煤鉆機的振動及機構(gòu)優(yōu)化仿真設(shè)計

王海鋼

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西晉中 045400）

0 引言

煤鉆機是薄煤層采用的一種新型采煤設(shè)備，實現(xiàn)了無工作面采煤和支護，具有廣闊的應(yīng)用前景，其整體結(jié)構(gòu)和鉆井現(xiàn)場如圖1所示。?

圖1 實際工程案例中煤炭鉆機的工作示意圖

然而，由于鉆機自身結(jié)構(gòu)、鉆井深度、鉆井負(fù)荷、與煤壁的碰撞、實際鉆井過程中的摩擦阻力等因素，煤鉆的惡劣工況會導(dǎo)致嚴(yán)重的變形，問題嚴(yán)重時會影響鉆井深度和鉆井效率。另外，鉆具偏轉(zhuǎn)后的復(fù)雜載荷力和嚴(yán)重形變，容易造成鉆具粘連，鉆桿脫落等危險事故，這是煤鉆應(yīng)用開發(fā)的嚴(yán)重制約因素［1-3］。因此，本文在鉆進(jìn)過程中對三鉆鉆具的撓度和振動進(jìn)行了實驗和模擬，提出了一種新型的三鉆鉆具穩(wěn)定器，以減弱和控制撓度和振動，為定向鉆進(jìn)提供了科學(xué)依據(jù)。

目前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注煤矸石鉆機的研究較少，但在相關(guān)領(lǐng)域研究較多，可為本文的研究提供指導(dǎo)和參考。Du?nayevsky和Abbassian首先提出，鉆桿不僅圍繞自身軸旋轉(zhuǎn)，而且產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，其旋轉(zhuǎn)頻率遠(yuǎn)小于其固有頻率，為鉆桿動力學(xué)分析開辟了新的方向［4］。另外，目前還沒有有效的控制撓度的措施，穩(wěn)定器布置形式的研究僅限于理論分析，很少關(guān)注相應(yīng)的仿真研究。針對這種情況，本文首先構(gòu)建了三位煤鉆鉆具的鉆井試驗臺，并進(jìn)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?cè)狁詈戏抡婺Ｐ?，分析了不同鉆深下的振動和撓度性能；最后設(shè)計了一種新型的鉆桿穩(wěn)定器，利用該穩(wěn)定器構(gòu)建了三位煤鉆的仿真模型，研究了穩(wěn)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(xué)依據(jù)。

1 礦井煤層煤鉆機的優(yōu)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(fù)雜推進(jìn)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。本文重點介紹鉆井工具并提出以下基本假設(shè)：

（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，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(guī)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(gòu)造，包括連接件，箱體，銷軸，軸承等［5］。

基于上述假設(shè)，將鉆具的三維實體模型導(dǎo)入到AD?AMS多體動力學(xué)軟件中，然后設(shè)置屬性，添加約束，施加驅(qū)動力和載荷，定義接觸，最后得到一個三剛體的剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D2所示，接收煤鉆機的鉆孔工具。

圖2 仿真模型

1.2 模擬結(jié)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(dǎo)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(dǎo)致變形現(xiàn)象變得更加復(fù)雜［6］。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1，2，3，4段，實際生產(chǎn)應(yīng)用中的鉆削深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于四根鉆桿。為了探索煤鉆遠(yuǎn)距離鉆進(jìn)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(guān)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(jìn)行了模擬和分析，獲得了相應(yīng)的鉆削工具的偏轉(zhuǎn)和振動。根據(jù)進(jìn)一步統(tǒng)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(guān)系，與試驗結(jié)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(dá)到最大時x方向上的鉆桿數(shù)量可達(dá)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(wěn)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(dá)到最大值的y方向上達(dá)到12根鉆桿，然后變得穩(wěn)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(jié)合以往的研究推斷，當(dāng)鉆孔深度達(dá)到一定值時，氣管的偏差和振動趨勢逐漸趨于穩(wěn)定。最后，根據(jù)上述分析和實驗結(jié)果，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致，證明了其合理性和正確性。

2 穩(wěn)定器設(shè)計

如圖3所示，三位鉆進(jìn)工具的穩(wěn)定器現(xiàn)在設(shè)計成以三位煤鉆為研究對象，主要由左右穩(wěn)定環(huán)，空心管和連接片構(gòu)成。

圖3 三鉆頭鉆具的穩(wěn)定器部件

其中，穩(wěn)定環(huán)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(cè)向變形起著重要作用。穩(wěn)定器將限制鉆桿在一定范圍內(nèi)的變形，通過連接銷釘固定在風(fēng)洞的寬邊，最終達(dá)到提高鉆具整體剛度和穩(wěn)定性的目的，為定向鉆進(jìn)提供保證。

三位鉆具的穩(wěn)定器屬于剛性結(jié)構(gòu)，用兩個穩(wěn)定的環(huán)限制鉆桿的位移，作為剛性位移限制器，進(jìn)一步達(dá)到限制鉆桿與氣管之間撓度的目的［7］。在圖4中示出了在三個鉆管間隔處布置穩(wěn)定器的三鉆頭鉆具。

3 穩(wěn)定器對偏轉(zhuǎn)和振動的影響

鉆井工具的鉆井工具的偏差正在增加。鉆桿穩(wěn)定器可用于控制和減弱長距離鉆進(jìn)下鉆具的撓度和振動。穩(wěn)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(fā)揮穩(wěn)定器的作用，更合理地布置穩(wěn)定器，為了獲得穩(wěn)定器布置形式對鉆具偏轉(zhuǎn)、振動和鉆具與煤壁作用力的影響，本文著重研究了三位鉆具如圖4所示。

圖4 三鉆頭鉆具結(jié)構(gòu)在三個鉆管間隔處布置了一個穩(wěn)定器

采用12根鉆桿和3根、4根、5根和6根鉆桿間距分別安裝穩(wěn)定器，研究穩(wěn)定器布置形式對鉆具偏轉(zhuǎn)、振動的影響規(guī)律。根據(jù)本文的仿真結(jié)果，分析了不同穩(wěn)定器布置形式下鉆具的撓度和振動情況，得到了不同穩(wěn)定器布置形式下三鉆頭鉆具的撓度，振動和偏轉(zhuǎn)力的規(guī)律，其中穩(wěn)定器的布置形成“0”意味著沒有穩(wěn)定器，“1”到“4”意味著以3到6個鉆桿間隔布置。

隨著穩(wěn)定器數(shù)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??；在安裝穩(wěn)定器后分別隔開五根鉆桿后增加的穩(wěn)定器的數(shù)量對三位鉆具在y方向上的最大偏轉(zhuǎn)和振動幾乎沒有影響。因此，穩(wěn)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(zhuǎn)和振動。三位鉆具在x方向上的偏轉(zhuǎn)力MV（平均值）隨著穩(wěn)定器數(shù)量的增加而正負(fù)交替，而y方向上的偏轉(zhuǎn)力由于穩(wěn)定器的排列形式和數(shù)量而逐漸增加對鉆具的整體重量和應(yīng)力產(chǎn)生重大影響。隨著穩(wěn)定器的增加，x，y方向的偏轉(zhuǎn)力的MSE（均方誤差）有減小的趨勢，并且在穩(wěn)定器的布置形式“2”處達(dá)到最小的均方誤差。因此，穩(wěn)定器“2”和“4”的布置形式能夠有效地控制三位鉆具的偏轉(zhuǎn)力，但是穩(wěn)定器過量的布置形式“4”會影響鉆具的整體重量，輸煤效率［8］。

此外，穩(wěn)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(zhuǎn)能力和穩(wěn)定性得到顯著改善。

4 結(jié)論

綜上所述，本文以三位煤鉆為研究對象，對鉆具進(jìn)行合理簡化和假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立了三位煤鉆的仿真模型，分析了不同鉆深下的振動和撓度性能。然后設(shè)計了一種新型的鉆桿穩(wěn)定裝置，并與普通煤鉆相比，構(gòu)造了一種三位煤矸石穩(wěn)定器的仿真模型，研究了鉆具的振動和撓度性能，為穩(wěn)定器的布置形式提供了科學(xué)依據(jù)。