ZYW1200R型钻机螺旋钻杆的参数设计.pdf

2008年12月矿业安全与环保第35卷增刊ZYW一1200R型钻机螺旋钻杆的参数设计詹夫勇(煤炭科学研究总院重庆研究院，重庆400037)摘要：以ZYW一1200R型钻机的螺旋钻杆为研究对象，重点介绍了螺旋钻杆的接头、叶片螺旋升角及螺距的设计过程；简要地说明了该螺旋钻杆在松藻矿务局的试验情况，验证了螺旋钻杆参数设计的正确性。关键词：突出松软煤层；螺旋钻杆；螺旋钻进；叶片；螺距中图分类号：TDTl2+63文献标识码：A文章编号：10084495(2008)S1一000902ZYW一1200R型钻机是用于突出松软煤层钻进瓦斯抽排放孔的专业钻机，采用螺旋钻进工艺，利用三翼硬质合金扩孔钻头，能有效地防止和减少突出松软煤层钻进过程中垮孔、抱钻及喷孔等孔内事故的发生，极大地提高突出松软煤层瓦斯抽排放孔的成孔率。螺旋钻杆是突出松软煤层钻机螺旋钻进的重要部件，是钻机与钻头动力传递的重要环节。该钻杆将钻机的输出转矩和推进力传递到钻头，使煤体破落，钻头切下的煤屑通过螺旋钻杆的叶片向孔外输送，钻杆在输煤过程中，由于煤屑间及煤屑与叶片间的相互挤压作用，造成对煤岩的二次破碎。因此，在进行螺旋钻杆的参数设计时，应从多方面考虑，通过螺旋钻杆的优化设计，选择合理的接头形式及螺旋参数，才能提高块煤率和输煤效果，从而有效地防止垮孔、抱钻及喷孔等孑L内事故的发生，以达到提高突出松软煤层钻进成孔率的目的。笔者在对螺旋钻杆输煤机制进行分析研究的基础上，以钻杆接头形式、叶片螺旋升角、导程等参数为设计变量，同时考虑了浮煤量、块煤率及能耗等因素的影响，建立了相应的数学模型，以使螺旋钻杆的参数更能符合工作的要求。1螺旋钻杆的参数设计11螺旋钻杆钻进的基本原理螺旋钻进技术是根据螺旋叶片连续排渣的机制，在突出松软煤层中钻进瓦斯抽排放孔的钻进技术，由于其使用了压风干式排渣，减少了冲洗液对孔收稿日期：20080123；20080806修回作者简介：唐大勇(1卅)，男，重庆永川人，硕士，工程师，从事钻机设计工作。电话：02365239391，Email：tdylq126coino壁的冲刷作用，有力地维护了钻孔的稳定性，使成孑L率大大提高。在钻孔施工时，回转液压马达通过变速箱体，把回转运动传递给钻机主轴，主轴通过水辫总成及u型销与钻杆、钻头相连，并带动钻杆及钻头旋转。在推进机构推进力及动力头回转转矩的双重作用下，煤体被切割撕碎；同时，螺旋钻杆在孔内旋转和推进，在螺旋叶片与孔壁相互挤压的作用下，使破碎的煤屑沿螺旋叶片连续不断地排出孑L#I-。利用这种钻进技术，能够使孔内的瓦斯得以逐步释放，从而有效地防止抱钻、喷孔【lJ。12螺旋钻杆的主要参数设计螺旋钻杆的主要参数设计是指钻杆接头、叶片螺旋升角及螺距等参数的设计。钻杆接头的设计主要是指钻杆接头断面尺寸的设计，同时要结合螺旋钻杆芯管直径及钻机所能承受的最大负荷来确定，而螺旋钻杆的芯管直径是根据钻孔施工要求及设备的能力来设计的，考虑到螺旋叶片在转动中对孔壁的刮削作用，故螺旋钻杆外径应小于所要施工钻孔的直径。叶片的螺旋升角设计主要是指叶片内径(即芯管直径d)螺旋升角的设计，因为螺旋钻杆的加工成形过程中，螺旋叶片是根据芯管直径绕制出来的，故在设计叶片螺旋升角时，只需确定叶片内径的螺旋升角即可12】。螺旋叶片的螺距需根据钻杆有效长度来确定，同时兼顾叶片螺旋升角的要求，只有当螺旋叶片升角与螺距匹配得较好时，螺旋钻杆的排渣效率才会最高，即当钻杆转速一定时，同一时间内钻杆的排渣量最多。121钻杆接头的设计【3钻杆接头有锥螺纹、矩形螺纹、四方及六方等多种接头形式。由于突出松软煤层钻机在钻孔施工·9·万方数据2008年12月矿业安全与环保第35卷增刊时，极易出现垮孔、抱钻等孔内事故，钻机要时常反转，故用螺纹连接方式显然是不合理的(因为反转就掉钻杆)。因此，松软煤层钻机的钻杆接头就只能用四方和六方接头形式。四方接头和六方接头截面受力图见图lnqkqf。蕊厂y猷差?qNg(a)四方接头(b)六方接头图l四方接头与六方接头截面受力图接头的剪切应力计算公式如下：1)四方接头的剪切应力r：譬(1)一尺2、172)六方接头的剪切应力r：笔掣(2)一R2、7式中：r为接头的剪切应力，MPa；T为钻机的最大计算转矩，N·m；R为截面的内接圆半径，in。由受力图及剪切力计算公式可以看出，当四方接头与六方接头截面的内接圆直径相等时(即尺一定)，四方接头的剪切应力是六方接头的17倍；同时，六方接头横截面积(S=33R22：26R2)比四方接头的横截面积(S2=2R2)要大30，故在同一起拔力，的作用下，六方接头的拉应力(盯。=FS。)比四方接头的拉应力(ar2=FIS：)小3000。因此，为保证螺旋钻杆有较高的承载能力，其接头形式采用受力较好的六方接头。同时，为提高六方接头表面的耐磨性及抗疲劳能力，可对其进行高频淬火，以提高其表面硬度。122螺旋升角p的确定Ho为研究方便，假设螺旋叶片为等螺距、等直径的单头螺旋。在钻孔施工时，煤屑在螺旋叶片的挤压作用下，沿螺旋叶片排出孔外，在这一过程中，煤屑受到螺旋叶片的摩擦力作用。以煤屑颗粒为研究对象，可以作出煤屑在螺旋叶片中的受力图(见图2)。由煤屑力的三角形关系可求得：F=Qtan(p一妒)(3)式中：F为煤屑间的相互作用力，N；Q为叶片对煤屑的挤压力，煤屑排出孔外的驱动力，N；卢为螺旋叶片·10·图2在螺旋叶片中煤屑的受力图的螺旋升角，(o)；妒为煤屑与螺旋叶片间的摩擦角，(。)。由式(3)可知，当p>妒时，煤屑间的相互作用力F成为阻抗力，阻止煤屑加速运动，从而减缓了煤屑快速排出：fL夕l-；当卢妒时，煤屑间的相互作用力，成为部分驱动力，促使煤屑匀速或加速运动，从而加快了煤屑排出孔外。因此，为使煤屑沿螺旋叶片快速顺利地排出孔外，必须使叶片的螺旋升角p小于煤屑与叶片间的摩擦角，即卢妒。于是有：tan卢tan妒。一般取煤屑与叶片间的摩擦系数：f=tan妒=046058则摩擦角=2470300，故叶片内径的螺旋升角的取值范围卢2470。300。123螺距的确定【lz5“】为研究方便，取叶片一个螺距为研究对象，将叶片沿钻杆中心线展开(见图3)，卢为叶片内径的螺旋升角，P为叶片螺距，AB表示叶片内径展开长度，AC为叶片外径展开长度，肋(CE)为叶片的螺距。故卢与螺距P及钻杆轴直径有以下三角关系：D彭钆、7-北d口C一，。D图3叶片展开图tanp=筹=而P由上可知，煤屑顺利排出孔外的必要条件是：tanptan9=f=046058于是有：P7c(O46058)d=(144一182)d(下转第13页)万方数据2008年12月矿业安全与环保第35卷增刊加工相对容易。根据实践经验，公称直径225nlln及以上的管材适合用端面密封法，0200mill及以下的管材适合用外壁密封法。2非金属管耐负压性能试验研究检测系统建成后，选取了20余种不同规格、材质的非金属管进行试验研究。部分有代表性的试验数据见表3。表3检测系统验证试验记录在试验过程中，发现该检测系统存在一些问题，如过电流保护继电器选用不当，对电动机的过流保护不及时，当真空泵堵转时电动机被烧毁；个别管材尺寸不标准，密封不严密，改用80。真空封泥辅助密封，效果较好。试验表明该检测系统具备试验压力一00990MPa，试验时间1999h可调的试验能力。在试验过程中，模拟各种状况，密封的非金属管泄漏后试验能马上停止；即使真空泵堵转，试验也能及时停止。系统达到了设计要求，能够满足非金属管耐负压性能的试验要求。3结语该系统可实现非金属管材耐负压性能试验的自动控制，其性能可靠，成本低廉，操作简单，易于推广。还有一些可以改进的地方，如通过计算机采集信号，利用软件可以更精确测量控制试验压力和试验状态。参考文献：1李跃军，于双海井下固定式抽放瓦斯泵站设计及实施探究J华北科技学院学报，2006，3(1)(责任编辑l卫蓉)(上接第10页)根据以上条件，可选取叶片内径d=50mnl，螺距P=80mm，则螺旋钻杆的叶片螺旋升角口=27o。2工业性能试验2006年11月，该钻杆在松藻矿务局打通一矿(突出矿井)进行工业性能试验，钻孔施工采用顺煤层钻进，钻孔倾角为21。，孔径为90舢，孔深为100200m。试验进行了15d，完成5个钻孔，其深度分别为1256，128，1032，202，120m，钻机旋转压力为56MPa，推进压力为24MPa，旋转速度采用高速档(转速为280rmin)，除第4个孔在钻进时遇到矸石而未成功外，其余4个孔均达到了钻进要求；螺旋钻杆的排渣情况相当顺畅，没有出现卡钻现象，这说明钻杆按以上设计思路进行设计是合理的、也是成功的。3结论1)螺旋钻杆的参数设计结合了以往钻杆的设计经验，分析研究了煤屑与螺旋叶片间的相互作用，把机械原理的螺旋副原理应用到了螺旋叶片的参数设计中，优化了螺旋钻杆的设计参数，这在工业性能试验的实践中得到了较好验证。2)采用螺旋钻进技术可有效地防止和减少抱钻、喷孔及垮孔等孔内事故的发生，即使发生抱钻，也可通过反转钻杆的方法将钻杆从孔内退出，因此，螺旋钻进对解决松软突出矿井的瓦斯治理工作有着显著的经济效益。3)螺旋钻进技术对解决本煤层瓦斯抽放有着广阔的应用前景。在压风的配合下，螺旋钻杆有比光钻杆更强的排渣能力，提高了钻进时的成孑L率。4)螺旋叶片焊接在钻杆芯管上，不仅使螺旋钻杆的排渣更加顺畅，同时还增加了钻杆的强度，有效地避免了钻孔易出现钻杆断裂的现象。参考文献：1李建平，张永忠，杜长龙螺旋钻采煤机钻杆的结构参数优化设计J煤炭科学技术，2006(8)：8一102黄石茂螺旋输送机理及其主要参数的确定J广东造纸，1998(3)3刘鸿文材料力学M北京：高等教育出版社，19914孙恒，傅则绍机械原理M北京l高等教育出版社，19895王传礼，王鸿萍新型螺旋滚筒装煤性能的理论研究J煤矿机械，2001(2)6】田东庄，姚宁平防突螺旋钻进装备与技术的研究J地质装备，2004(9)：89(责任编辑：吕晋英)·13·万方数据