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煤矿钻机卡瓦夹持能力优化研究

2025-04-06 24 上传者：管理员

摘要：夹持器卡瓦是煤矿井下钻机装卸钻杆的关键部件之一，目前夹持器卡瓦设计缺乏科学依据。采用正交法结合仿真分析探究卡瓦齿形对夹持能力的影响，对仿真结果开展极差分析以获取影响卡瓦夹持能力的主要因素，并开展卡瓦夹持钻杆实验测试不同结构卡瓦模型的夹持能力。结果表明：齿槽宽对卡瓦平均摩擦力的影响最大，齿形角对卡瓦平均摩擦力的影响最小，实验结果与仿真结果均显示13#卡瓦样件夹持能力最好，其参数为贴合角160°、齿槽宽2.4 mm、齿形角135°、齿面积22 mm2、齿面长宽比1.7。研究结果可为钻机卡瓦设计提供参考。

关键词：
卡瓦
夹持器
夹持能力
正交分析
煤矿井下钻机
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煤矿井下钻机在瓦斯治理､水害防治､超前探测等领域具有重要作用[1-2],夹持器是钻机运送钻杆的关键部件之一｡随着钻孔深度的增加,孔内钻杆质量增大,为确保施工顺利,保障夹持器的夹持能力至关重要｡夹持器卡瓦是实现夹持功能的核心部件,其结构直接影响夹持器的夹持能力｡对卡瓦结构进行优化是保障夹持器夹持能力的有效手段｡目前关于钻机卡瓦结构设计相关研究主要聚焦于石油钻探领域｡谭勇[3]分析了可溶桥塞整体式卡瓦齿槽深度､齿槽间距和齿槽前端距等因素对卡瓦锚定性能的影响规律,并进行了结构参数优化;董学成等[4]分析了牙前角､牙顶圆角和齿顶距等参数变化对钻具应力分布的影响;韩张骅等[5]为保障卡瓦夹持能力,设计了严格的生产工艺;朱钱威等[6]采用多目标优化遗传算法并结合实际工艺参数,以减小卡瓦质量和钻杆变形量为目标,优化卡瓦几何结构｡

在煤矿钻探领域,主要依靠经验设计和改进卡瓦,缺乏科学的设计参考｡为确保卡瓦夹持能力,本文开展煤矿井下钻机卡瓦夹持能力优化研究,从结构设计角度出发,采用正交法开展仿真与实验,探究卡瓦夹持能力与自身几何结构的关系,为煤矿井下钻机卡瓦设计提供参考｡

1、钻机卡瓦结构及夹紧力分析

钻机进行钻孔施工作业时,需用夹持器夹紧钻杆,配合动力头完成上下钻杆,如图1所示｡夹持器安装有卡瓦,用于卡紧钻杆,卡瓦设计有内凹弧形表面,与钻杆外圆柱面同心,可与钻杆贴合｡为增强卡瓦夹持力,卡瓦内表面开有规律性分布的沟槽,形成卡瓦齿,可有效增强卡瓦夹持能力,如图1(c)所示｡

图1卡瓦工作原理及齿面形态

2、基于正交法的卡瓦夹持钻杆仿真研究

2.1正交方案设计

优化齿形可增加卡瓦与钻杆之间的摩擦力,在油缸压力一定的情况下可获得足够夹持能力｡采用正交法探究卡瓦齿形对夹持能力的影响,根据卡瓦结构及几何特征,选取卡瓦与钻杆的贴合角a､卡瓦齿槽宽b､卡瓦齿形角c､卡瓦齿面积d和齿面长宽比e五个参数为作为正交因素,探究正交因素对卡瓦夹持力的影响,从而为卡瓦设计提供参考｡卡瓦齿结构及几何特征如图2所示,其中d=yx,e=y/x｡

图2卡瓦齿结构及几何特征

每个因素设置4个变量,正交因素水平表如表1所示｡

表1正交因素水平表

2.2卡瓦夹持能力仿真分析

根据正交方案,可知一共有16种不同结构的模型,命名为1#~16#｡利用Inventor建立卡瓦三维模型,采用仿真分析的方法,对不同齿形卡瓦夹持钻杆的过程进行仿真,从而得到不同齿形卡瓦的夹持能力,探究不同齿形参数对卡瓦夹持能力的影响｡卡瓦需克服钻杆自重和主动钻杆对钻杆的转矩,已知克服主动钻杆转矩所需的夹持力大于克服重力所需的夹持力｡而2个加持力均由油缸正压力产生,只需卡瓦提供满足克服主动钻杆转矩的夹持力,即可同时满足克服重力的要求,故在此只考虑卡瓦周向夹持能力｡

设置2个分析步:①分析步1对卡瓦施加2个等大相向的作用力,根据现有实验装备将作用力设置为150kN,模拟卡瓦夹持钻杆;②分析步2钻杆绕轴线旋转90°,模拟钻杆打滑,得到钻杆所受的最大切向力,获得不同正交因子对钻杆最大切向力大小的影响｡由于本文关注点为卡瓦夹紧能力,故取正常卡瓦1/2进行分析｡为了减小计算量,本文对卡瓦模型进行简化,只取卡瓦齿及齿根相连部分进行夹持仿真｡以模型1为例建立模型开展有限元分析,该模型齿面贴合角为100°,齿槽宽为2.4mm,齿形角为90°,齿面积为12mm2,齿面长宽比为0.5｡采用C3D8R网格单元,网格划分如图3所示｡

图3仿真模型网格划分

卡瓦与钻杆之间采用面与面接触,切向设置摩擦罚函数,系数为0.25,法向设置为硬接触｡卡瓦材料采用20CrMnTi,其密度7.85g/cm3､弹性模量207GPa､泊松比0.25｡钻杆材料采用STM-R780,其密度7.80g/cm3､弹性模量210GPa､泊松比0.30｡建立静力学分析步,时长设置为1s,对仿真模型划分六面体网格,提交文件完成分析｡卡瓦模型1夹持能力仿真分析结果如图4所示｡

图4卡瓦夹持能力仿真分析结果

由图4(a)可知,钻杆表面切向力成条状和点阵状分布,与卡瓦齿分布相似,其最大切向力为234.6N｡由图4(b)可知,在t=0~1s时,卡瓦处于夹紧钻杆状态,随着夹持力逐渐增大,其摩擦力也逐渐增加,此时为静摩擦,幅值较小;在t=1s时,由于钻杆发生转动,卡瓦摩擦力迅速增大,此时表现为动摩擦力;在t=1~2s时,卡瓦动摩擦力出现上下波动情况,提取摩擦力值进行计算,发现其摩擦力均值为37508.5N｡剩余模型卡瓦夹持能力仿真分析与上述步骤一致,不再赘述｡

2.3仿真结果与分析

(1)仿真结果与极差分析根据夹持能力仿真分析结果,提取16个卡瓦模型的平均摩擦力作为正交分析因变量,如表2所示｡

表2仿真结果

由表2可知,卡瓦平均摩擦力在37500N附近波动,最大摩擦力为37785.9N,对应模型13,此时卡瓦参数:贴合角160°､齿槽宽2.4mm､齿形角135°､齿面积22mm2､齿面长宽比1.3｡卡瓦平均摩擦力最小值为37407.4N,对应模型10,此时卡瓦参数:贴合角140°､齿槽宽3.0mm､齿形角135°､齿面积32mm2､齿面长宽比0.5｡

根据仿真结果,计算卡瓦平均摩擦力及最小寿命的综合平均值与极差,进一步对各因素对卡瓦夹持能力的影响程度进行分析,结果如表3所示｡由表3可知,齿槽宽对卡瓦平均摩擦力的影响最大,贴合角对卡瓦平均摩擦力的影响紧随其次,齿面长宽比和齿面积对卡瓦平均摩擦力的影响分别排第3和第4,齿形角对卡瓦平均摩擦力的影响最小｡

表3仿真结果综合平均值与极差

(2)单因素对卡瓦夹持能力影响分析

根据仿真结果综合平均值与极差,进一步分析各因素对卡瓦平均摩擦力的影响,如图5所示｡由图5(a)可知,贴合角为100°时,而卡瓦摩擦力综合平均值最小;贴合角为160°时,卡瓦摩擦力综合平均值最大,故取贴合角为160°｡由图5(b)可知,齿槽宽为2.4mm时,卡瓦摩擦力综合平均值最大;随着齿槽宽增大,卡瓦摩擦力综合平均值先减小后增大,取卡瓦齿槽宽为2.4mm｡由图5(c)可知,卡瓦摩擦力综合平均值随齿形角增加变化不大,取卡瓦齿形角为135°｡由图5(d)可知,齿面积为22mm2时,摩擦力综合平均值最大;齿面积为12mm2时,摩擦力综合平均值最小,取齿面积为22mm2｡由图5(e)可知,齿面长宽比为1.3时,卡瓦摩擦力综合平均值最大;齿面长宽比为0.5时,卡瓦摩擦力综合平均值最小;随着齿面长宽比的增加,摩擦力综合平均值先增加后减小,齿面长宽比为1.3时,卡瓦摩擦力综合平均值最大,取齿面长宽比为1.3｡

图5各因素对卡瓦平均摩擦力的影响

3、卡瓦夹持能力测试实验

(1)实验装置

根据正交方案加工卡瓦样件,如图6所示｡开展卡瓦夹持钻杆实验,实验装置如图7所示｡

图6卡瓦样件

图7实验装置

实验装置包括卡瓦基座､卡瓦样件､联轴装置､扭矩传感器､台虎钳､显示器｡卡瓦样件安装于卡瓦基座上面,卡瓦基座放置于台虎钳卡紧装置中,钻杆样件放置于卡瓦之间,采用联轴装置联接扭矩传感器和钻杆,显示器用于显示扭矩传感器数据｡实验时,按照图7安装各个装置,之后用金属扳手扭动扭矩传感器的四方,逐渐加大力量,直至钻杆样件发生转动,记录此时显示器的数据,松开扳手重复2次,取3次实验数据的平均值｡更换其他卡瓦样件,重复上述实验步骤｡

(2)实验结果

由于实验过程夹持力比仿真过程设置的夹持力小,故实验结果显示的扭矩较小,实验结果如图8所示｡实验中的钻杆样件转动扭矩和仿真中的卡瓦平均摩擦力均可反映卡瓦的夹持能力,由图8可知,实验结果与仿真结果变化趋势基本一致,说明仿真具有一定可靠性｡此外,仿真结果与实验结果均显示13#卡瓦样件夹持能力最好,此时对应的卡瓦设计参数:贴合角160°､齿槽宽2.4mm､齿形角135°､齿面积22mm2､齿面长宽比1.7,参数符合前文单因素对卡瓦夹持能力影响分析结果｡

图8实验结果

4、结语

(1)卡瓦夹持钻杆仿真结果表明,齿槽宽对卡瓦平均摩擦力的影响最大,贴合角对卡瓦平均摩擦力的影响紧随其次,齿面长宽比和齿面积对卡瓦平均摩擦力的影响分别排第3和第4,齿形角对卡瓦平均摩擦力的影响最小;

(2)根据正交方案加工卡瓦样件,开展卡瓦夹持钻杆试验,以钻杆样件发生转动的扭矩表征卡瓦夹持力,实验结果与仿真结果变化趋势基本一致,说明仿真具有一定的可靠性;

(3)仿真结果与实验结果均显示13#卡瓦样件夹持能力最好,此时对应的卡瓦设计参数:贴合角160°､齿槽宽2.4mm､齿形角135°､齿面积22mm2､齿面长宽比1.7｡

参考文献:

[1]王清峰,陈航,周涛.煤矿井下自动化钻进技术及装备的发展历程与展望[J].矿业安全与环保,2022,49(4):45-50.

[2]范强.自动钻机在石圪台煤矿探放水钻孔中的应用[J].煤矿机械,2024,45(9):129-131.

[3]谭勇.水平井压裂可溶桥塞的锚定性能分析[D].荆州:长江大学,2024.

[4]董学成,熊柯睿,王国荣,等.基于实验和数值仿真的钻具防顶卡瓦结构优化[J].西南石油大学学报(自然科学版),2021,43(1):167-175.

[5]韩张骅,冯进.卡瓦的加工与检验[J].科技创新与应用,2019(1):105-106.

[6]朱钱威,张华,房佳恒,等.基于响应面法的潜孔钻机卸扣钳卡瓦结构优化设计[J].煤矿机械,2020,41(5):126-128.