螺旋钻采煤机钻具定向控制技术的研究.pdf

第 2 7卷第 8期 2 0 0 6年8月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e l V0 I ． 2 7 N0 ． 8 Au g ． 2 006 日试 验 研 究 嗣 文 章 编 号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 6 0 8 - 0 0 3 1 - 0 3 螺旋 钻 采煤 机 钻 具定 向控 制 技 术 的研 究 李建平 。张永忠 。杜长龙 中国矿业大学 ，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 分析 了钻 具在 钻进 过程 中跑偏 的影 响 因素 。 通 过 受压钻杆 力 学模 型 的建 立 。 说 明稳 定 器的安装距 离对钻杆的弯曲变形有较大影响， 同时， 可以通过模型确定稳定器的安装位置， 实现钻 具 定 向钻进 的控 制 ， 并对钻 杆连接 器及 稳定 器进行 了结构设 计 。 关键 词 螺 旋钻采 煤机 ；钻 具 ；定 向控 制 中图号 T D 4 2 1 ． 6 文献标 识码 A Re s e a r c h 0 n Di r e c t i o n Co n t r o l Te c h o l o g y 0 f Au g e r Dr i l l M i n e r Dr i l l L I J i a np i n g。 Z HA NG Yo n gz h o n g。 DU Ch a n gl o n g 【 C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y 。 Xu z h o n 2 2 1 0 0 8 。 Ch i na Ab s t r a c t An aly s i s t h e ma i n f a c t o r s t h a t a f f e c t s t h e dr i l l ’ S i n f i x i n g d i r e c t i o n．Ge t t i n g f r o m t h e p r e s s e d d r i l l s t e m’ s me c h a n i c a l mo d e 1 ．t h e i n s t all d i s t an c e o f t h e s t a b i l i z e r h a s a l a r g e r i n flu e nc e t o t h e b e n d d i s t o r t i o n o f t h e d r i l l s t e m．At t h e s a I n e t i me。t h e mod e l C an b e ma d e u s e o f t o e s t i ma t e the s t ab i l i z e r i n s t a i l e d p o s i t i o n an d t o a d j u s t t h e d i fi e r e n t i n f i x e d d i r e c t i o n． 卟e s t r u c t u r e d e s i g n s o f the d r i l l s t e m’ s l i n k e r and t h e s t abi l i z e d o r g an a r e c a r r i e d o n． ‘ Ke y wo r d s a u g e r d r i l l mi n e r ；dr i l l ；d i r e c t i o n c o n t r o l 0引言 螺旋钻采煤机是一种能够解决薄与极薄煤层开 采、 提高煤炭资源 回收率的采煤设备。在螺旋钻采 煤机钻进的过程 中。 由于诸多因素影响， 钻头的方 向 往往偏离预先设定的理想方 向， 钻具理想的推进方 向是钻具沿着煤层方向， 并且垂直于巷道方向推进。 影响钻具钻进方 向的因素是多方 面的， 但主要有 3 个方 面 ， 即煤 层 的地质 条件 、 钻具 结构 和钻 进工 艺参 数。地质条件因素是不 可人为改变的， 因此保证钻 进方 向主要 是通 过合 理设计 钻具 结构 和调 整钻 进 的 从 Wa r p的输 出结果可 以得到如图 5的翘曲总 量图形数据， 从图 5中可 以得到产 品的总体翘曲变 形量最大值为0 ． 3 3 6 8 n U T I ， 其 中标尺表示变形量 。 最 大 的翘 曲发生 在 边 角 上。 同样 可 以从 Wa r p的输 出 结果 知 道 ， 、 Y 、 Z 3个方 向的 产 品翘 曲最 大 变形 量 分 别 为 0 ． o 9 5 2 ， 一 0 ． 1 0 4 0 、 0 ． 1 0 1 3 ， 一 0 ． 1 1 4 6 、 0 ． 3 3 6 1 ， 一0 ． 1 2 2 7 ， 可 见 在 z方 向 变 形量最大， 最大值为 0 ． 3 3 6 1 n U T I 。 图 5翘 曲总 ■ Fi g． 5 To t a l d e fle c t i o n 3结 语 从经过 M P 1 分析得 到的结果 ， 产 品面板翘曲最 大的变形发生在边上 ， 只有 0 ． 3 3 6 8 n U T I ， 相对值 不 大 ， 不会影响产品最后装配效果 ， 如果要进-步减小 翘曲变形量 ， 就要采用适 当提高注塑温度和注射 速 度 。 改变浇 口位置及形状 ， 把单一压力保压改为分段 保压 ， 合理设计冷却水道 等措 施 ； 注射时间 只需 要 0 ． 9 7 8 S ， 而保压需要 的时间为 1 0 ． 9 4 S ， 但保压最 后 重 量 与注 射 结束 重 量 只 相差 0 ． 4 3 6 g ， 影 响不 大 ； 面 板 有 2条 明显 的熔 接 痕 ， 会 影响外 观质 量 ； 要改 进 设 计方案 ， 熔接痕问题可以通过提高模具温度 ， 提高注 射压力 、 注射时间 ， 改变浇 口截面积 ， 改变浇 口位置 等方法 优化 。 参考文献 [ 1 ] 王 刚， 单岩 ． MO L I HO W 模具 分析应用 实例 [ M] ． 北京 清 华大学 出 版社 ． 2 0 0 5 ． 作者简介 曾亚森 1 9 6 5一 ， 广东化州人 ， 硕 士， 副教授 ， 主要从 事化工过程机械 、 模具设计及计算 机应用专业 教学与科 研 ， T e l O 6 6 8 3 3 0 2 0 2 7， E ma il z y 曲2 O 2 1 c n． c o m． 收稿 日期 2 0 0 6 ． 0 5 。 2 3 31 维普资讯 墨 墨煤机钻具定向控制技术的研究李建平， 等 第 2 7 卷第 8 期 工 艺参 数来 实现 。 1 影 响钻 具定 向钻 进的 因素 1 煤层 地质 条件 地 质 因 素是 客 观 因素 ， 一 旦 选定 煤 层 和钻 孔 方 向， 地质条件因素就是不可改变的。煤层在沉积过 程中形成的分层面、 地质力使煤层破碎形成 的断裂 面 ， 使煤层各处的性质不 同， 即煤是一种非均质性、 各 向异性 的 物质 ， 而 且 煤 层 中还 经 常 夹 杂 着 岩 石 。 在 钻具 钻进 过程 中 ， 它 们将 造成钻 头受 力不 均衡 ， 钻 头将沿着阻力最小的方向钻进， 导致钻具偏斜 。 2 钻具结构因素 螺 旋 钻采 煤 机 的钻 具 主 要 由钻 头和 钻 杆 组成 。 钻头的结构将影响其均衡受力， 如果钻头受力不均 衡 ， 将使钻头偏 离理想 的钻进方向。为了能达到要 求的钻进深度 ， 钻杆需采用多节钻杆连接组合 ， 长距 离钻杆 ， 要考虑钻杆抗弯刚度的影响， 因为长距离钻 杆其本身的重量将会使它产生弯曲， 而钻杆的连接 处 间隙 以及 钻 具 轴 向推 进 力 的作 用 ， 都 会 加 大这 种 弯曲趋势 ， 使钻具在钻进过程 中偏离理想的钻进方 向。 3 钻 进 的工艺 参数 钻进的工艺参数主要指钻具的推进力和转速 ， 钻进工艺参数的选取与所用钻进方法、 煤层情况、 生 产率要求以及钻头、 钻杆的技术参数等相关。在钻 具钻 进过 程 中 ， 可 能产生 跑偏 现象 或钻杆 弯 曲 ， 这时 钻具推进力将影响钻具挠曲变形的程度。推进力加 大 ， 钻具弯曲的趋势也将增大 ， 当其超过临界轴向压 力 时 ， 还会 造成 钻具 失稳 的现 象 。 转速的大小决定 了钻具回转所产生离心力的大 小 。同样 ， 在钻 具钻 进过 程 中产 生跑 偏现 象时 。 离 心 力增大， 将加大钻杆挠曲变形程度。另外 ， 钻具转速 越低 ， 截割下的煤屑尺寸越大。煤块加大 ， 不仅容易 造成卡钻 ， 阻塞煤的正常输送 ， 而且煤块有可能堆积 在钻孔与钻具环状间隙里， 使钻具受力不平衡 ， 加大 钻具 的跑偏 。 2 钻 具定 向控 制 实 现钻 具定 向钻 进 的有效 手段 是选择 合理 的钻 具结构和钻进工艺参数。由于钻头的结构与钻进过 程 中 的径 向力 、切 向力及 轴 向力 的作 用方 向和作 用 形 式有 着密 切 的关 系 ，因而钻 头的结 构对 钻具 的定 向钻 进 起 着 重 要 作 用 。可 以通 过 对 钻 头 的 优 化 设 计，保证钻头截齿的均衡受载、平稳截割 ，使钻头 32 受力均衡。本文主要从钻具的其它结构进行讨论。 1 稳定 器组 合钻 具 一 般 情 况 下钻 具 由钻 头 、 螺 旋 钻 杆 和钻 杆 连 接 器组 成 。但 为 了保证 在 长距 离 钻进 过程 中钻 具能 够 按要求方向定向钻进以及钻杆的稳定 ， 可 以给钻具 安装稳定器 ， 形成稳定器组合钻具。稳定器用其内 圆柱表面套在钻杆上 ， 其外径基本接近所用钻头的 外径 ， 对钻杆起支撑和稳定作用 ， 相 当于支点。同 时， 通过稳定器不同的安装位置 ， 使钻头保持理想的 钻进方向， 以达到控制钻头方向的 目的。 一 般来讲 ， 稳定器不 同的安装位 置可 以使钻 头 的钻进 方 向上仰 、 平直 或下斜 。 将第 1 个稳定器配装在靠近钻头 的位置上 ， 第 2个稳定器配置在远离第 1 个稳定器 的位置上。这 样在钻进过程中， 在靠 近钻头的稳定器的支撑作用 下 ， 充分利用该稳定器后钻杆的 自重使前部钻具上 翘 ， 从而使钻头钻进方向上仰。 如果要使钻头仍沿原钻孔轴线平直钻进 ， 则应 在 钻头后 等距 离配 置数个 稳定 器 一般 不少 于 3个 且 间距不 宜过 大 。这 样 整个 钻 具 在 钻 进 过 程 中 。 由 于稳定器的支撑和定位作用 ， 钻头则 可以沿平直方 向钻进 。 为使钻头下斜钻进 ， 可将第 1个稳定 器的位置 向后移 ， 拉大它与钻头的间距。这样在钻进过程中。 减小稳定器对钻头的束缚 ， 增加其 自由度 ， 依靠钻头 和与之相连的钻杆的 自重作用 ， 使钻头钻进方向下 斜 。 2 稳定 器 间受压 钻杆 的力学 模 型 在钻 具钻 进过程 中， 两 稳定 器之 间 的钻杆 ， 由于 自身重力 作用 ， 有可 能紧贴 在下 孔壁 上 ， 取该 段钻 杆 来分析 ， 其受力状态如图 1 所示 。在两端处钻杆其 它部分对该段钻杆的作用力可用轴向压力 P表示。 此外 ， 钻杆还受到径 向均布载荷 q的作用 。在这种 受力状态下 ， 稳定器起支承作用。 图 1 钻杆 的受力状态 n g． 1 M e c h a ni c s a na l ys i s o f dr i l l s t e m 根据 图 1 ， 钻杆任 意截 面 处 的弯矩 P y 1 z 该段钻杆挠曲线的微分方程为 维普资讯 第 2 7卷 第 8 期 螺旋钻 采煤 机钻 具定 向控制 技术 的研究 李 建平 ， 等 V o 1 ． 2 7 N o ． 8 一 一 吉 z 2 令 因式 2 是二阶线形非齐次微分方程 ， 其通解为 ， A s j n 日 c o s 一 一 q 3 根据其边界条件可以得出轴 向临界压力 4 式 4 反 映 了稳 定 器 间 钻杆 长 度 Z 对 钻 杆 承 压 能 力 的影响 ， 即随稳定 器 间钻杆 长度 Z 减 小 ， 钻 杆 的 承载能力提高。 在 已知 螺旋 钻采煤 机 的轴 向推力后 ， 根 据式 4 可求得钻杆失稳临界状态下两稳定器的间距。在对 稳定器进行布置时 ， 应保证两稳定器之间的距离必 须小于该间距值 ， 并可根据钻进方向调整的要求 ， 确 定其合理距离。 3 钻具 与通 风筒 组合稳 定 通过 以上分析知道， 稳定器组合钻具可以控制 钻具钻进过程 中的上下倾斜 ， 但对钻具的左右摆动 还无法控制。由于螺旋 钻采煤机多采用 2个钻杆 ， 钻杆 间安装有通风筒 ， 钻具的左右摆动使得钻具和 通 风筒 之 间发 生相互 碰撞 ， 损坏 设备 ， 因此钻 杆与 通 风筒之间的相对位置控制是十分必要的。如图 2所 示 ， 可 以把 2个钻 杆 上 的 稳 定器 并 排 与通 风 筒 刚 性 连接 ， 使整个钻具形成一种框架结构 ， 这样即可以保 证钻具在钻进过程 中与通风筒 的相对 位置 固定， 而 且根据前面分析 的钻头偏斜规律 ， 即钻头左转将导 致钻具左偏 ， 右转将导致钻具右偏 ， 当左右钻具的旋 转方向不同时 ， 可以抵消摆动趋势 ， 防止钻具向一边 摆 动 。 图 2钻具与通风筒的组合稳定 ．2 Bu L l d i n一up s t a bil i t y b e t we e n d r i l l a n d a i rt ub e 1 ． 齿轮箱2 ． 钻头3 ． 轴承座4 ． 稳定器5 ． 螺旋钻杆6 ． 通风筒 4 钻杆连接器的结构设计 钻杆连接器是钻杆组合 的重要部件 ， 通过它将 -一 节节钻杆连接起来 ， 使钻具能达到要求钻进深度。 因此其设计要求应能满足钻杆连接后 ， 能够保持平 直 ， 连接 处有 足够 抗 扭 、 抗 压 以及 抗 拉 强 度 ， 而且 钻 杆的连接、 拆卸方便。 每节钻杆上焊有一组连接器 ， 如图 3所示 ， 分别 为 1 个 凸连接 器和 1 个 凹连接 器 。钻 杆 连接 时 一节 钻杆 的 凸连 接器与 另 一节钻 杆 的凹连 接器 相连 。 l 2 3 图 3钻 杆 连 接 器 F i g ． 3 Dr i l l s t e m l i n k e r 1 ． 凸连接器2 ． 钻杆3 ． 凹连接器 为保证钻具 回拖 时钻杆不脱开 ， 而且钻杆拆卸 方便 ， 凹连接器采用如图 4结构形式 。钻杆连接时 ， 凹连接器 的卡块 5在弹簧 4的压力作用下 ， 卡在凸 连接器芯轴 7的环形槽内， 保证钻杆无法脱开； 当需 拆卸钻 杆时 ， 只需 螺 旋 钻采 煤 机 上 的拆卸 钻 杆 装 置 压下顶 销 l ， 则 可 推 动推 块 2向 内移 动 ， 这 时推 块 2 会将卡块 5向外挤 出脱 开 芯 轴环 形 槽 ， 钻 杆 可 以退 出 。 锁鬃状态 打开状态 图 4凹 连 接 器 F i g ． 4 C o n c a v e c o u p l i n g 1 ． 顶销2 ． 推块3 ． 压座4 ． 弹簧5 ． 卡块6 ． 连接器7 ．凸 连接器 芯轴 参考文献 [ 1 ] 白家祉 。 苏义脑 ． 井斜控制 理论与实践 [ M] ． 北京 石 油工业 出版 社 ， 1 9 9 0 ． [ 2 ] 龚建宇 ． 反井钻井偏斜控制技术 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 0 3 7 4 5． [ 3 ] 董蔷等 。 刘保余 ， 李 淑梅 ， 等 ． 可控 向水平 螺旋钻机 的研制 与应用 [ J ] ． 石油工程建设 。 2 0 0 3 1 0 3 7 3 9 ． [ 4 ] 王建军 ， 张绍槐 。 狄堪丰。 等 ． 水平 井段受压钻 杆稳定性 研究 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 1 9 9 5 4 4 2 4 4 ． 作者简介李建平 1 9 6 7一 ， 江 苏徐州人 ， 高级工 程师 ， 中国矿 业大学在读博士生 。 研究方向 机械设计 及理论 。 T e l 0 5 1 63 8 8 5 2 7 2 。 Em a i l l i j p l 0 2 1 1 6 3 ． t o m． 收稿 日期 2 0 0 6 ． 0 5 1 6 3 3 维普资讯