации оборудования в определенных диапазонах частот.
Анотація (англ): 
The paper presents the investigation results of the vibro-impact loads’ influence on the stability of vibro-drilling machine’ drill-rod in the process of well in hard rock. The drilling process of such wells is significantly facilitated in case of vibro-impact action. The destroying of the rocks during the vibro-rotary drilling occurs via the complex effect of the vibration impulses and rotational motion. In this way, the task of such drill-rod study stability has actuality. In this case, the various modes of vibration and stability loss are possible. In this regard, the study was done by developed software, in which a technique of computer simulation of the oscillating motion of considerable length rotating rods under the action of axial periodic loads is implemented. Such software gives the possibility to model the oscillatory motion of rotating rods and determine the parameters by witch the dynamic stability loss of the studied system can occur. Using this software the diagrams with regions of stable and unstable motion of the rotating rod were drawn for different parameters of the considered system. The process of oscillation is considered in space with account of inertia forces and geometric nonlinearity of the rod. It is shown, that on certain rotational speeds and frequencies of vibro-impact load there are ranges of unstable motion where the run of equipment can inevitably lead to destruction. The obtained results have been analyzed. The conclusion about the possibility of running the equipment in certain frequency ranges is made.
Публікатор: 
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр): 
Опір матеріалів і теорія споруд, 2021, номер 106
Назва журналу, номер, рік випуску (рус): 
Сопротивление материалов и теория сооружений, 2021, номер 106
Назва журналу, номер, рік випуску (англ): 
Strength of Materials and Theory of Structures, 2021, number 106
Мова статті: 
English
Формат документа: 
application/pdf
Документ: 
09-106_lizunov_nedin.pdf
Дата публікації: 
28 May 2021
Номер збірника: 
106
Університет автора: 
Kyiv National University of Construction and Architecture 31, Povitroflotsky ave., Kyiv, Ukraine, 03037
Литература: 
  1. Bazhenov V.A., Pohorelova O.S., Postnikova T.G. Khaos ta stsenariyi perekhodu do khaosu u vibroudarniy systemi. – Kyiv: Vyd-vo «Karavela», 2019. – 146 p.p.
  2. Bakhvalov N.S., Judkov N.P., Kobelkov G.M. Chislennye metody. M.: BINOM, Laboratoriya znaniy, 2015, 639 pp.
  3. Belyaev A. Dynamics of rod under axial impact by a body / Alexander K. Belyaev, Chien-Ching Ma, Nikita F. Morozov, Petr E. Tovstik, Tatiana P. Tovstik, Anatoly O. Shurpatov // Vestnik SPbGU. Matematika. Mekhanika. Astronomiya. – 2017. V. 4 (62). –P. 506-515.
  4. Belyaev A. Dinamicheskiy podkhod k zadache Ishlinskogo–Lavrent'yeva / A.K. Belyayev, D.N. Il'in, N.F. Morozov // Mekhanika tverdogo tela. – 2013. No. 5. – P. 28-33.
  5. Belyaev A. Parametric resonances in the problem of longitudinal impact on a thin rod / Alexander K. Belyaev, Nikita F. Morozov, Petr E. Tovstik, Tatiana P. Tovstik // Vestnik SPbGU. Matematika. Mekhanika. Astronomiya. – 2016. V. 3 (61). – P. 77-94.
  6. Bolotin V.V. Dinamicheskaya ustoychivost uprugih system. M.: Izdatelstvo tekhniko-teoreticheskoj literatury, 1956, 600 pp.
  7. Lizunov P.P., Nedin V.O. The gyroscopic forces influence on the oscillations of the rotating shafts // Strength of materials and theory of structures. – 2020. – Issue 105. P. 223–231.
  8. Lizunov P., Nedin V. The parametric oscillations of rotating elastic rods under the action of the periodic axial forces // Management of Development of Complex Systems. – 2020, 44, 56–64.
  9. Morozov N.F. Static and Dynamics of a Rod at the Longitudinal Loading / N.F. Morozov, P.E. Tovstik, T.P. Tovstik // Vestnik YUUrGU. Seriya «Matematicheskoye modelirovaniye i programmirovaniye». – 2014. – Vol. 7, No. 1. – S. 76–89.
  10. Morozov N.F. The rod dynamics under short longitudinal impact / N.F. Morozov, P.E. Tovstik // Vestnik SPbGU. – 2013. – Vup. 3. P.131–141.
  11. Munitsyn A.I. Prostranstvennyye izgibnyye kolebaniya sterzhnya, vrashchayushchegosya vokrug svoyey osi (Space bending oscillations of a rod rotating around its axis) // Matematicheskoye i komp'yuternoye modelirovaniye mashin i sistem. – 2008. S. 64–67.
  12. Nedin V.O. The parametric oscillations of rotating rods under action of the axial beat load // Strength of materials and theory of structures. – 2020. – Issue 104. P. 309 – 320.
  13. Nedin V. Numerical differentiation of complex bend forms of long rotating rods // Management of Development of Complex Systems. – 2020, 43, 110 –115.
  14. Changgen Bu. Arithmetic solution for the axial vibration of drill string coupling with a down-the-hole hammer in rock drilling / Changgen Bu, Xiaofeng Li, Long Sun and Boru Xia // Journal of Vibration and Control. – 2016, Vol. 22(13). – P. 3090-3101.
  15. Maurice Petyt. Introduction to Finite Element Vibration Analysis. Cambridge University Press, 1990. – 558 p.
  16. Songyong Liu. Coupling vibration analysis of auger drilling system / Songyong Liu, Xinxia Cui, Xiaohui Liu // Journal of vibroengineering. – 2013. Vol. 15. – P.1442–1453.
  17. Yimin Wei. Influence of Axial Loads to Propagation Characteristics of the Elastic Wave in a Non‑Uniform Shaft / Yimin Wei, Zhiwei Zhao, Wenhua Chen and Qi Liu // Chinese Journal of Mechanical Engineering. – 2019 – No. 32:70. P.13.
Стаття надійшла 26.04.2021  
References: 
  1. Bazhenov V.A., Pohorelova O.S., Postnikova T.G. Khaos ta stsenariyi perekhodu do khaosu u vibroudarniy systemi. – Kyiv: Vyd-vo «Karavela», 2019. – 146 p.p.
  2. Bakhvalov N.S., Judkov N.P., Kobelkov G.M. Chislennye metody. M.: BINOM, Laboratoriya znaniy, 2015, 639 pp.
  3. Belyaev A. Dynamics of rod under axial impact by a body / Alexander K. Belyaev, Chien-Ching Ma, Nikita F. Morozov, Petr E. Tovstik, Tatiana P. Tovstik, Anatoly O. Shurpatov // Vestnik SPbGU. Matematika. Mekhanika. Astronomiya. – 2017. V. 4 (62). –P. 506-515.
  4. Belyaev A. Dinamicheskiy podkhod k zadache Ishlinskogo–Lavrent'yeva / A.K. Belyayev, D.N. Il'in, N.F. Morozov // Mekhanika tverdogo tela. – 2013. No. 5. – P. 28-33.
  5. Belyaev A. Parametric resonances in the problem of longitudinal impact on a thin rod / Alexander K. Belyaev, Nikita F. Morozov, Petr E. Tovstik, Tatiana P. Tovstik // Vestnik SPbGU. Matematika. Mekhanika. Astronomiya. – 2016. V. 3 (61). – P. 77-94.
  6. Bolotin V.V. Dinamicheskaya ustoychivost uprugih system. M.: Izdatelstvo tekhniko-teoreticheskoj literatury, 1956, 600 pp.
  7. Lizunov P.P., Nedin V.O. The gyroscopic forces influence on the oscillations of the rotating shafts // Strength of materials and theory of structures. – 2020. – Issue 105. P. 223–231.
  8. Lizunov P., Nedin V. The parametric oscillations of rotating elastic rods under the action of the periodic axial forces // Management of Development of Complex Systems. – 2020, 44, 56–64.
  9. Morozov N.F. Static and Dynamics of a Rod at the Longitudinal Loading / N.F. Morozov, P.E. Tovstik, T.P. Tovstik // Vestnik YUUrGU. Seriya «Matematicheskoye modelirovaniye i programmirovaniye». – 2014. – Vol. 7, No. 1. – S. 76–89.
  10. Morozov N.F. The rod dynamics under short longitudinal impact / N.F. Morozov, P.E. Tovstik // Vestnik SPbGU. – 2013. – Vup. 3. P.131–141.
  11. Munitsyn A.I. Prostranstvennyye izgibnyye kolebaniya sterzhnya, vrashchayushchegosya vokrug svoyey osi (Space bending oscillations of a rod rotating around its axis) // Matematicheskoye i komp'yuternoye modelirovaniye mashin i sistem. – 2008. S. 64–67.
  12. Nedin V.O. The parametric oscillations of rotating rods under action of the axial beat load // Strength of materials and theory of structures. – 2020. – Issue 104. P. 309 – 320.
  13. Nedin V. Numerical differentiation of complex bend forms of long rotating rods // Management of Development of Complex Systems. – 2020, 43, 110 –115.
  14. Changgen Bu. Arithmetic solution for the axial vibration of drill string coupling with a down-the-hole hammer in rock drilling / Changgen Bu, Xiaofeng Li, Long Sun and Boru Xia // Journal of Vibration and Control. – 2016, Vol. 22(13). – P. 3090-3101.
  15. Maurice Petyt. Introduction to Finite Element Vibration Analysis. Cambridge University Press, 1990. – 558 p.
  16. Songyong Liu. Coupling vibration analysis of auger drilling system / Songyong Liu, Xinxia Cui, Xiaohui Liu // Journal of vibroengineering. – 2013. Vol. 15. – P.1442–1453.
  17. Yimin Wei. Influence of Axial Loads to Propagation Characteristics of the Elastic Wave in a Non‑Uniform Shaft / Yimin Wei, Zhiwei Zhao, Wenhua Chen and Qi Liu // Chinese Journal of Mechanical Engineering. – 2019 – No. 32:70. P.13.
Стаття надійшла 26.04.2021