复合载荷作用下矿用定向钻杆接头的三维力学特性分析

煤矿钻杆在严苛的服役环境和复杂的受力状态下易失效,不仅影响正常生产,而且还因打捞困难致使事故恶化。针对上述问题,以煤矿φ73 mm外平定向钻杆为研究对象,对不同载荷下钻杆接头进行了受力分析,并通过单轴拉伸试验获得了接头材料的力学性能参数,构建了接头材料的本构模型。在此基础上,应用虚功原理、Von Mises屈服准则和接触非线性理论建立了钻杆接头螺纹的弹塑性有限元分析模型,分析了不同工况载荷作用下接头部位的受力状态及应力场分布规律。研究结果表明:在预紧扭矩为2000 N·m时,该钻杆接头具有良好的密封性能和联接强度;单扭和拉扭载荷下,靠近主台肩的第一螺纹牙为主要失效部位;在压、弯、扭载荷下,主台肩为主要失效部位;在钻机最大扭矩与推进力的作用下,接头的抗弯能力达到3°/3 m。

工况外载条件下钛合金/钢钻杆接头有限元分析对比研究

由于我国的优质天然气资源主要集中在深层及超深层,超深井的钻探对钻柱提出了更高的性能要求。钛合金钻杆由于具有高强、低密、耐蚀、抗疲劳、耐热和无磁性等优点,是超深层天然气钻柱的研究热点。本文使用三维有限元分析方法,对比研究不同外载条件下钛合金材料和钢钻杆材料对高承载钻杆接头承载性能和密封性能的影响,并分析高承载钻杆接头在工况下的失效方式和力学特性。结论表明:钛合金材料可以使钻杆接头的整体应力水平降低20%,抗扭能力提高约60%,但在同样扭矩上扣后螺纹接头的主台肩密封压力比钢制钻杆接头低15%~20%;当加载内压+拉伸+弯矩的复合载荷后,螺纹的最大危险点由外螺纹主台肩圆弧凹槽处转移到了在外螺纹主台肩侧第一圈齿根处,螺纹整体的应力水平增高,密封性能下降。因此为了满足超深井天然气井钻采需求,使用钛合金/钢钻杆复合钻柱时,可适当提高钛合金钻杆的上扣扭矩,提高螺纹接头的密封性能。

煤矿井下钻机的自动加卸钻杆方法探讨

通过分析煤矿井下自动化钻机常见自动加卸钻杆系统的结构原理、控制方法及适用条件等,对当前钻机自动加卸钻杆系统的特点进行了总结。对现有自动加卸钻杆系统存在的问题提出了具体的研究建议,并指出以防爆伺服电机控制的六轴机械手为核心的自动化钻机加卸钻杆系统是未来的发展方向,可为智能化钻孔机器人的研究奠定基础。

煤矿井下钻杆装卸机械臂设计与应用

针对液驱钻杆装卸机械臂控制精度低,动作连贯性差,不利于实现钻机智能化的问题。以防爆伺服控制技术为切入点,结合钻探施工工艺技术,设计六自由度电驱防爆机械臂,用于煤矿井下钻杆自动装卸,打造新一代智能化钻杆装卸平台。首先分析了钻杆装卸机械臂主要参数,根据参数要求设计机械臂结构方案,再进行机械臂驱动部件选型计算,最后通过运动学仿真与分析,验证机械臂满足钻杆装卸要求。现场试验表明,设计的钻杆装卸机械臂运行稳定,智能化程度高,适用于煤矿井下恶劣环境。

复合载荷下矿用钻杆接头螺纹应力分析

基于有限元分析法建立了钻杆接头模型,对比分析了钻杆双顶结构和无双顶结构的钻杆接头在上扣扭矩、轴向载荷、弯曲扭矩复合载荷作用下螺纹接触面的受力状态和应力分布情况。结果表明:复合载荷作用下2种结构接头受拉面螺纹应力大于受压面螺纹,双顶结构螺纹应力小于无双顶结构;无双顶结构的受压面螺纹应力分布呈现两头大、中间小的不均匀状态,双顶结构螺纹应力分布较为稳定。

矿用钻孔机器人加卸钻杆的避障轨迹规划研究

矿用钻孔机器人加卸钻杆位置会随主机的调姿而变化,同时在加卸钻杆路径中还存在障碍物。因此,钻孔的加卸钻杆过程存在变目标的避障轨迹规划问题。根据防爆六自由度机械手的性能参数建立DH参数表,并提出三自由度主机调姿前后加卸钻杆位置变化的函数关系。利用凸包络体结合简单几何体的包络法建立了加卸钻杆系统的碰撞检测模型,可通过欧氏距离判断是否发生碰撞。提出了三段式的加卸钻杆避障轨迹规划策略,第一段和第三段在笛卡尔空间下采用直线规划,第二段在关节空间下采用多项式插值算法进行规划,并可通过增加过渡点解决避障问题。开展了基于七次多项式插值的最小冲击避障轨迹规划算法研究,由仿真分析可知,关节角度、角速度、角加速度和角加加速度都是连续的,但绝对值峰值很大且路径较长。进一步开展了基于改进双树RRT算法、B样条路径优化及七次多项式插值的冲击优化避障轨迹规划算法研究,由仿真分析可知,不仅可保证关节角度、角速度、角加速度和角加加速度的连续性,且路径较短,角加加速度的绝对值峰值降低了98.2%。通过示教试验验证了冲击优化避障轨迹规划方法在避障、加杆轨迹规划等的可行性,机械手各关节运行曲线及运动路径与仿真结果具有较高的相似度。研究结果可为钻孔机器人加卸钻杆系统控制程序提供借鉴,对钻机智能化提升具有重要意义。

超深钻岩芯地质环境真三轴试验装置研制及应用

为研究超深部岩芯的变形与破裂行为,研制了超深钻岩芯地质环境真三轴试验装置。该装置主要用于测试超深钻岩芯加工的试样(25 mm×25 mm×50 mm)在真三轴应力下的全应力-应变行为、循环加卸载破裂行为和时效变形行为,解决了试样变形测量不准确、加载系统低刚度、高油压与作动器压力互相干涉等技术难题。利用该装置完成了山东黄金集团三山岛金矿西岭副井工勘孔岩芯真三轴应力下力学行为的测试,发现:循环加卸载弱化了试样的脆性破裂特征,诱导3个方向的变形表现出各向异性;分级蠕变试验中,试样3个方向的变形均表现出初始蠕变、稳态蠕变、加速蠕变,且3个方向的蠕变速率均随偏应力的增加近似线性增加。

某井钻杆接头断裂原因

在对某油气井的钻探过程中,钻杆接头发生断裂。采用宏观观察、化学成分分析、扫描电镜分析、力学性能测试、金相检验等方法对该钻杆接头的断裂原因进行分析。结果表明:该钻杆接头的断裂性质为疲劳断裂,钻杆钻进过程中频繁发生跳钻、憋钻现象,使其瞬时载荷较大,在钻杆大端螺纹根部萌生了疲劳裂纹,在复杂的交变载荷作用下,裂纹快速扩展,最终导致钻杆接头发生断裂。

一种管接头自动化生产线设计

为了解决管接头加工过程中存在的耗人费时问题,设计了一种管接头自动化生产线。该生产线采用PLC控制,由冷镦机、机床、滚丝机、振动盘和物流输送线等组成,具有自动上下料、定位精度高、生产耗时少等特点,大大减轻工人的工作量,显著提升管接头的生产效率。

煤矿井下自动加卸钻杆靶标图像清晰化方法研究

受煤矿井运输巷道空间限制,将钻孔机器人设计为灵活布局的钻进和钻杆加卸2个独立系统,利用基于合作靶标的单目视觉识别,将钻进和钻杆加卸2个系统关联,解决两系统递送钻杆的协同作业问题。然而,煤矿井下钻孔施工中场景复杂,存在孔口煤渣、污水污染合作靶标、粉尘浓度大能见度低、人造光源亮度低、光照不均匀使靶标图像对比度低,以及矿灯直射合作靶标反光等问题,会影响合作靶标图像清晰度,使基于靶标识别加卸钻杆的位置的精度降低,进而影响钻孔机器人自动加卸钻杆的成功率。因此,首先针对施工中孔口返出的煤渣、煤泥污染合作靶标的问题,利用形态学滤波中先腐蚀,再膨胀的开运算,清除煤渣间断斑块和突出靶标像素点;先膨胀再腐蚀的闭运算,消除小的孔洞和间断细小鸿沟,达到消除固体污染物对合作靶标的影响;其次针对粉尘、岩尘、水雾和污水影响图像对比度问题,通过暗通道先验求出初始透射率,采用梯度域导向滤波精细化透射率,利用导向滤波得到改进暗通道,并求大气光值,利用大气散射模型得到除雾后的图像,实现清晰化图像、增强图像对比度目的;最后对亚像素级角点和方向进行精细化,优化能量函数,使用种子棋盘格沿4个边缘生长棋盘格,用能量变化情况确认是否生长出最大的棋盘,补全因强光反射缺失的合作靶标图像。实验结果表明:将形态学滤波、去雾算法和棋盘格生长等方法相融合,可增强煤矿井下复杂场景钻孔施工中合作靶标图像的清晰度,提高基于视觉识别的图像精度,为钻孔机器人自动加卸钻杆的精确控制奠定基础。

弯曲井段钻杆接头螺纹力学性能分析及结构优化

建立了三维数值仿真模型,分析了API NC38单台肩和双台肩螺纹在复合载荷下的力学特性,发现两种结构的最大应力均出现在第1啮合螺纹牙根部,且第1啮合螺纹牙圆周应力分布不均,容易出现应力集中。基于此,提出了不等锥度钻杆接头螺纹的连接方案,对比分析了3种螺纹结构(单台肩、双台肩和不等锥度)在复合载荷下的力学特性。结果表明,不等锥度螺纹力学特性及第1啮合螺纹牙圆周应力分布均优于API单、双台肩螺纹,其中不等锥度Ⅱ型性能最优,在相同载荷条件下,相较于单、双台肩螺纹结构,最大Mises应力分别减少了16.6%和8.28%,圆周应力分布更加均匀,有效提高了钻杆接头的使用性能。

碎软煤层双管定向钻具自动加卸系统关键技术与应用

为提高双管定向钻进钻孔施工时钻具加装和拆卸的自动化水平,提高装卸效率,开发一种双管自动加卸装置,实现不同工况下钻具的全自动装卸,解决双管定向钻进过程中钻杆和套管的同时加装和拆卸的技术难题,完成装置结构和控制系统的设计,运用末端柔顺技术,限制施工过程中装置承受的载荷,明确控制程序关键边界条件,制定不同工况下钻具自动装卸施工工艺流程。在安徽淮北矿业祁南煤矿展开工业性试验,试验顺利完成4个钻孔的施工,共进尺1170 m。试验过程中双管自动加卸装置运行平稳,能够满足不同工况下钻具组合的加装和拆卸需求。将原本需要2~3人密切配合才能完成的钻具组合自动装卸工作,变为依靠程序控制自动完成,钻杆和套管同时装卸和单独装卸平均效率较人工装卸分别提高了350%和110%,保证了双管定向钻进综合施工效率,减少了作业工人数量,降低了工人劳动强度,保障了施工安全。试验结果表明:双管自动加卸装置运行稳定可靠,施工工艺流程合理,装置各项性能满足双管定向钻进需求。研究成果为双管定向钻孔施工钻具的自动装卸提供了技术和装备支撑,为双管定向钻进技术在煤层气开采相关领域的推广应用奠定了基础。

眼前山铁矿中深孔凿岩台车远程遥控系统应用研究

采矿装备的远程遥控作业乃至自动化作业是实现矿山智能化建设的核心所在。本文以眼前山铁矿无底柱分段崩落法生产区域内凿岩作业为基础,对矿山现有Simba1354中深孔凿岩台车进行远程遥控改装,实现了凿岩作业的远程遥控、自动装卸杆、台车运行状态在线采集和预维护管理,提升了中深孔凿岩台车的自动化作业水平。中深孔凿岩台车远程遥控系统的应用,有效减少了一线作业人员,改善了工人作业环境,助力矿山实现本质安全生产。

煤矿井下钻杆装卸机器人末端执行机构设计与分析

为满足煤矿井下钻杆装卸机器人对末端执行机构的使用要求,研制了一型液动永磁钻杆抓取装置。分析了钻杆装卸机器人的结构特点和钻杆装卸工艺流程,提出采用磁力吸取后机械夹紧定位的方式解决紧密码垛式堆放钻杆的抓取问题和机器人的末端柔顺问题;通过4组齿轮反向啮合的方式消除了装置的传动间隙,实现了钻杆的精确定位;通过理论计算验证了装置关键技术参数选取的合理性。试验结果表明:抓取装置夹持力满足设计和使用要求,在不同工艺流程中的机器人均能工作在额定载荷范围之内;采用磁力实现钻杆的取放需要特别注意保证钻杆表面洁净,钻杆表面的污物会造成磁铁与钻杆间的磁力下降,导致抓取失败。

某钻杆典型复合载荷工况下结构完整性分析

为了便于发现和解决作业过程中可能发生的钻杆损伤或失效等结构完整性破坏问题,采用有限元数值方法构建了某型号钻杆的三维模型,根据该钻杆实际工作情况,分别取压扭、压弯和压扭弯3种典型复合载荷工况,又分别在2种钻压、2种扭矩和3种弯曲载荷组合的工况下,仿真获取了钻杆的变形场、von Mises应力场和von Mises应变场分布,由此确定了该型钻杆的刚度与强度,进而评估钻杆的结构完整性。分析结果表明:在各种压扭组合载荷工况中,该钻杆的最大变形率为0.08%,最大von Mises应力位于钻杆后端仪器舱穿线孔壁处,屈服安全系数为1.56;在各压弯和压扭弯组合载荷工况时,其最大变形率分别为2.25%和2.28%,最大von Mises应力均位于前端仪器舱穿线孔壁处,屈服安全系数分别为1.94和1.70。该型钻杆的结构完整性满足要求。所得方法与结论可为钻杆的数值计算以及结构完整性分析提供理论与技术参考。

随钻跟管桩钻孔卸荷与后注浆效应的试验研究

为了克服管桩施工的挤土效应,研发了钻进成孔、同步沉桩和后注浆的嵌岩非挤土大直径随钻跟管桩。通过足尺寸原位试验,测试了钻孔沉桩和桩侧注浆施工引起的桩周土体变形及压力变化情况,分析了钻孔卸荷和后注浆效应沿水平方向和深度方向的变化规律,揭示了随钻跟管桩施工对桩周土体的扰动。此外,基于圆孔收缩理论提出了随钻跟管桩钻孔卸荷变形预估方法。研究表明,随钻跟管桩的施工扰动主要表现为钻孔卸荷效应和桩侧后注浆效应,钻孔卸荷使孔壁收缩3.5~18.9mm,后续的桩侧注浆使收缩变形恢复了28%~50%,部分消除了钻孔卸荷效应的影响。修正后的圆孔收缩理论,可预估钻孔卸荷引起的桩周土体径向位移及压力变化。与锤击/静压管桩及中掘法管桩的挤土效应相比,随钻跟管桩的钻孔卸荷效应小,在城市建筑和管线密集区域应用更具优势。

救援车载钻机钻具自动拧卸系统研制及应用

救援车载钻机施工大直径救援孔时需要频繁起下钻具,钻具自动拧卸系统作为钻机起下钻拧卸钻具的重要组成,其拧卸效率和可靠性直接影响救援钻孔的施工效率与施工安全。针对目前矿山救援车载钻机孔口平台难以满足大直径钻具通过性要求、钻具拧卸自动化水平低等问题,研发可满足大直径钻具通过及快速对中、夹持、自动拧卸功能集成于一体的钻具自动拧卸系统。研制了可与钻机快速拆装的大开口液压孔口装置,可以实时监测和调节孔口装置的水平度,并且满足孔内钻具承载和不同工况的起下钻施工要求。研制了具有双导轨结构的钻具自动拧卸装置,可以实现液压吊卡起下钻和顶驱加装双臂钻具起下钻两种施工工艺。经过结构仿真分析、型式检验和现场工业性试验,最终形成一套大通径、结构紧凑、具有高负荷承载力,可实现手、自一体化一键上卸扣作业,满足850 mm集束潜孔锤起下钻要求的钻具自动拧卸系统,提高了钻具拧卸效率,为救援钻孔的快速施工提供了可靠的装备保障。

复合载荷下S135钻杆管体裂纹扩展与结构改进

在轴向、弯曲和扭矩等多种载荷的循环复合作用下,钻杆管体应力集中部位或材料缺陷处会产生裂纹萌生和疲劳裂纹扩展现象,导致管体失效甚至断裂。以API S135钢级钻杆管体为研究对象,通过单轴拉伸试验和裂纹扩展试验测试材料力学性能参数,建立管体数值仿真模型,并以管体疲劳失效案例作为验证对象来验证模型可行性。通过裂纹扩展数值模拟发现,管体内加厚过渡消失区最容易断裂失效,且载荷循环次数最低;载荷应力比增大,可以降低疲劳断裂失效风险。通过对管体内加厚过渡消失区结构改进设计发现:改进管体内加厚锥部长度和管体外加厚锥部长度对管体最大应力和载荷循环次数改变不大,而提高管体壁厚t后应力下降显著,且载荷循环次数提高明显。因此提高管体壁厚t是更为有效的改进方式,并通过正交实验对结构组合进行分析和优选。

卡杆式自动接卸钻杆装置设计与应用

为解决现有矿用钻深孔设备在现场施工中人工接卸钻杆工序劳动强度大、危险性高的问题,设计了一种卡杆式自动接卸钻杆装置。对其控制系统进行硬件选型和监控程序开发,并开展关键零部件的有限元仿真计算,最后通过现场应用进行验证。该装置能够满足强度和刚度要求,可使操作人员的劳动强度得到降低,提升了钻孔工作效率,实现了设备的自动化和智能化。

ZY45LK型自动化连续换杆车研制

针对大功率自动化定向钻机配套钻杆质量大、钻杆仓储存钻杆数量有限、工人装填钻杆劳动强度大、作业效率低的问题,研制了一款移动灵活、携杆量大、巷道适应性强、上/卸钻杆效率高的ZY45LK型自动化连续换杆车,并对换杆车的钻杆箱、上杆装置、操作台等关键技术及工作流程进行了研究。结果表明,换杆车结构设计合理,电液控制系统稳定可靠,大幅提高了大功率自动化定向钻机连续上/卸钻杆的施工效率,为进一步提高钻探装备的自动化、智能化水平提供可靠的装备保障。