煤鉆機的振動研究及機構優化仿真設計

郭興平

（陽煤集團三礦生產調度指揮中心綜采四隊， 山西 陽泉 045300）

引言

Dunayevsky和Abbassian首先提出，鉆桿不僅圍繞自身軸旋轉，而且產生旋轉運動，其旋轉頻率遠小于其固有頻率，為鉆桿動力學分析開辟了新的方向[1-3]。另外，目前還沒有有效的控制撓度的措施，穩定器布置形式的研究僅限于理論分析，很少關注相應的仿真研究。針對這種情況，本文首先構建了三位煤鉆鉆具的鉆井試驗臺，并進行了實驗，研究了它們的振動和撓度性能；其次建立了三位煤鉆鉆具的剛柔耦合仿真模型，分析了不同鉆深下的振動和撓度性能；最后設計了一種新型的鉆桿穩定器，利用該穩定器構建了三位煤鉆的仿真模型，研究了穩定器布置形式的振動和撓度性能，為有效控制鉆具的振動和撓度提供了科學依據。

1 煤鉆機的優化仿真

1.1 模擬模型

鉆鑿工具的作用是在煤鑿鉆過程中，通過自身重量的復雜推進力，推動阻力，鉆井扭矩，與井壁的沖擊接觸力和來自煤的摩擦阻力。假設：

1）單鉆桿鉆孔橫截面為圓形，其尺寸不隨時間變化；

2）切割頭和齒輪箱連接件為剛體，鉆桿為柔性體，鉆具中心軸在鉆孔初始位置和軸線重合；

3）施加在孔壁上的鉆桿摩擦碰撞很可能是多方向，無規律的，那么鉆桿會被孔壁等力推回；

4）鉆具的橫向運動分解為水平方向x和垂直方向y兩部分；

5）合理簡化鉆具的部分構造，包括連接件，箱體，銷軸，軸承等。

基于上述假設，將鉆具的三維實體模型導入到ADAMS多體動力學軟件中，然后設置屬性，添加約束，施加驅動力和載荷，定義接觸，最后得到一個三剛體的剛柔耦合模型如圖1所示，接收煤鉆機的鉆孔工具。

圖1 仿真模型

1.2 模擬結果與分析

在煤鉆鉆孔過程中，隨著鉆桿和氣管逐段增加，鉆孔深度不斷增大，導致鉆具整體剛度降低。因此，在相同的載荷條件下，鉆具的變形阻力會下降，導致變形現象變得更加復雜。煤鉆鉆具的撓度和振動實驗測量和分析，鉆桿的鉆削深度為一段、二段、三段、四段，實際生產應用中的鉆削深度遠遠大于四根鉆桿。為了探索煤鉆遠距離鉆進過程中的撓度和振動，本部分模擬分析了不同鉆深下的撓度和振動，以期獲得三鉆頭鉆具的鉆削深度和撓度性能之間的關系。

例如，對鉆桿的一段、二段、三段、四段、九段、十二段和十五段長度的鉆削深度進行了模擬和分析，獲得了相應的鉆削工具的偏轉和振動。根據進一步統計，左，右鉆桿和氣管在x，y方向上的最大撓度和振動，得到偏差，振動和鉆深的關系，與試驗結果比較可以看出，左右鉆桿的偏差和振動趨勢與空氣管道非常相似。左右鉆桿和氣管在x方向上的偏差隨著鉆孔深度的增加先增加后減小，偏差值達到最大時x方向上的鉆桿數量可達12根；而隨著鉆孔深度的增加，沿x方向的振動不斷增加，至7根鉆桿后氣管的振動趨于穩定。隨著鉆孔深度的增加，左右鉆桿和氣管在y方向上的偏差和振動不斷增加，在振動值達到最大值的y方向上達到12根鉆桿，然后變得穩定。鑒于空氣管道的截面尺寸和空氣管道與煤壁之間的空間，空氣管道沿x和y方向的偏差和振動小于鉆桿。結合以往的研究推斷，當鉆孔深度達到一定值時，氣管的偏差和振動趨勢逐漸趨于穩定。最后，根據上述分析和實驗結果，仿真結果與實驗結果基本一致，證明了其合理性和正確性。

2 穩定器設計

如圖2所示，三位鉆進工具的穩定器現在設計成以三位煤鉆為研究對象，主要由左右穩定環，空心管和連接片構成。

圖2 三鉆頭鉆具的穩定器部件

其中，穩定環直徑略大于鉆桿外緣，且分別配置同心圓鉆桿，對于限制鉆具側向變形起著重要作用。穩定器將限制鉆桿在一定范圍內的變形和變形，通過連接銷釘固定在風洞的寬邊，最終達到提高鉆具整體剛度和穩定性的目的，為定向鉆進提供保證。

三位鉆具的穩定器屬于剛性結構，用兩個穩定的環限制鉆桿的位移，作為剛性位移限制器，進一步達到限制鉆桿與氣管之間撓度的目的。在圖4中示出了在三個鉆管間隔處布置穩定器的三鉆頭鉆具。

3 穩定器對偏轉和振動的影響

鉆井工具的偏差正在增加。鉆桿穩定器可用于控制和減弱長距離鉆進下鉆具的撓度和振動。穩定器合理安置，鉆井工具的振動可以顯著降低，而不會損失煤的傳遞效率，同時可以減少能量損失，提高鉆井效率。為了更直觀地發揮穩定器的作用，更合理地布置穩定器，為了獲得穩定器布置形式對鉆具偏轉，振動和鉆具與煤壁作用力的影響，著重研究三位鉆具如圖3所示。

采用多根鉆桿研究穩定器布置形式對鉆具偏轉、振動的影響規律。根據本文的仿真結果，分析了不同穩定器布置形式下鉆具的撓度和振動情況，得到了不同穩定器布置形式下三鉆頭鉆具的撓度，振動和偏轉力的規律，其中穩定器的布置形成“0”意味著沒有穩定器，“1”到“4”意味著以3到6個鉆桿間隔布置。

圖3 三鉆頭鉆具結構在三個鉆管間隔處布置了一個穩定器

隨著穩定器數量的增加，三位鉆具在x，y方向上的最大撓度和振動逐漸減小；在安裝穩定器后分別隔開五根鉆桿后增加的穩定器的數量對三位鉆具在y方向上的最大偏轉和振動幾乎沒有影響。因此，穩定器“2”“3”和“4”的排列方式能夠有效地控制三位鉆具的偏轉和振動。三位鉆具在x方向上的偏轉力平均值隨著穩定器數量的增加而正負交替，而y方向上的偏轉力由于穩定器的排列形式和數量而逐漸增加對鉆具的整體重量和應力產生重大影響。隨著穩定器的增加，x，y方向的偏轉力的均方誤差有減小的趨勢，并且在穩定器的布置形式“2”處達到最小的均方誤差。因此，穩定器“2”和“4”的布置形式能夠有效地控制三位鉆具的偏轉力，但是由于穩定器過量的布置形式“4”會影響鉆具的整體重量，輸煤效率。

此外，穩定器很好地抑制了每排鉆桿之間的撓曲不平衡，整個鉆具的抗偏轉能力和穩定性得到顯著改善。

4 結論

1）鉆桿穩定器很好地抑制了每排鉆桿之間的撓曲不平衡，整個鉆具的抗偏轉能力和穩定性得到了顯著改善。

2）本文構造的三位煤矸石穩定器的仿真模型，以及對鉆具振動和撓度性能的分析研究，可為穩定器的布置形式設計提供參考。