Стійкість стержнів, що обертаються, при збудженні згинальних коливань вищого порядку під час дії віброударного навантаження

Заголовок (англійською): 
The stability of rotating rods during the excitation of higher-order bending oscillations under the axial vibro-impact load
Автор(и): 
Лізунов П.П.
Недін В.О.
Автор(и) (англ): 
Lizunov P.P.
Nedin V.O.
Ключові слова (укр): 
геометрична нелінійність, інерційні навантаження, поздовжні ударні навантаження, вібробуріння, форми вигину
Ключові слова (англ): 
geometric nonlinearity, inertia forces, vibro-impact loads, vibro-drilling, bend forms
Анотація (укр): 
В роботі наведені результати дослідження динамічної поведінки моделі робочого органу вібробурильної установки під дією поздовжнього віброударного навантаження з метою виявлення діапазонів частот збудження коливань вищого порядку та аналізу впливу такого збудження на стійкість. Руйнування матеріалу при вібраційно-обертальному бурінні відбувається через спільну дію віброударних імпульсів і обертального руху, що суттєво полегшує процес буріння свердловин в твердих породах ґрунту. Коливання робочого органу в такому разі може здійснюватись зі зміною форм коливань, для яких буде змінюватися число напівхвиль та їх довжина. Через це цікавим стає питання вивчення динамічної поведінки досліджуваної системи з метою виявлення частот віброударного впливу, при яких відбувається згинальні коливань зі зростанням числа напівхвиль. Для пошуку таких діапазонів частот дії поздовжнього ударного навантаження на стержень, що здійснює коливальний рух при обертанні, дослідження здійснено з використанням розробленого програмного забезпечення, в якому реалізована методика комп’ютерного моделювання коливального руху стержнів значної довжини, що обертаються, під дією поздовжніх періодичних навантажень. За допомогою зазначеного програмного забезпечення на фоні областей стійкого та нестійкого коливального руху в залежності від співвідношення швидкості обертання та частоти ударного впливу побудовані діаграми, що відображають діапазони ударних частот, при яких відбувається збільшення числа напівхвиль пружної лінії стержня, яким моделюється робочий орган вібробурильної установки, при різних параметрах системи. Відзначено, що зі збільшенням швидкості обертання стержнів певної довжини розширюється діапазон ударних частот при яких зростає число на півхвиль, а також може відбуватися збільшення амплітуди коливань, інтенсивне зростання якої відбувається в областях нестійкого коливального руху. Здійснено аналіз отриманих результатів та зроблено висновок про можливість експлуатації обладнання у певних діапазонах частот.
Анотація (англ): 
The paper presents the investigation results of vibro-drilling machine’ drill-rod dynamic behavior under the action of axial vibro-impact load, in order to identify the frequency ranges of higher-order vibration excitation and make the analysis of the impact of such excitation on stability. The material destruction during the vibro-rotary drilling occurs via the complex effect of the vibration impulses and rotational motion. This fact significantly facilitates the drilling process of wells in hard rocks. In this case, the oscillations can occur with change of half-waves number which the mode of oscillations is changed. In this way, the task of the dynamic behavior of studying system in order to identify the frequencies of vibro-impact action at which the bending oscillations occurs with growth of half-wave number becomes interesting. To find such frequency ranges of axial impact load action on oscillating rod during rotation, the theoretical study was done by developed software, in which the technique of computer simulation of the oscillating motion of considerable length rotating rods under the action of axial periodic loads is implemented. Using this software the diagrams that show the ranges of impact frequencies in which the oscillations occurs with growth of half-wave number of rod elastic line were drawn for different parameters of the considered system. These diagrams were drawn against the background of dynamic stability fields depending on the ratio of rotation speed and impact frequency. The presented results show that for rods with different lengths there are ranges of frequencies of vibro-impact load at which the transverse oscillations occurs with growth of half-wave number. It is noted that with increasing of rotational speed for certain length rods the range of impact frequencies where the half-waves number is increased, expands. In this region, the oscillation amplitude is increases, too, with intensive growth in regions of unstable oscillations. 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, 2025, номер 115
Назва журналу, номер, рік випуску (англ): 
Strength of Materials and Theory of Structures, 2025, number 115
Мова статті: 
Українська
Формат документа: 
application/pdf
Документ: 
15-115_lizunov_p.p._nedin_v.o.doc
Дата публікації: 
23 Декабрь 2025
Номер збірника: 
115
Університет автора: 
Київський національний університет будівництва і архітектури
Литература: 
 
  1. Баженов В.А. Хаос та сценарії переходу до хаосу у віброударній системі / В.А. Баженов, О.С. Погорелова, Т.Г. Постнікова – Київ: Вид-во «Каравела», 2019. – 146 с.
  2. Гуляев В. И., Гайдайчук В.В., Худолий С.Н. Компьютерное моделирование динамики конструкций установок глубокого бурения // Збірник наукових праць Українського науково-дослідного та проектного інституту сталевих конструкцій імені В. М. Шимановського. – 2009. - Вип. 4. – С. 208-216.
  3. Гуляев В.И., Худолий С.Н., Андрусенко Е.Н. Нелинейное деформирование бурильных колонн в сверхглубоких цилиндрических скважинах // Збірник наукових праць Українського науково-дослідного та проектного інституту сталевих конструкцій імені В. М. Шимановського. – 2012. - Вип. 9. – С. 5-17.
  4. Гуляев В.И., Луговой П.З., Андрусенко Е.Н. Численное моделирование упругого изгиба бурильной колонны в сверхглубокой криволинейной скважине // Прикладная механика – 2014, 50, № 4. – С. 67-76.
  5. Лізунов П.П., Недін В.О. Параметричні коливання пружних стержнів, що обертаються, під дією періодичних поздовжніх сил // Управління розвитком складних систем. – 2020. – № 44. – С. 56-64.
  6. Лізунов П.П., Недін В.О. Стійкість стержнів, що обертаються, під дією віброударного навантаження // Опір матеріалів і теорія споруд. – 2021. – Вип. 106. С. 113-121.
  7. Недін В.О. Чисельне диференціювання складних форм вигину стержнів значної довжини при обертанні // Управління розвитком складних систем. – 2020. – № 43. – С. 110-115.
  8. 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.
  9. Liping Tang. Effects of axial impact load on the dynamics of an oilwell drillstring / Liping Tang, Xiaohua Zhu, Hongzhi Lin // Advances in Mechanical Engineering. – 2019, Vol.11 (3), 1-8. doi: 10.1177/1687814019836876.
  10. Maurice Petyt. Introduction to Finite Element Vibration Analysis. Cambridge University Press, 1990. – 558 p.
  11. Songyong Liu. Coupling vibration analysis of auger drilling system / Songyong Liu, Xinxia Cui, Xiaohui Liu // Journal of vibroengineering. – 2013. Vol. 15. – P.1442–1453.
  
References: 
  1. Bazhenov V.A., Pohorelova O.S., Postnikova T.G. Khaos ta stsenariyi perekhodu do khaosu u vibroudarniy systemi (Chaos and transition scenarios to chaos in a vibration-shock system). – Kyiv: Vyd-vo «Karavela», 2019. – 146 p.p.
  2. Gulyayev V.I., Gaydaychuk V.V., Khudolii S.N. Kompyuternoe modelirovanie dinamiki konstruktsii ustanovok glubokogo bureniya (Computer modeling of dynamics of deep drilling rigs’ constructions). ‑ Scientific Works Journal of the Ukrainian Research Institute of Steel Structures named after V.M. Szymanowski. – 2009, 4, 208-216.
  3. Gulyayev V.I., Khudolii S.N., Andrusenko E.N. Nelineinoe deformirovanie burilnikh kolonn v sverkhglubokikh tsilindricheskikh skvazhinakh (Nonlinear deformation of drill strings in ultra-deep cylindrical wells). ‑ Scientific Works Journal of the Ukrainian Research Institute of Steel Structures named after V.M. Szymanowski. – 2012. 9. 5-17.
  4. Gulyayev V.I., Lugovoi P.Z., Andrusenko E.N. Chislennoe modelirovanie uprugogo izgiba burilnoi kolonni v sverkhglubokoi krivolineinoi skvazhine (Numerical modeling of elastic bending of a drill string in an ultra-deep curved borehole). ‑ Applied Mechanics. – 2014, 50 (4). 67-76.
  5. Lizunov P., Nedin V. Parametrychni kolyvannia pruzhnykh sterzhniv, shcho obertaiutsia, pid diieiu periodychnykh pozdovzhnikh syl (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.
  6. Lizunov P.P., Nedin V.O. Stiikist sterzhniv, shcho obertaiutsia, pid diieiu vibroudarnoho navantazhennia (The stability of rotating rods under the action of vibro-impact load). ‑ Strength of materials and theory of structures. – 2021. – Issue 106, 113-121.
  7. Nedin V. Numerical differentiation of complex bend forms of long rotating rods // Management of Development of Complex Systems. – 2020, 43, 110-115.
  8. 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.
  9. Liping Tang. Effects of axial impact load on the dynamics of an oilwell drillstring / Liping Tang, Xiaohua Zhu, Hongzhi Lin // Advances in Mechanical Engineering. – 2019, Vol.11 (3), 1-8. doi: 10.1177/1687814019836876.
  10. Maurice Petyt. Introduction to Finite Element Vibration Analysis. Cambridge University Press, 1990. – 558 p.
  11. Songyong Liu. Coupling vibration analysis of auger drilling system / Songyong Liu, Xinxia Cui, Xiaohui Liu // Journal of vibroengineering. – 2013. Vol. 15. – P.1442-1453.