Модове збудження згинальних коливань стержня, що обертається при поздовжньому віброударному навантаженні

Заголовок (англійською): 
Mode excitation of rotating rod bending oscillations under the axial vibro-impact load
Автор(и): 
Недін В. О.
Автор(и) (англ): 
Nedin V.
Ключові слова (укр): 
геометрична нелінійність; інерційні навантаження; поздовжні ударні навантаження; вібробуріння; модове збудження; форми вигину
Ключові слова (англ): 
geometric nonlinearity; inertia forces; axial forces; vibro-impact loads; vibro-drilling; mode excitation; bend forms
Анотація (укр): 
У роботі наведено результати дослідження динамічної поведінки моделі робочого органу вібробурильної установки під час буріння свердловин у твердих породах ґрунту під дією поздовжнього віброударного навантаження. Метою є виявлення діапазонів частот збудження коливань вищого порядку. Процес буріння свердловин у твердих породах ґрунту суттєво полегшується під впливом вібраційних навантажень. Руйнування породи під час вібраційно-обертального буріння відбувається через спільну дію віброударних імпульсів та обертального руху. Коливання в такому разі можуть здійснюватися зі зростанням просторової гармоніки, при цьому відбувається підвищення моди власних коливань. Через це цікавим стає питання вивчення динамічної поведінки досліджуваної системи з метою виявлення частот віброударного впливу, за яких відбувається модове збудження згинальних коливань зі зростанням числа напівхвиль. Для пошуку таких діапазонів частот дії поздовжнього ударного навантаження на стержень, що здійснює коливальний рух під час обертання, дослідження проведено з використанням розробленого програмного забезпечення. У ньому реалізовано методику комп’ютерного моделювання коливального руху стержнів значної довжини, що обертаються, під дією поздовжніх періодичних навантажень. Таке програмне забезпечення дає змогу моделювати коливальний рух стержнів під час обертання, а також визначати параметри, за яких відбувається зростання модового числа поперечних коливань змодельованої системи. За допомогою зазначеного програмного забезпечення побудовано діаграми, що відображають діапазони ударних частот, за яких відбувається модове збудження зі збільшенням числа напівхвиль пружної лінії стержня, яким моделюється робочий орган вібробурильної установки, за різних параметрів системи. Зазначено, що зі збільшенням швидкості обертання стержнів діапазон ударних частот розширюється. Процес коливального руху розглянуто в просторі з урахуванням інерційних навантажень та геометричної нелінійності стержня. Здійснено аналіз отриманих результатів та зроблено висновок про можливість експлуатації обладнання в певних діапазонах частот.
Анотація (англ): 
The paper presents the investigation results of a vibro-drilling machine's drill-rod dynamic behavior when drilling wells in hard soil under the action of axial vibro-impact load, in order to identify the frequency ranges of higher-order vibration excitation. The drilling process of such wells is significantly facilitated in case of vibro-impact action. The destruction of rocks during vibro-rotary drilling occurs via the complex effect of vibration impulses and rotational motion. In this case, oscillations can occur with the growth of spatial harmonics, during which the mode of the natural oscillations increases. Thus, the task of studying the dynamic behavior of the system, in order to identify the frequencies of vibro-impact action at which the mode excitation of bending oscillations occurs with the growth of the half-wave number, becomes interesting. To find such frequency ranges of axial impact load action on an oscillating rod during rotation, a theoretical study was conducted using developed software, which implements a technique for computer simulation of the oscillatory motion of considerable length rotating rods under the action of axial periodic loads. Such software provides the possibility to model the oscillatory motion of rotating rods and determine the parameters by which the mode number of transverse oscillations of the studied system increases. Using this software, diagrams showing the ranges of impact frequencies in which mode excitation occurs with the growth of the half-wave number of the rod's elastic line were drawn for different parameters of the considered system. The presented results show that for rods with different lengths there are ranges of frequencies of vibro-impact load at which the mode excitation of transverse oscillations occurs with the growth of the half-wave number. It is noted that with increasing rotational speed, the range of impact frequencies expands. The process of oscillation is considered in space with account of inertia forces and geometric nonlinearity of the rod. 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): 
Управління розвитком складних систем, номер 62, 2025
Назва журналу, номер, рік випуску (англ): 
Management of Development of Complex Systems, number 62, 2025
Мова статті: 
Українська
Формат документа: 
application/pdf
Документ: 
164_169.pdf
Дата публікації: 
27 Июнь 2025
Номер збірника: 
62
Розділ: 
ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ПРОЄКТУВАННЯ
Університет автора: 
Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ
Литература: 

1.     Баженов В. А., Погорелова О. С., Постнікова Т. Г. Хаос та сценарії переходу до хаосу у віброударній системі. 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. Київ, 2009. Вип. 4. С. 208–216.

3.     Гуляев В. И., Гайдайчук В. В., Горбунович И. В. Бифуркационное выпучивание вертикальных колонн сверхгдубокого бурения. Промислове будівництво та інженерні споруди. 2009. №2. С. 10–15.

4.     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.

5.     Лізунов П. П., Недін В. О. Чисельне диференціювання форм вигину пружних стержнів значної довжини. Управління розвитком складних систем. 2021. № 46. С. 70–75.

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. Xiaofeng Li, Long Sun and Boru Xia. Arithmetic solution for the axial vibration of drill string coupling with a down-the-hole hammer in rock drilling. Journal of Vibration and Control. 2016. Vol. 22(13). P. 3090–3101.

9.     Maurice Petyt. Introduction to Finite Element Vibration Analysis. Cambridge University Press, 1990. 558 p.

10.  Songyong Liu, Xinxia Cui, Xiaohui Liu. Coupling vibration analysis of auger drilling system. Journal of vibroengineering. 2013. Vol. 15. P. 1442–1453.

11.  Yimin Wei, Zhiwei Zhao, Wenhua Chen and Qi Liu. Influence of Axial Loads to Propagation Characteristics of the Elastic Wave in a Non‑Uniform Shaft. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2019 No. 32:70. P.13.

References: 

1.     Bazhenov V. A., Pohorelova O. S., Postnikova T. G. (2019). Khaos ta stsenariyi perekhodu do khaosu u vibroudarniy systemi (Chaos and scenarios to chaos transition in a vibroimpact system). Kyiv: Vyd-vo «Karavela», 146 p.p. [In Ukrainian]

2.     Gulyayev V. I., Gaydaychuk V. V., Xudolij S. N. (2009). 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, 4, 208–216. [In Russian]

3.     Gulyayev V. I., Gaydaychuk V. V., Gorbunovich I. V. (2009) Bifurcational buckling of vertical super-deep drilling columns. Promyslove budivnytstvo ta inzhenerni sporudy, 2, 10–15. [In Russian]

4.     Lizunov, Petro, Nedin, Valentyn. (2021). The parametric oscillations of rotating elastic rods under the action of the periodic axial forces. Management of Development of Complex Systems, 44, 56–64.

5.     Lizunov, Petro, Nedin, Valentyn. (2021). Numerical differentiation of bend forms of the long elastic rods. Management of Development of Complex Systems, 46, 70–75. [in Ukrainian]

6.     Lizunov P. P., Nedin V. O. (2021). The stability of rotating rods under the action of vibro-impact load. Strength of materials and theory of structures, 106, 113–121.

7.     Nedin, Valentyn. (2020). Numerical differentiation of complex bend forms of long rotating rods. Management of Development of Complex Systems, 43, 110–115. [in Ukrainian]

8.     Changgen Bu, Xiaofeng Li, Long Sun and Boru Xia. (2016). Arithmetic solution for the axial vibration of drill string coupling with a down-the-hole hammer in rock drilling. Journal of Vibration and Control, 22(13), 3090–3101.

9.     Maurice Petyt (1990). Introduction to Finite Element Vibration Analysis. Cambridge University Press, 558.

10.  Songyong Liu, Xinxia Cui, Xiaohui Liu. (2013) Coupling vibration analysis of auger drilling system. Journal of vibroengineering, Vol. 15, 1442–1453.

11.  Yimin Wei, Zhiwei Zhao, Wenhua Chen, Qi Liu. (2019). Influence of Axial Loads to Propagation Characteristics of the Elastic Wave in a Non‑Uniform Shaft. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 32:70, 13.