气动潜孔锤短钻柱耦合系统纵向冲击振动仿真研究

• 作 者: 瞿叶高
• 机 构: 中国地质大学(北京)
• 出 处: 中国地质大学(北京)
• 发表日期: 2007年期

气动潜孔锤钻进是一种冲击回转钻进方法，由于其钻进效率高，低耗等优点，广泛应用于水井钻凿、矿山开采等领域。钻进过程中，潜孔锤的往复冲击造成了钻具及地表设备剧烈振动，影响钻头的寿命及钻进效率，甚至导致钻柱疲劳失效而出现钻井事故。然而由于井下动态数据信息难以实测和采集，以及理论分析的难度和深度有限，致使目前对气动潜孔锤钻柱系统的冲击振动问题的理论研究仍不太全面。　　
本文以国家自然科学基金项目（项目编号50475056:气动潜孔锤与短钻柱系统耦合冲击振动机理研究）为背景，首先对潜孔锤钻柱系统动力学的研究现状进行了综述，然后围绕耦合系统冲击振动问题，对活塞非线性动力学特性、钻凿系统冲击及潜孔锤钻柱系统纵向冲击振动等问题进行了重点研究。具体内容如下：　　
首先，在对潜孔锤工作机理及配气过程进行分析研究的基础上，将潜孔锤和空压机作为一个系统，基于气体动力学理论，联立活塞运动方程、气室气体流量方程、状态方程和等熵方程建立了潜孔锤内部非线性动力学模型。利用有限差分方法对建立的潜孔锤内部非线性动力学模型进行了VisualC++编程仿真研究。　　
其次，利用冲击动力有限元程序LS-DYNA3D首次深入地分析了潜孔锤凿岩系统（活塞-钻头-岩石）的瞬态冲击过程。研究了活塞气槽、钻头花键及排气孔等局部结构对冲击力的影响。并以钢块及混凝土为冲击对象，分析了凿岩系统的冲击特性、钢块及混凝土的冲击力-凿深曲线特征等。　　
第三，创新性地提出了利用多体系统动力学仿真程序MSC.ADAMS建立气动潜孔锤钻柱系统刚柔耦合动力学模型的方法。通过对MSC.ADAMS进行二次开发，联合三维造型工具Pro/Engineering及有限元程序ANSYS，在MSC.ADAMS成功地建立了潜孔锤钻柱刚柔耦合的系统动力学模型。　　
最后，本文对建立的气动潜孔锤、气动潜孔锤钻柱系统刚柔耦合动力学模型进行系统仿真，求解了耦合系统的动力响应。获取了气动潜孔锤系统在不同工作压力时，冲击钢块及混凝土的系统时间响应历程及频谱特征。研究了潜孔锤钻柱系统在不同工作压力、不同钻杆参数（不同钻杆长度、直径）时，冲击混凝土所激起的系统振动响应。　　
通过本文的研究，形成了潜孔锤钻柱系统纵向冲击振动一个较为完整的研究体系。文中提出的潜孔锤凿岩系统瞬态冲击及气动潜孔锤钻柱系统耦合动力学仿真等研究方法，具有重要的理论应用意义。同时所分析的潜孔锤钻柱系统振动响应结果，对气动潜孔锤钻柱系统优化设计和钻井工艺的采用具有实际应用价值。